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1、第3章直流变换电路本讲稿第一页，共四十八页按按电路器件电路器件分分半控型电路半控型电路全控型电路全控型电路应用：应用：广泛用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的广泛用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆等的无级变速电动汽车的控制机动车辆等的无级变速电动汽车的控制优点：优点：使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节能的效果时收到节能的效果体积小、重量轻、效率高体积小、重量轻、效率高在直流开关稳压电源中直流变换电路常采用在直流开关稳压电源中直流变换电路常采用变压变压器器实现电隔离实现电隔离,而在直流电机的调速装置中而在直流电机的调速装置中
2、可可不用变压器隔离不用变压器隔离。隔离方式：隔离方式：本讲稿第二页，共四十八页3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理ton开关开关T导通时间导通时间基本的斩波器电路基本的斩波器电路工作原理工作原理:UduoRTidio负载波形负载波形 假设电力电子开关器件是理想器件假设电力电子开关器件是理想器件T是可控开关是可控开关R为纯阻性负载为纯阻性负载tuooUdtontoffTStoff开关开关T断开时间断开时间TS开关开关T工作周期工作周期tiooIdtontoff开关开关T的占空比的占空比本讲稿第三页，共四十八页输出电压平均值输出电压平均值为为若认为开关若认为开关T无损耗无损耗,则输
3、出功率为则输出功率为占空比占空比D的改变：通过改变的改变：通过改变ton 或或TS来实现。来实现。tuooUdtontoff开关开关T的占空比的占空比TS改变改变D值可改变输出电压平均值值可改变输出电压平均值的大小的大小本讲稿第四页，共四十八页该方式一般很少采用。该方式一般很少采用。直流变换电路的常用工作方式主要有两种：直流变换电路的常用工作方式主要有两种：脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)工作方式工作方式即即ton固定固定,变变TS 脉宽调制脉宽调制(PWM)工作方式工作方式：这使得滤波器的设计容易。这使得滤波器的设计容易。由于输出电压波形的周期是变化的，由于输出电压波形的周期是变化的，因此
4、输出谐波的频率也是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，使得滤波器的设计比较困难使得滤波器的设计比较困难,输出谐波干扰严重输出谐波干扰严重即即TS固定固定,变变ton其输出电压波形的周期是不变的，其输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，因此输出谐波的频率也不变，本讲稿第五页，共四十八页3.2 降压变换电路降压变换电路是一种是一种输出输出电压的平均值电压的平均值低于低于输入输入直流直流电压的变换电路。电压的变换电路。（Buck电路）电路）降压变换电路：降压变换电路：TRLCDUduDuCuoiduLio降压变换电路降压变换电路全控型电路器件续流二极管储能电感滤波电容负载假设：假设
5、：T、D是无损耗的理想开关，是无损耗的理想开关，Ud是理想恒压源，是理想恒压源，L、C损耗可忽略，损耗可忽略，RC电路时间常数电路时间常数远大于远大于电力开关器件的工作周期电力开关器件的工作周期应用应用:电子电路的供电电源电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机也可拖动直流电动机 或带蓄电池负载等或带蓄电池负载等R上电压平均值上电压平均值Uo为常数为常数本讲稿第六页，共四十八页RLCDuCuotoUdtontoffTSTRLCDUduDuCuoiduLiouDT周期性导通和关断周期性导通和关断idRCUduCuouLioiLioiCiCto=iLiLT=0时导通时导通T=DTS时断开时断开ILu
6、L=Ud-uouL=-uotoiCtouo,uCtoio工作原理工作原理I1I2I1-IoI2-IoUoIoD截止截止D导通导通本讲稿第七页，共四十八页输出电压平均值输出电压平均值若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,则输出功率则输出功率=输入功率输入功率TRLCDUduDuCuoiduLio若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,本讲稿第八页，共四十八页电感中的电流电感中的电流iL是否连续是否连续,取决于取决于开关频率、
7、滤波电开关频率、滤波电感感L和电容和电容C的数值。的数值。Buck电路两种可能运行情况：电路两种可能运行情况：电感电流电感电流连续连续模式模式电感电流电感电流临界临界连续状态连续状态电感电流电感电流断流断流模式模式电感电流波形图电感电流波形图toUdtontoffuDtoILI1I2toILI2toILI2本讲稿第九页，共四十八页1 1）电感电流电感电流iL连续模式连续模式 ton期间期间:电感上的电压为电感上的电压为toiLILI1I2toff期间期间:电感中的电流电感中的电流iL从从I2线性下降到线性下降到I1开关周期开关周期本讲稿第十页，共四十八页电感电流一周期内的平均值电感电流一周期内
8、的平均值IL与负载电流与负载电流Io相等相等变换电路工作在临界连续状态时，即有变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，维持电流临界维持电流临界连续的电感值连续的电感值临界连续负载电流临界连续负载电流总结总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压Ud、电感电感L、开关开关频率频率f以及开关管以及开关管T的占空比的占空比D都有关都有关本讲稿第十一页，共四十八页当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时时，电感电流电感电流连续连续；当实际负载电流当实际负载电流Io=Iok时时，电感电流处于电感电流处于连续连续(临界点临界点)；当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时时，电感电流电
9、感电流断流断流；Buck电路中电路中,若滤波电容若滤波电容C足够大足够大,则输出电压则输出电压Uo为常数为常数假定假定:所有纹波分量流过电容器所有纹波分量流过电容器若电容若电容C为有限值为有限值,直流输出电压将会有直流输出电压将会有纹波成份纹波成份。toiCI1-IoI2-Io电容电流波形图电容电流波形图纹波纹波电压峰峰值电压峰峰值本讲稿第十二页，共四十八页可限制输出纹波电压大小可限制输出纹波电压大小电流连续时的输出电压纹波为电流连续时的输出电压纹波为当满足当满足电路截止频率电路截止频率且纹波电压大小与负载无关且纹波电压大小与负载无关本讲稿第十三页，共四十八页例例:有一有一Buck电路电路,输
10、入电压输入电压Ud=(110%)27V输出电压输出电压Uo=15V，最大输出功率为最大输出功率为120W，最小输出功率为最小输出功率为10W，开关管工作频率为开关管工作频率为30kHz，(1)求占空比的变化范围求占空比的变化范围(2)保证整个开关周期电流连续的电感值保证整个开关周期电流连续的电感值(3)当输出纹波电压当输出纹波电压U=100mV时时,滤波电容的大小。滤波电容的大小。解解:(1)Buck电路输出电压平均值电路输出电压平均值本讲稿第十四页，共四十八页(2)由题意知由题意知,只要输出功率为最小、占空比最小时电只要输出功率为最小、占空比最小时电流临界连续流临界连续,就能保证整个开关电感
11、电流连续就能保证整个开关电感电流连续电流临界连续电感值电流临界连续电感值(3)本讲稿第十五页，共四十八页3.2 降压变换电路降压变换电路TRLCDUduDuCuoiduLio维持电流临界连续的电感值维持电流临界连续的电感值临界连续负载电流临界连续负载电流纹波电压峰峰值纹波电压峰峰值输出电压纹波输出电压纹波负载输出电压平均值负载输出电压平均值电感电流的峰峰值电感电流的峰峰值本讲稿第十六页，共四十八页RC电路时间常数电路时间常数远大于远大于电力开关器件的工作周期电力开关器件的工作周期3.3 升压变换电路升压变换电路全控型电力器件开关快恢复二极管 直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路直流输出电
12、压的平均值高于输入电压的变换电路称为称为升压变换电路升压变换电路又叫又叫Boost电路或电路或升压斩波升压斩波电路电路应用：应用：直流稳压电源和直流电机的再生制动直流稳压电源和直流电机的再生制动。TRLCDUduTuCuoid=iLioiC输出电压平均值为常数升压变换电路升压变换电路理想条件理想条件:T、D是无损耗的理想开关，是无损耗的理想开关，Ud是恒压源是恒压源,其内阻为零其内阻为零,L、C中的损耗可忽略，中的损耗可忽略，本讲稿第十七页，共四十八页工作原理：工作原理：UdTRLCDuTuoid=iLioiCton期间期间二极管反偏截止二极管反偏截止totontoffuTRCuCuoioiC
13、LUdiLtoff期间期间二极管二极管D导通导通RLCDUduCuoid=iLioiCtoiLtoiCtouCuo,toio本讲稿第十八页，共四十八页理想状态理想状态输出电流平均值输出电流平均值本讲稿第十九页，共四十八页电流处于电流处于临界连续临界连续状态时状态时,则则I1=0，电流临界电流临界连续的电感值连续的电感值临界连续负载电流临界连续负载电流可见可见:临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压Ud、电感电感L、开关频率开关频率f以及开关管以及开关管T的占空比的占空比D都有关都有关本讲稿第二十页，共四十八页Boost变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：当实际负载电流当实际
14、负载电流Io Iok时时，电感电流电感电流连续连续；当实际负载电流当实际负载电流Io=Iok时时，电感电流处于电感电流处于连续连续(临界点临界点)；当实际负载电流当实际负载电流IoTS理想条件理想条件:T与与D是无损耗理想开关是无损耗理想开关Ud是恒压源是恒压源,其内阻为零其内阻为零,L、C中的损耗可忽略中的损耗可忽略UO=常数常数T导通时导通时能量先储存在电感中，能量先储存在电感中，T断开时断开时再向负载供能再向负载供能本讲稿第二十五页，共四十八页3.3 升压变换电路升压变换电路TRLCDUduTuCuoid=iLioiC电流临界电流临界连续的电感值连续的电感值临界连续负载电流临界连续负载电
15、流负载输出电压平均值负载输出电压平均值电压纹波系数电压纹波系数电感电流峰峰值电感电流峰峰值本讲稿第二十六页，共四十八页升降压变换电路的工作原理升降压变换电路的工作原理TRLCDUduCuoidioiCuLiLiDtotontoffuL ton期间期间LUdiduLiLRCuCuoioiCL储能储能,C向负载供能向负载供能D反偏而关断反偏而关断,toff期间期间RLCDuCuoioiCiDiL当感应电动势当感应电动势超过超过UO时时D导通导通，L供能供能,C反向充电反向充电toiLtoiCtouo、uCtoio本讲稿第二十七页，共四十八页 ton期间期间 toff期间期间LUdiduLiLRCD
16、uCuoioiCiDiLuLU0Ud,降压变换降压变换负号表示输出与输入电压反相负号表示输出与输入电压反相当当D=0.5时时，当当0.5DUd,升压变换升压变换当当0D0.5时时，本讲稿第二十八页，共四十八页变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：实际负载电流实际负载电流IoIok时时,电感电流电感电流连续连续。实际负载电流实际负载电流Io=Iok时时,电感电流处于电感电流处于临界连续临界连续 实际负载电流实际负载电流IoIok时时,电感电流电感电流断流断流。采用前几节同样的分析方法可得采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连续电感电流临界连续临界连续负载电流平均值临界连续负载电流平均值
17、临界电感临界电感本讲稿第二十九页，共四十八页 T导通时导通时Buck-Boost电路中电路中C充、放电同充、放电同Boost电路电路电容电容C向负载放电向负载放电,供能供能稳定工作时通过电容的电流平均值为零稳定工作时通过电容的电流平均值为零 T断开时断开时电容电容C充电充电,储能储能纹波纹波电压峰峰值电压峰峰值时间常数时间常数Buck-Boost电路电路缺点缺点:输入电流不连续，输入电流不连续，toiC 流过二极管的电流过二极管的电流也是断续的流也是断续的,这对供电电源和负载都不利这对供电电源和负载都不利本讲稿第三十页，共四十八页TRLCDUduDuCuoiduLio降压变换电路降压变换电路T
18、RLCDUduTuCuoid=iLioiC升压变换电路升压变换电路升降压变换电路升降压变换电路优点优点:降压、负载电降压、负载电 流波动小流波动小缺点缺点:不能升压、电不能升压、电 源电流波动大源电流波动大优点优点:升压、电源电升压、电源电 流波动小流波动小缺点缺点:不能降压、负不能降压、负 载电流波动大载电流波动大优点优点:能升压、降压能升压、降压缺点缺点:负载电流、电负载电流、电 源电流波动大源电流波动大TRLCDUduCuoidioiCuLiLiD本讲稿第三十一页，共四十八页出入端电流波动的危害：出入端电流波动的危害：谐波会使电路的变换效率降低，谐波会使电路的变换效率降低，大电流的高次谐
19、波会产生辐射而干扰周围的大电流的高次谐波会产生辐射而干扰周围的电子设备致使其不能正常工作。电子设备致使其不能正常工作。期望电路：期望电路：能同时实现升压、降压能同时实现升压、降压能同时使电源电流、负载电流波动小能同时使电源电流、负载电流波动小本讲稿第三十二页，共四十八页TRL1C2DUduC2uoid=iL1ioiCuTiDuDL2C1iL2uC1iC13.5 库克变换电路库克变换电路库克变换电路库克变换电路L1、L2储能电感耦合电容快恢复续流二极管滤波电容2)电路的电路的特点特点:输出电压输出电压极性极性与输入电压与输入电压相反相反,出入端出入端电电流纹波小流纹波小,输出输出直流电压平稳直流
20、电压平稳,降低了对外部滤波器降低了对外部滤波器的要求。的要求。1)库克库克(Cuk)电路属电路属升降压型升降压型直流变换电路。直流变换电路。假设假设T、D是理想开关是理想开关忽略所有元器件的损耗忽略所有元器件的损耗本讲稿第三十三页，共四十八页工作原理：工作原理：toTRL1C2DUduC2uoid=iL1ioiCuTiDuDL2C1iL2uC1iC1 ton期间期间 toff期间期间totontoffuTtoiL1toiL2toiC1to-uoRL1C2UduC2uoid=iL1ioiCL2C1iL2uC1iC1uDtoioD截止截止D导通导通RL1C2DUduC2uoid=iL1ioiCiD
21、uDL2C1iL2uC1iC1本讲稿第三十四页，共四十八页1 1）Cuk变换电路流过二极管变换电路流过二极管D电流也有连续和断流两电流也有连续和断流两种工作情况，种工作情况，2 2）工作情况）工作情况电流连续电流连续：在开关管：在开关管T的关断时间内，二极管电的关断时间内，二极管电 流总是大于零。流总是大于零。电流断流电流断流：在开关管：在开关管T的关断时间内，二极管电的关断时间内，二极管电 流在一段时间内为零。流在一段时间内为零。临界连续临界连续：二极管电流经：二极管电流经toff后后,在下个开关周在下个开关周 期期TS的开通时刻二极管电流正好降为零。的开通时刻二极管电流正好降为零。本讲稿第
22、三十五页，共四十八页平均输出电压平均输出电压UoU0Ud,降压变换降压变换负号表示输出与输入电压反相负号表示输出与输入电压反相当当D=0.5时时，当当0.5DUd,升压变换升压变换当当0D0.5时时，本讲稿第三十六页，共四十八页若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,库克变换电路与升降压变换电路的异同点：库克变换电路与升降压变换电路的异同点：相同点：相同点：输出输入电压关系相同输出输入电压关系相同不同点：不同点：升压变换电路是在升压变换电路是在T关断期间电感关断期间电感L给滤波电给滤波电容容C补充能量，输出电流脉动很大。补充能量，输出电流脉动很大。库克变换电路中只要库克变换电路中只要C1足够
23、大，输入输出电足够大，输入输出电流都是连续平滑的流都是连续平滑的,有效地降低了纹波有效地降低了纹波。本讲稿第三十七页，共四十八页3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离隔离，提高变换器运行的，提高变换器运行的安全可靠性安全可靠性和和电磁兼容性电磁兼容性。2）选择变压器的变比还可选择变压器的变比还可匹配匹配电源电压电源电压Ud与负载与负载所需的输出电压所需的输出电压Uo ，能使直流变换器的占空比能使直流变换器的占空比D数数值适中而不至于接近于零或接近于值适中而不至于接近于零或接近于l。3）能设置
24、能设置多个二次绕组输出多个二次绕组输出几个电压大小不同的几个电压大小不同的直流电压。直流电压。1 1、引入变压器作用：、引入变压器作用：本讲稿第三十八页，共四十八页1）单端变换器单端变换器：变换器只需一个开关管，变换：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化；器中变压器的磁通只在单方向变化；2）正激变换器正激变换器：开关管导通时电源将能量直接：开关管导通时电源将能量直接传送至负载；传送至负载；3）反激变换器反激变换器：开关管导通时电源将电能转为：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；变为电能
25、传送到负载；2、分类：、分类：3、应用：、应用：电子仪器的电源、电力电子系统或装置的控制电源、计电子仪器的电源、电力电子系统或装置的控制电源、计算机电源、通信电源与电力操作电源等领域。算机电源、通信电源与电力操作电源等领域。广泛用于开光电源广泛用于开光电源本讲稿第三十九页，共四十八页totontoffugtouotoio一般情况一般情况,反激式变换器的工作占空比反激式变换器的工作占空比D要小于要小于0.5 反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压电压UO为：为：T导通导通时，时，变压器储存能量变压器储存能量，D截止截止电容向负载释放能量。电容
26、向负载释放能量。T截止截止时，时，变压器中能量通过变压器中能量通过D向负载释放向负载释放，D导通导通，电容充电，储能。电容充电，储能。3.6.1 反激式变换器反激式变换器TRN2DuoTrC1N1反激式变换器电路反激式变换器电路本讲稿第四十页，共四十八页正激式变换器电路正激式变换器电路变换器的输出电压为：变换器的输出电压为：该电路的占空比该电路的占空比D不能超过不能超过0.53.6.2 正激式变换器正激式变换器totontoffugtouOT导通导通时，时，变压器储存能量变压器储存能量，能量储存在电感中能量储存在电感中,同时给负载供电同时给负载供电;T截止截止时，时，D1截止截止,二极管二极管
27、D1导通导通，D2截止截止，D2导通导通,电感储存的能量释放给负载电感储存的能量释放给负载本讲稿第四十一页，共四十八页3.6.3 推挽式变换器推挽式变换器（属正激式变换器）（属正激式变换器）推挽式变换器电路推挽式变换器电路 其工作占空比必须其工作占空比必须保持小于保持小于0.5。totontoffug1toug2touo适于数瓦至数千瓦的开关电源适于数瓦至数千瓦的开关电源本讲稿第四十二页，共四十八页3.4 升降压变换电路升降压变换电路升降压变换电路升降压变换电路TRLCDUduCuoidioiCuLiLiD临界连续负载电流平均值临界连续负载电流平均值临界电感临界电感纹波电压系数纹波电压系数输出
28、电压平均值输出电压平均值电感电流峰峰值电感电流峰峰值本讲稿第四十三页，共四十八页TRL1C2DUduC2uoid=iL1ioiCuTiDuDL2C1iL2uC1iC13.5 库克变换电路库克变换电路库克变换电路库克变换电路若忽略所有元件的损耗若忽略所有元件的损耗,输出电压平均值输出电压平均值本讲稿第四十四页，共四十八页3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器反激式变换器反激式变换器TRN2DuoTrC1N1正激式变换器正激式变换器推挽式变换器推挽式变换器本讲稿第四十五页，共四十八页3.6.4 半桥式变换器半桥式变换器 半桥变换电路原理图半桥变换电路原理图totontoffug1
29、toug2touo适于数百瓦至数千适于数百瓦至数千瓦的开关电源瓦的开关电源本讲稿第四十六页，共四十八页3.6.5 全桥变换电路全桥变换电路 将半桥电路中的两个电解电容将半桥电路中的两个电解电容C1和和C2换成两换成两只开关管，并配上适当的驱动器，只开关管，并配上适当的驱动器，适于数百瓦至数千瓦的开关电源适于数百瓦至数千瓦的开关电源T2、T3同时导通同时导通T1、T4同时关断同时关断T1、T4同时导通同时导通T2、T3同时关断同时关断本讲稿第四十七页，共四十八页1、对于升降压直流斩波器，当其输出电压小于其电源对于升降压直流斩波器，当其输出电压小于其电源电压时，有电压时，有 A、无法确定无法确定 B、0.51 C、00.5 D、以上说法均是错误的以上说法均是错误的2、升压斩波电路中，已知电源电压升压斩波电路中，已知电源电压Ud=12V，占空占空比比=1/3，则负载电压则负载电压U0=A.4V B.18V C.36V D.48V3、根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，直流、根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，直流斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式 、和和 。本讲稿第四十八页，共四十八页