第三章 直流交变电路

④ Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。
第3章 直流变换电路
• • • • • • • • • 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 带隔离变压器的直流变换器 复合斩波电路和多相多重斩波电路 直流变换电路的PWM控制技术
• 3、隔离方式：
在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实 现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。
3.1
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中T是可控开关，R为纯阻
性负载。在时间内当开关T接通时，电流经负 载电阻R流过， R两端就有电压；在时间内开 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 （3.1.1） 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
3.3
升压变换电路
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。 2）原理图例1
储能 全控型电力 器件开关
保持输出电压
3.3
• 原理图例2
升压变换电路
3.3
3）工作原理：
升压变换电路
Ton 工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。 Toff 工作期间：二极管Ｄ 导通，电感L经二极管Ｄ给 电容充电，并向负载RL提 供能量。 可得：
(3.2.5) 根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
(3.2.6)
(3.2.7)
上式中△IL为流过电感电流的峰－峰值，最大为I2，最小为I1。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= I2－I1可得
(3.2.8)
(3.2.9)
3.4
1) 概述：
升降压变换电路
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，其电路原理图参见图例1和图例2 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。
升降压变换电路原理图例1
3.4
• 图例2
现代电力电子技术
Modern Power Electronics
第3章 直流变换电路
重点和难点
• 各种直流变换电路的工作原理和它们的区别。 • 掌握判断升压和降压斩波电路的方法。 • 直流变换电路的PWM控制技术的基本原理。
第3章 直流变换电路
• 基本介绍
第3章 直流变换电路
• • • • • • • • • 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 带隔离变压器的直流变换器 复合斩波电路和多相多重斩波电路 直流变换电路的PWM控制技术
3.4
升降压变换电路
3）工作原理：（续）
采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界 连续时的负载电流平均值为：
(3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流Io＞Ick时，电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。 实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
（3.1. 2）
•
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0～1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 图3.1.1 基本的斩波器电路 改变其大小。 及其负载波形 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
(2.3.11)
当实际负载电流Io＞Ick时，电感电流连续。
当实际负载电流Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临界点)。 当实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
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: ① 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。 ② T阻断时，电源和 电感共同向负载供电， 同时给电容 C充电。
3.5 库克变换电路
3.5 库克变换电路
晶闸管 开通
晶闸管 关断
图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形
3.5 库克变换电路
1） Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情 况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过 二极管D的电流连续或断流。 2）工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电 流总是大于零。 电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周 TS的开通时刻二极管电流正好降 为零。
(3.4.4) 图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形
3.4
升降压变换电路
2）工作原理：（续）
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少 量，得：
由 , 均值为：
的关系，求出输出电压的平
(3.4.5)
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0.5<D<1时，U0>Ud，为升压变换； 当0≤D<0.5时，U0<Ud，为降压变换。
降压变换电路
1）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
(3.2.4) 式中△IL=I2－I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。
3.2
降压变换电路
1）电感电流iL连续模式 ：
在toff 期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
图3.3.1 升压变换电路及其波形
3.3
总 结：
升压变换电路
① Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的 电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。 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。 ③ 没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况 下工作：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、 ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。

忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：
(3.2.3)
图3.2.1
降压电路及其波形图
3.2

降压变换电路
电感电流连续模式
Buck变换器的可能运行情况：
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
3.2
式中占空比D=ton/TS，当D=0时， U0=Ud，但D不能为1，因此在 0≤D＜1的变化范围内 Uo≥Uin
图3.3.1 升压变换电路及其波形
3.3
升压变换电路
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：
3.2
原理图例1
降压变换电路
滤波电感
滤波电容 输入直 流电压 负载
续流二极管
3.2
• 原理图例2
降压变换电路
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反偏。 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间（toff）：电力开关器 件断开，电感释能，二极管D导 通续流。等效电路如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：
3.2
降压变换电路
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
（3.2.14）
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fc＜＜f 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。
（3.1.3）
3.1
直流变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有三种：
• 脉冲频率调制(PFM)工作方式：
即维持导通时间ton不变，改变工作周期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，改变导通时间ton 。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，并且应用的较多。 • 混合型 即工作周期TS和导通时间ton都可调，改变占空比—— 混合型
3.5 库克变换电路
L1、L2储能电 感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
图3.5.1（a）库克(Cuk)变换电路原理图
1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。 2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反， 出入 端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低 了对外部滤波器的要求。
3.5 库克变换电路