第三章直流变换电路

图3.1.1 基本的斩波器 电路及其负载波形
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。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。
② 脉宽调制(PWM)工作方式
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ton内开关T接通，电流经负载电阻R流过，R两端就 有电压；在时间toff内开关T断开，R中电流为零，电压 也变为零。 电路中开关的占空比 D ton TS为开关T的工作周期，tonT为S 导通时间。
由波形图可得到输出电压平均值为
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。(也称为开关型DC/DC变换电路/直流斩波器)。它具有效率高、体 积小、重量轻、成本低等优点中。现在广泛应用于直流牵引变速拖动中, 如由直流电网供电的电气化铁路、地铁车辆、城市无轨电车和蓄电池供 电的电动自行车、电动汽车等。早期的直流斩波采用晶闸管作为开关器 件,称为晶闸管直流斩波器,必须设置强迫换流关断电路。现代的直流斩波 器都采用全控型电力电子器件，既省去了换流关断电路,又提高了斩波的 频率。减少了低频谐波分量,越容易用滤波器抑制输出电压的纹波,减小 “电力公害”或“电力污染”。
图3.2.1 降压变换电路
1、电感电流连续的工作模式
由波形图可知，流过电感的电流是连续的，即iL＞0。当开关导通时，
即 电感ton中阶的段电，流电近感似上为的线电性压上为升：u，L 上 U式d 可U改0 写L 为dditL：，U d 对U应0 波L 形dditL图 L的I2Ato区n I1。
当开关转为关断时，即toff阶段，电感上呈现负电压，uL
ton L
0
(Ud U0 )ton U0 (TS t on)
U0
ton TS
U
d
DUd
可见，给定输入电压Ud不变而输出电压U0随占空比D线性
变化，与电路的其他参数无关。
在忽略所有电路元器件的功率损耗时，输入功率等于输出功率，即有：
Pd P0
UdId U0I0
I0 Ud 1 Id U0 D
可见，在电感电流连续模式下，降压式变换电路等效于一
第3章 直流变换电路
人们在生产和生活中需要用到各种各样的电源,而且要求电源电压根 据不同的场合和不同的设备可以调节。交流电可以用变压器实现高效、 方便地改变电压;但是,直流电在改变电压时却比较困难,特别是在大功率 电路中。在电力电子技术出现前,直流调压主要依靠直流发电机。直到 20世纪80年代后期，全控型电力电子器件的推广应用,给直流调压技术 开辟了新的前景。
UO
1 TS
TS 0
ud
dt
ton TS
U
d
DU d
若认为开关T无损耗，则输出功率为
P0
1 TS
DTS 0
u0i0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt
D
U
2 d
R
式中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值就可以改变其大小。
占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
滤波电容
LC组成低通滤波器
输入直流电压源， 续流二极管，开关速度与T同
内阻为0
等，常用快恢复二极管。
负载
二、工作原理
导通期间(ton )：电力开关器 件导通，二极管D反偏，电感 蓄能增加，负载电压uo和电 流io按指数规律增加。 Ud=uL+uo 。等效电路如(b)图 所示；
关断期间(toff)：电力开关器 件断开，电感放能，二极管D 导通续流，负载电压uo和电流 io按指数规律减小。uL=－uo 。 等效电路如(c)图所示；
即维持TS不变，改变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比较容易。
3.2 降压变换电路（Buck电路）
降压变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直 流电压的变换电路，又称为Buck变换器。
一、电路结构
全控型电力 电子器件
滤波电感（平 波电抗器）
个“降压的直流变压器”，其等效变比可以通过控制开关
的占空比D在0～1的范围内连续控制。
2、电感电流处于临界连续状态时的工作模式
根据前面的分析，在ton阶段
uL
Ud
UO
L
I2 I1 t on
L I L t on
t on
(I L )L Ud UO
式中△IL=I2－I1为电感上电流的变化 量，U0为输出电压的平均值。
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。(也称为开关型DC/DC变换电路/直流斩波器)。
直流斩波变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过 控制主电路的接通与断开以将恒定的直流斩成断续的方波，然后经滤波 变为电压可调的直流供给负载。斩波开关频率越高，越容易用滤波器滤 除输出电压中的纹波。直流斩波电路的主要功能是直流变压与调压。
直流斩波系统结构图 2、分类： 按稳压控制方式分为:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)、脉 冲频率调制(Pulse Frequence Modulation,PFM)直流变换电路。 按变换器的功能分为:降压变换电路(Buck Converter)、升压变换电路 (Boost Converter)、降压-升压变换电路(Buck-Boost Converter)、库克 变换电路(Cuk Converter)和全桥直流变换电路(Full Bridge Converter)。
U 0
L
diL dt
对应波形图的B区。电感中的电流近似线性下降，输出电压可表示为：
U0
L diL dt
L I1 I2 toff
L I2 I1 toff
在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的，电感电
压在一个周期内的积分为0(即平均电压为0)，即
TS 0
uLdt
ton 0
uLdt
u dt TS
在toff阶段,电感中的电流iL从I2线性下降到I1