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1、3.1 直流变换电路的工作原理v工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在ton时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在toff时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。电路中开关的占空比TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 式（3.1.2）中Ud为输入直流电压。输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。l图3.1.1 基本的斩波器电路l 及其负载波形（3.1.2
2、）（3.1.1）（3.1.3）第1页/共70页直流变换电路的常用工作方式主要有两种：脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持Ton不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS不变，Ton改变。在这种调压方式中，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，这使得滤波器的设计容易。第2页/共70页理想的电力电子变换器 为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过
3、程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。第3页/共70页 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWMPWM控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 第4页/共70页3.2 降压变换电路原理图 续流二极管全控型电力器件输入直流电压滤波电感滤波电容负载第5页/共70页电流连续时的工作特性1.两种
4、开关状态2.变压比和电压、电流基本关系第6页/共70页3.2 降压变换电路导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D D反偏。等效电路如图3.2.1(b)3.2.1(b)所示 ；关断期间（t toffoff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D D导通续流。等效电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示；由波形图3.2.1(b)可以计算出输出电压的平均值为：图3.2.1 降压电路及其波形图(3.2.3)忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：第7页/共70页波形分析第8页/共70页图3.2.2 电感电流波形图v Buck变换器的可能运行情况：1.电感电流连续模式2.电感电流临
5、界连续状态3.电感电流断流模式电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率f、滤波电感L和电容C的数值,f、L、C大，越连续第9页/共70页VG0,T管导通第10页/共70页VG=0,T管阻断第11页/共70页降压原理对开关管T加驱动信号VG,开关周期为TS第12页/共70页输出电压变压比为Mn次谐波幅值 输出电压的直流平均值 将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中第13页/共70页(3.2.4)l1）电感电流iL连续模式：在ton期间:电感上的电压为 由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成式中IL=I2I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。第14页/
6、共70页(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有l根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期S为l 上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电容在一个周期内一直处于充电放电状态，达稳态时 电容的平均充电电流=其放电电流，电容电流的平均值为零。l则：负载电流的平均值I0=电感电流的平均值ILl电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL=I2I1可得第15页/共70页(3.2.9)第16页/共70页工作电流的平均值表达式第17页/共70页电容C在一个开关
7、周期内的充、放电电荷为：输出电压波动量电容电压、电容电荷第18页/共70页v输出纹波电压：在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为 其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。（3.2.14）第19页/共70页2 2）电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中I
8、ok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；当实际负载电流Io =Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；l(3.2.10)(3.2.11)第20页/共70页输出电压LC滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。第21页/共70页
9、滤波器电抗对谐波的阻抗为：L滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C如果：q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波器第22页/共70页 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWMPWM控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 第23页/共70页 3.3 升压变换电路1)1)定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压2）原理图第24页/共70页
10、电流连续时的工作特性1.两种开关状态2.变压比和电压、电流基本关系第25页/共70页3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L L储能，电容C C 给负载R R提供能量。toff工作期间：二极管 导通，电感L L经二极管给 电容充电，并向负载R RL L提 供能量。可得：式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，当D=0D=0时，U U0 0=U=Ud d，但D D不能为1 1，因此在 0D0D1 1的变化范围内 U Uo oUUinin 3.3 升压变换电路图3.3.1 升压变换电路及其波形第26页/共70页波形分析第27页/共70页第28页/共70页比较3.3.1与3.3.
11、3，令IL相等，ton+toff=TS得3.3.5式第29页/共70页假定负载电流平均值为IO输入电流和电感电流的电流平均值均为：通过二极管的电流ID等于负载电流IO （电容的平均电流为零）l工作电流的平均值表达式第30页/共70页电流处于临界连续时I1=0第31页/共70页4）Buck变换器的可能运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：当实际负载电流IoI0k时，电感电流连续。当实际负载电流Io=I0k时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。当实际负载电流IoI0k时，电感电流断流。(2.3.11)第32
12、页/共70页 输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C向负载放电的电压变化量（ic波形阴影部分为一个周期电荷泄放量），电容C上的脉动电压就是输出纹波电压。V0可近似地由下式确定l理想Boost变换器输出电压纹波（三角波）的大小纹波电压可近似地由下式确定第33页/共70页 T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C充电。图3.3.1 升压变换电路及其波形 3.3 升压变换电路 总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:第34页/共70页 没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下
13、工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间()电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、t tonon不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。3.3 升压变换电路总 结：Boost电路电源的输入电流就是升压电感L电流，输出电流是二级管的平均电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流（Id+IL）不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。第35页/共
14、70页 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWMPWM控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 第36页/共70页3.4 升降压变换电路1)概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。l图3.4.1 升降压变换电路原理图第37页/共70页2）工作原理：ton
15、期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。toff期间，电感放能，当感应电动势大小超过输出电压U U0 0时，二极管D D导通，电感经D D向C C和R RL L反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。l图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)第38页/共70页第39页/共70页3.4 升降压变换电路2）工作原理：在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：由 ,的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5DUd，为升压变换；当0D0.5时，U0uc时，T1和
16、T4导通，T2和T3关断；2)2)当u ur ruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。l图3.6.5 全桥变换电路 第65页/共70页l图3.7.2 双极性电压PWM控制方式 1、双极性电压开关PWM控制方式输出电压的平均值为：变换电路的输出电压可在-Ud到+Ud之间变化:1 1）时，U U0=0=0；2 2）时，U0000；3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第66页/共70页1 1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。2 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能量，在I0 ，T1触发导通，T2 关断,u,u0 0=U=Ud；2)2)若 0或I00，U0始终为正值。(3.7.7)3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页