输出纹波电压在Buck电路中如果滤波电容C的容量足够大
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第3章 直流变换电路
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 3.6 带隔离变压器的直流变换器
第3章 直流变换电路
1、定义：
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压 的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流 电能的电路称为直流变换电路 (DC/DC变换电路)。也称为 斩波器。
ton UO Ud Ts
图3.1.1
基本的斩波器电路 及其负载波形
定义占空比： 则：
ton D TS
（3.1.1）
U O DUd
（3.1. 2）
改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 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，
占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。 • 直流变换电路的常用工作方式主要有两种： • ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持ton不变，改变TS。一般很少采用。 • ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持TS不变，改变ton 。这种工作方式最常用。
(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
I 2 I1 I0 (3.2.8) 2
U dTS I1 I 0 D(1 D ) 2L
2、分类： 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升压变换电路 (Boost) 、升降压变换电路 (Buck-Boost) 、正激式变换 电路、反激式变换电路、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变 换电路等。
3.1
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R 为纯阻性负载。在时间内当开关S 接通时，电流经负载电阻R流过， R两端就有电压；在时间内开关T 断开时， R中电流为零，电压也 变为零。 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：
U 0 (1 D) U 0 8LCf 2
（3.2.14）
其中f为buck电路的开关频率。 它表明通过选择合适的L、C值，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。
3.3
升压变换电路（Boost）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
在ton期间: 电感上的电压为
uL
d iL L dt
I 2 I1 I L L t on t on
Ud UO L
t on
( I L ) L Ud UO
(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。
在toff期间:电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
(3.ຫໍສະໝຸດ Baidu.11)
式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 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，电感电流处于临界连续; 当实际负载电流Io ＜Iok时，电感电流断续。
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被滤得非常平。然而实际中的电 容不可能为无穷大，所以直流输出电压总会有 纹波成份。 电流连续时的输出电压纹波为
UO L
I L t off
t off L
I L UO
(3.2.5)
根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
I L LU d 1 TS t on t off f U O (U d U O）
I L
(3.2.6)
U O (U d U O ) U d D(1 D) fLU d fL
3.2
降压变换电路(Buck)
滤波电感
滤波电容
原理图
输入直 流电压
负载
续流二极管
3.2
降压变换电路
导通期间（ton ）：电力开 关器件导通T，电感蓄能， 二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b). 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； 可以计算出输出电压的平 均值为：
(3.2.9)
2）电感电流iL临界连续状态：
可得电流临界连续的电感值L0为：
U d TS Lo D(1 D) 2I 0 K
变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 I1 I 0
U d TS D(1 D) 2L
(3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
I OK U d TS D(1 D) 2 LO
U o DUd
(3.2.3)
图3.2.1 降压电路及其波形图
U O DUd
占空比：
ton D TS
改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 因为D是0～1之间变化的系数，因此输出电压UO总是小于 输入电压Ud。所以称为降压变换电路。 忽略功率损耗，由输入输出功率平衡有：
Ud Id Uo Io
电感，用 来储能 电容，用来保 持输出电压
全控型电力 器件开关
3.3
• 3）工作原理：
升压变换电路
ton工作期间： 二极管截止，电感L储 能，电容C 给负载R 提供能量。如图(b). 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R提 供能量。如图(c) .
图3.3.1 升压变换电路及其波形
可以推得输出电压Uo与输入电压Ud之间的关系为：
U 0＝ t on t off t off Ud Ud 1 D
式中占空比D=ton/TS。 •当D=0时，U0=Ud，但D不能为1。 0≤D＜1 •改变占空比D，就可以改变输出电压Uo。 •因为 0≤D＜1， Uo≥Uin。所以称为升压变换电路。
可得：
IO Ud 1 Id Id UO D
3.2
降压变换电路（Buck）
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
降压变换电路
：
1）电感电流iL连续模式
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 3.6 带隔离变压器的直流变换器
第3章 直流变换电路
1、定义：
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压 的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流 电能的电路称为直流变换电路 (DC/DC变换电路)。也称为 斩波器。
ton UO Ud Ts
图3.1.1
基本的斩波器电路 及其负载波形
定义占空比： 则：
ton D TS
（3.1.1）
U O DUd
（3.1. 2）
改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 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，
占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。 • 直流变换电路的常用工作方式主要有两种： • ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持ton不变，改变TS。一般很少采用。 • ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持TS不变，改变ton 。这种工作方式最常用。
(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
I 2 I1 I0 (3.2.8) 2
U dTS I1 I 0 D(1 D ) 2L
2、分类： 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升压变换电路 (Boost) 、升降压变换电路 (Buck-Boost) 、正激式变换 电路、反激式变换电路、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变 换电路等。
3.1
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R 为纯阻性负载。在时间内当开关S 接通时，电流经负载电阻R流过， R两端就有电压；在时间内开关T 断开时， R中电流为零，电压也 变为零。 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：
U 0 (1 D) U 0 8LCf 2
（3.2.14）
其中f为buck电路的开关频率。 它表明通过选择合适的L、C值，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。
3.3
升压变换电路（Boost）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
在ton期间: 电感上的电压为
uL
d iL L dt
I 2 I1 I L L t on t on
Ud UO L
t on
( I L ) L Ud UO
(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。
在toff期间:电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
(3.ຫໍສະໝຸດ Baidu.11)
式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 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，电感电流处于临界连续; 当实际负载电流Io ＜Iok时，电感电流断续。
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被滤得非常平。然而实际中的电 容不可能为无穷大，所以直流输出电压总会有 纹波成份。 电流连续时的输出电压纹波为
UO L
I L t off
t off L
I L UO
(3.2.5)
根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
I L LU d 1 TS t on t off f U O (U d U O）
I L
(3.2.6)
U O (U d U O ) U d D(1 D) fLU d fL
3.2
降压变换电路(Buck)
滤波电感
滤波电容
原理图
输入直 流电压
负载
续流二极管
3.2
降压变换电路
导通期间（ton ）：电力开 关器件导通T，电感蓄能， 二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b). 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； 可以计算出输出电压的平 均值为：
(3.2.9)
2）电感电流iL临界连续状态：
可得电流临界连续的电感值L0为：
U d TS Lo D(1 D) 2I 0 K
变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 I1 I 0
U d TS D(1 D) 2L
(3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
I OK U d TS D(1 D) 2 LO
U o DUd
(3.2.3)
图3.2.1 降压电路及其波形图
U O DUd
占空比：
ton D TS
改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 因为D是0～1之间变化的系数，因此输出电压UO总是小于 输入电压Ud。所以称为降压变换电路。 忽略功率损耗，由输入输出功率平衡有：
Ud Id Uo Io
电感，用 来储能 电容，用来保 持输出电压
全控型电力 器件开关
3.3
• 3）工作原理：
升压变换电路
ton工作期间： 二极管截止，电感L储 能，电容C 给负载R 提供能量。如图(b). 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R提 供能量。如图(c) .
图3.3.1 升压变换电路及其波形
可以推得输出电压Uo与输入电压Ud之间的关系为：
U 0＝ t on t off t off Ud Ud 1 D
式中占空比D=ton/TS。 •当D=0时，U0=Ud，但D不能为1。 0≤D＜1 •改变占空比D，就可以改变输出电压Uo。 •因为 0≤D＜1， Uo≥Uin。所以称为升压变换电路。
可得：
IO Ud 1 Id Id UO D
3.2
降压变换电路（Buck）
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
降压变换电路
：
1）电感电流iL连续模式