第3章-直流電壓變換電路課件

1、直流電壓變換電路：利用電力開關器件周期性的開通與關斷來改變輸出電壓的大小，將直流電能轉換為另一固定電壓或可調電壓的直流電能的電路稱為直流變換電路。(開關型DC/DC變換電路/斬波器)。2、直流電壓變換電路的分類：

按穩(wěn)壓控制方式:脈沖寬度調制(PWM)、脈沖頻率調制(PFM)直流變換電路。

按變換器的功能:降壓變換電路(Buck)、升壓變換電路(Boost)、升降壓變換電路(Buck-Boost)、庫克變換電路(Cuk)和全橋直流變換電路。3、隔離方式：在直流開關穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實現(xiàn)電隔離，而在直流電機的調速裝置中可不用變壓器隔離。

第3章直流電壓變換電路

11、直流電壓變換電路：第3章直流電壓變換電路1

第3章

直流電壓變換電路

3.1直流變換電路的基本原理及控制方式3.2降壓直流電壓變換電路3.3升壓直流電壓變換電路

3.4直流變換降壓-升壓復合型直流變換電路

3.5庫克直流電壓變換電路

3.6直流變換電路的PWM控制技術3.7直流開關電源的應用2第3章直流電壓變換電路3.1直流變換電路的3.1直流電壓變換電路的基本原理及控制方式工作原理：圖中S是可控開關，UD是恒定直流電壓電源，R為負載。當開關S閉合時，UO=UR=UD，并持續(xù)ton時間。當開關切斷時，UO=UR=0，并持續(xù)，由圖可得，直流變換電路輸出電壓的平均值為T為開關S的工作周期，ton為導通時間，toff為關斷時間。α是變換電路的工作頻率或開關的占空比輸出功率為

圖3.1直流電壓變換電路原理圖及輸出波形圖

3.1.1直流電壓變換電路的基本原理輸出電壓平均值的改變：因為α是0～1之間變化的系數(shù)，因此在α的變化范圍內輸出電壓UO總是小于輸入電壓UD，改變α值就可以改變其大小。占空比的改變：通過改變ton或T來實現(xiàn)。

33.1直流電壓變換電路的基本原理及控制方式工作原理：圖中S3.1.2直流電壓變換電路的控制方式①脈寬調制(PWM)工作方式：即保持電路頻率f不變(f=1/T)，改變ton。在這種調壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得濾波器的設計容易。②脈沖頻率調制(PFM)工作方式：即保持ton不變，改變T(f)。在這種調壓方式中，由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設計比較困難，輸出諧波干擾嚴重，一般很少采用。③混合調制控制方式：ton和T都可調，使占空比改變。普遍采用的是脈寬調制控制方式。因為頻率調制控制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。43.1.2直流電壓變換電路的控制方式43.2降壓直流電壓變換電路原理圖

續(xù)流二極管全控型電力器件輸入直流電壓濾波電感濾波電容負載53.2降壓直流電壓變換電路原理圖續(xù)流二極管全控型電αT圖3.2降壓變換電路及其波形圖觸發(fā)脈沖在t=0時，使開關S導通，在ton導通期間電感L中有電流流過，電流按指數(shù)曲線緩慢上升，其等效電路如圖3.2（b）負載電壓等于電源電壓UD。當觸發(fā)脈沖在t=αT時刻使開關S斷開而處于toff期間，負載電流經(jīng)續(xù)流二極管VD釋能，輸出電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降，其等效電路如圖3.2（c）所示。圖3.2（d）是各電量的工作波形圖。6αT圖3.2降壓變換電路及其波形圖觸發(fā)脈沖在t=0時，使開關圖3.3電感電流波形圖

Buck變換器的運行情況：電感電流連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)電感電流斷流模式電感中的電流iL是否連續(xù)，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。7圖3.3電感電流波形圖Buck變換器的運行情況：電感1）電感電流iL連續(xù)模式：在ton期間:電感上的電壓為

由于電感L和電容C無損耗，因此iL從I1線性增長至I2，上式可以寫成式中△IL=I2－I1為電感上電流的變化量，UO為輸出電壓的平均值。81）電感電流iL連續(xù)模式：在ton期間:電感上的電壓為在toff期間:假設電感中的電流iL從I2線性下降到I1，則有根據(jù)上式可求出開關周期Ｔ為上式中△IL為流過電感電流的峰－峰值，最大為I2，最小為I1。電感電流一周期內的平均值與負載電流IO相等，即將△IL和I0式△IL=I2－I1可得9在toff期間:假設電感中的電流iL從I2線性下降到I1，則2）電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有I1=0，由可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為：

即電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為：

式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值?？偨Y：臨界負載電流Iok與輸入電壓UD、電感L、開關頻率f以及開關管T的占空比α都有關。

當實際負載電流Io＞Iok時，電感電流連續(xù)；當實際負載電流Io=Iok時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點）;當實際負載電流Io＜Iok時，電感電流斷流；102）電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：10輸出紋波電壓：

在Buck電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓U0為常數(shù)。然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為

其中f為buck電路的開關頻率，fc為電路的截止頻率。它表明通過選擇合適的L、C值，當滿足fc＜＜f時，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負載無關。11輸出紋波電壓：11

3.3升壓變換電路1)定義：升壓型直流電壓變換電路用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實現(xiàn)能量從低壓向高壓側負載的傳遞，又稱Boost電路或升壓斬波電路。全控型電力器件開關儲能保持輸出電壓2）原理圖123.3升壓變換電路1)定義：升壓型直流電壓變換電路3）工作原理：ton工作期間：二極管反偏截止，電感L儲能，電容C給負載R提供能量。toff工作期間：二極管VD導通，電感L經(jīng)二極管VD給電容充電，并向負載RL提供能量?？傻茫?/p>

式中占空比α=ton/TS，當α=0時，U0=Ud，但α不能為1，因此在0≤α＜1的變化范圍內Uo≥Uin圖3.4升壓變換電路及波形

133）工作原理：圖3.4升壓變換電路及波形134）Buck變換器的運行情況：

根據(jù)在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，參考降壓變換電路的計算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為：

當實際負載電流Io＞Iok時，電感電流連續(xù)。當實際負載電流Io=Iok時,電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點)。當實際負載電流Io＜Ick時，電感電流斷流。

144）Buck變換器的運行情況：14③沒有電壓閉環(huán)調節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作：因為穩(wěn)態(tài)運行時，開關管T導通期間()電源輸入到電感L中的磁能，在T截止期間通過二極管D轉移到輸出端，如果負載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流情況。如果負載電阻變得很大，負載電流太小，這時若占空比D仍不減小、ton不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。小結：①Boost電路對電源的輸人電流（也即通過二極管D的電流）就是升壓電感L電流，電流平均值為：I0=(I2-I1)/2。②實際中，選擇電感電流的增量△IL時，應使電感的峰值電流Id+△IL不大于最大平均直流輸入電流Id的20%，以防止電感L飽和失效。④Boost變換器的效率很高，一般可達92%以上。15③沒有電壓閉環(huán)調節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況3.4直流變換降-升壓復合型直流變換電路

降升壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其電路原理圖如圖3.5(a)所示。它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源。163.4直流變換降-升壓復合型直流變換電路2）工作原理：①ton期間，二極管D反偏而關斷，電感儲能，濾波電容C向負載提供能量。②toff期間，當感應電動勢大小超過輸出電壓U0時，二極管D導通，電感經(jīng)D向C和RL反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

圖3.5升降壓直流變換電路及工作圖172）工作原理：②toff期間，當感應電動勢大小超過輸出電（續(xù)工作原理）在ton期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，得：由,的關系，求出輸出電壓的平均值為：上式中，α為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反相；當α=0.5時，U0=UD；當0.5<α<1時，U0>UD，為升壓變換；當0≤α<0.5時，U0<UD，為降壓變換。18（續(xù)工作原理）由,（續(xù)工作原理）采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為：變換器的可能運行情況：實際負載電流Io＞Iok時，電感電流連續(xù)。實際負載電流Io=Iok時，電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點)。實際負載電流Io＜Iok時，電感電流斷流。19（續(xù)工作原理）193.5庫克直流電壓變換電路L1、L2儲能電感耦合電容快速恢復續(xù)流二極管濾波電容圖3.6（a）庫克(Cuk)變換電路原理圖1）庫克(Cuk)變換電路屬升降壓型直流變換電路。2）電路的特點：輸入和輸出回路中都有電感，輸出電壓波紋較小，從輸入電源吸取的電流波紋也較小。輸出電壓極性與輸入電壓相反，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。電路形式如圖3.6(a)所示，203.5庫克直流電壓變換電路L1、L2儲能電感耦合電容快速晶閘管開通晶閘管關斷圖3.6庫克電路及其工作波形21晶閘管開通晶閘管關斷圖3.6庫克電路及其工作波形211）Cuk變換電路也有電流連續(xù)和斷流兩種工作情況，但這里不是指電感電流的斷流，而是指流過二極管VD的電流連續(xù)或斷流。2）工作情況電流連續(xù)：在開關管S的關斷時間內，二極管電流總是大于零。電流斷流：在開關管S的關斷時間內，二極管電流在一段時間內為零。臨界連續(xù)：二極管電流經(jīng)toff后，在下個開關周期T的開通時刻二極管電流正好降為零。在Cuk變換電路中只要電容C足夠大，輸入、輸出電流都是連續(xù)平滑的，有效地降低了交流紋波，降低了對濾波電路的要求，使其得到了廣泛的應用。221）Cuk變換電路也有電流連續(xù)和斷流兩種工作情況，但這里不3.6直流變換電路的PWM控制技術直流PWM控制的基本原理PWM波形載波utr調制信號ucUDutr、ucucutr233.6直流變換電路的PWM控制技術直流PWM控制的基本原1）PWM波形：將一個直流電壓分成N等份，并把每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，得到的脈沖列；2）調制方法：等腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。

PWM波形載波utr調制信號ucUDutr、ucucutr241）PWM波形：將一個直流電壓分成N等份，并把每一等份所包圍3）直流PWM控制方式：用utr對直流變換電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，如果這些脈沖的頻率不變而寬度變化，經(jīng)過濾波器后就能得到大小可調的直流電壓。

調節(jié)直流調制信號uc的大小，就可以改變PWM波脈沖的寬度。PWM波形載波utr調制信號ucUDutr、ucucutr253）直流PWM控制方式：用utr對直流變換電路開關器全橋型直流電壓變換電路。它可以實現(xiàn)由電源向負載傳送電能，又可以實現(xiàn)由負載向電源傳送電能。它可以實現(xiàn)DC/DC變換，用于直流電機的驅動；也可以實現(xiàn)DC變換，用于單相交流不間斷電源和變壓器隔離式直流開關電源。如圖3.7所示。圖中開關S1、S2、S3、S4兩端分別反并聯(lián)開關二極管,R、L是感性負載。UD為幅值不變的輸入電壓，在不同的控制方式下，輸出是幅度和極性均可變的直流電壓UO。輸出電壓的極性，與輸入電壓相比，可以反相也可以同相。

根據(jù)輸出電壓波形的極性特點，可以分成雙極性PWM控制方式和單極性PWM控制方式。圖3.7全橋式直流—直流變換器26全橋型直流電壓變換電路。它可以實現(xiàn)由電源向負載傳送電能，又可1.雙極性PWM控制方式1）開關原理：直流控制電壓與三角波電壓比較產(chǎn)生兩組開關的PWM控制信號:（1）當UC>Utri時，開關S1和S4導通，S2和S3關斷。輸出電壓UO與電源電壓UD相等且極性相同，即UO＝UD；（2）當UC<Utri時，開關S1、S4關斷，S2、S3導通。輸出電壓與輸入電壓極性相反，但大小相等，即UO＝－UD。圖3.8雙極性電壓PWM控制方式271.雙極性PWM控制方式1）開關原理：圖3.8雙極性電壓2）輸出電壓變換電路的輸出電壓可在-UD到+UD之間變化:1）時，U0＝0；2）時，U0＜0；

3）時，U0＞0；輸出電壓的平均值為：圖3.8雙極性電壓PWM控制方式282）輸出電壓變換電路的輸出電壓可在-UD到+UD之間變化:輸

1）在理想條件下，U0的大小和極性只受占空比α1的控制，而與輸出電流i0無關。2）在這種控制方式中，輸出電壓的平均值U0隨控制信號Uc線性變化。3）這種電路平均輸出電流I0可正可負。在I0>0時，直流電源UD向負載U0端傳送能量，在I0<0時，U0向UD傳輸能量。小結：291）在理想條件下，U0的大小和極性只受占空比α12.單極性電壓開關PWM控制方式圖3.7所示的全橋DC/DC變換電路，如果改變控制方法，使輸出電壓平均值具有單極性，其控制方法被稱為單極性電壓開關PWM控制。圖3.9單極性電壓PWM控制方式的波形圖電路工作過程中，保持S1導通，S3關斷。若Uc＞Utri時，S2導通，S4關斷，UO＝UD；若Uc＜Utri時，S2導通，S4關斷，UO＝0；于是得到單極型電壓開關PWM控制方法的電壓電流波形。為302.單極性電壓開關PWM控制方式圖3.7所示的全橋DC/D采用與雙極型電壓開關PWM控制同樣的分析方法，得到輸出電壓平均值UO：

上式中α1是開關S1的占空比，Utrim是三角波的峰值，k＝UD/Utrim是比例系數(shù)。該式表明，在單極性電壓開關PWM控制方式中，輸出電壓平均值UO隨控制電壓Uc線性變化。不管輸出電流IO＞0或IO＜0，UO始終為正值。必須注意的是，在單極、雙極性電壓開關控制兩種方法中，若開關頻率相同，則單極性控制方法中輸出電壓的諧波頻率是雙極性控制方式開關頻率的兩倍，因此其頻率響應好，交流紋波幅值小。31采用與雙極型電壓開關PWM控制同樣的分析方法，得到輸出電壓平3.7直流開關電源的應用直流開關電源常常需要滿足下面的要求：1）當輸入電壓和負載變化時，輸出電壓必須能在兼容范圍內保持不變或輸出電壓可調；2）輸出與輸入之間需要電氣隔離；3）某些場合可能要求有多路輸出電壓，有些場合要求各輸出間也要電氣隔離；

323.7直流開關電源的應用直流開關電源常常需要滿足1）能使變換器的輸入電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性。2）選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓Ud與負載所需的輸出電壓Uo，能使直流變換器的占空比D數(shù)值適中而不至于接近于零或接近于l。

3）能設置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的直流電壓。

1、引入變壓器作用：

帶隔離變壓器的直流變換器主要應用于電子儀器的電源、電力電子系統(tǒng)或裝置的控制電源、計算機電源、通信電源與電力操作電源等領域。1）單端變換器：變換器只需一個開關管，變換器中變壓器的磁通只在單方向變化；2）反激變換器：開關管導通時電源將電能轉為磁能儲存在電感中，當開關管阻斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d；3）正激變換器：開關管導通時電源將能量直接傳送至負載；2、分類：331）能使變換器的輸入電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運3.7.1帶有電氣隔離的直流-直流變換器圖3.10直流開關電源的組成框圖

直流-直流變換器把固定的直流電經(jīng)脈寬調制變換成高頻脈沖電壓，然后通過隔離變換器副邊的整流和濾波電路得到直流電壓UO。由PWM控制器驅動直流—直流變換器的開關管，通過反饋控制得到要求的直流輸出電壓。圖3.10給出了帶電氣隔離的開關電源的組成框圖。輸入交流電經(jīng)二極管整流器整流成不可調的直流電壓。在輸入處用一個抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾。343.7.1帶有電氣隔離的直流-直流變換器圖3.10直流開1.反勵式變換器圖3.11反勵式變換器電路與工作波形反勵式變換器電路如圖3.11（a）所示。圖中VT為開關管、Tr是隔離變壓器、VD為高頻二極管。

當開關管VT導通，輸入電壓UD加到變壓器Tr一次側上，變壓器儲存能量，據(jù)變壓器同名端的極性，可得二次側中的感應電動勢為下正上負，二極管反偏。二次側中沒有電流流過。當開關管關斷，儲存在鐵心中的能量通過變壓器副邊的二極管VD流過副邊線組。在工作過程中變壓器起儲能電感的作用。圖3.11（b）為工作過程中輸出電壓和電流的波形圖。反激式變換器工作在輸出電流連續(xù)的狀態(tài)下，輸出電壓UO為：一般情況下，反勵式變換器的工作占空比α要小于0.5。351.反勵式變換器圖3.11反勵式變換器電路與工作波形反勵2.正勵式變換器正勵式變換器電路如圖3.12（a）所示，圖中VT是開關管，VD1、VD2是高頻二極管，VD3是續(xù)流二極管，Tr是隔離變壓器。該變換器的工作過程與降壓變換器的工作過程基本相同。圖3.12正勵式變換器電路輸出電壓即輸出電壓僅決定于電源電壓、變壓器的變比和占空比，而和負載電阻無關。該電路的占空比D不能超過0.5。362.正勵式變換器正勵式變換器電路如圖3.12（a）所示，圖中3.全橋式變換電路全橋式變換電路如圖3.13所示，其中開關管VT1、VT4、VT2、VT3是作為分別導通/斷開的。二極管與開關管反并聯(lián)，是為了給原邊繞組的漏感儲存的能量提供電流通道。

圖3.13全橋變換電路工作原理：當一對開關管導通時，處于截止狀態(tài)的另一對開關管上承受的電壓為電源電壓UD。開關管VT1、VT2、VT3和VT4的集電極與發(fā)射極之間反接有鉗位二極管VD1、VD2、VD3和VD4，由于這些鉗位二極管的作用，當開關管從導通到截止時，變壓器一次側磁化電流的能量以及漏感儲能引起的尖峰電壓的最高值不會超過電源電壓UD，同時還可將磁化電流的能量反饋給電源，從而提高整機的效率。

373.全橋式變換電路全橋式變換電路如圖3.13所示，其中開關管3.7.2直流電源的保護UC1524A集成電路適用于推挽式和橋式PWM變換器，PWM互鎖電路確保了在任何時期只有一個開關管被觸發(fā)，并且Ct決定了0.5μs到4μs的邏輯延遲時間，防止兩個開關管同時觸發(fā)。圖3.14