北京交通大学 电力电子技术 第05章 直流斩波器(DC-DC变换器)

视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式
二、 连续导电模式
1、波形分析 稳态时，Uo基本恒定， IC=0，UL=0， I0=ID 忽略电路损耗，Pd=Po， 即：UdId=UoIo
2、电量计算
U DT U 1 D T 0 d s o s
Uo D Ud 1 D
ton
trst
B t BS t BR t O
t1
t2
H
（二）实用单端正激式变换器
1、电路结构
N1：原边绕组；N2：副边绕组；N3：去磁绕组
2、工作原理 S闭合：D1导通，D2、D3截止， iL 、im线性增长
S断开，去磁期间：D1截止，D2、D3导通， iL 、 im 线性减小， im经N3、D3反馈到电源Ud中
电阻负载降压变换器
2、直直变换器属开关调节方式
3、直直变换技术的应用
直流调速系统：如地铁动车、无轨电车、其它
蓄电池供电的电动车辆等，在
此领域称直流斩波技术 开关电源：如通信电源、电脑、移动电话电源 等，在此领域称直直变换技术
4、直流斩波器的分类： 根据输入、输出电压大小 降压型 升压型 升－降压型 第一象限 第二象限 两象限 四象限 根据是否带隔离变压器 不带隔离变压器和带隔离变压器 U0 < Ui U0 > Ui Buck 型 Boost 型 Cuk 型
5. 1 降压变换器（BUCK变换器） 一、电路与工作原理 续流二极管 1、电路结构 2、工作原理
功率开 关器件
id
+ +
储能电感
io
+
iL
Ud
-
S闭合，Ud通过L向R 供能，iL增大，L储 能增加
uD
-
L + uL C
uo=
-
Uo
R (负 载 )
滤波电容
uD
Ud Uo
(a )
S断开， iL通过D续流，
2、电量计算
稳态时，一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等：
U t U U t 0 d on d o of f
Uo T 1 s Ud toff 1D
Io 1 D Id
5. 3 升降压变换器（BUCK--BOOST变换器）
一、电路结构与工作原理 1、电路结构 2、工作原理 S闭合，Ud向L充电，iL 增大，负载由C供电 S断开， iL通过D向C和 R供电， iL下降 Uo=0~∞
Io 1 D Id D
5. 4 丘克变换器（CUK变换器）
一、 电路结构与工作原理
1、电路结构
L1、C1为能量传递元件
L2、C2为滤波元件
2、工作原理 S闭合，D截止，Ud向L1充电，iL1增大， C1向L2 、 C2和负载供 电， iL2增大 S断开，D导通，Ud和L给C1充电， iL1下降，负载由L2和C2供电， iL2下降 Uo=0~∞ 视iL1是否连续，可分为连续导电和不连续导电模式
di A U L i R E S LD A LD m dt
t on U U U LD S S T t on T
U E S m i ( 1 e A R LD
R LD t L LD
R LD t L ) I eLD A min
ton < t < T :
5.1~5.4 小结
1、直流—直流（DC—DC）变换器——把一种直流电变换成 另一种直流电的电力电子装置 2、 DC—DC变换器的分类、基本控制方法 3、 DC—DC变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输 出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响 4、对四种基本DC—DC变换器的要求： ① 能画电路图、并能叙述其工作原理 ② 能画各元件上的电压、电流波形（重点是uL、iL波形，难 点是ic波形） ③ 会推导Uo/Ud=f(D)的关系式和iL的表达式
2、电量计算
因为 所以 得：
U L 0
( U d U o ) t on ( U o )( T s t on ) 0
Uo to n D Ud Ts
由
得：
U d Id U oIo Io U d 1 Id U o D
5. 2
升压变换器（BOOST变换器） 储能 电感
二、连续导电模式
1、波形分析
稳态时， UC1 、Uo基本恒定，IC1=0， IC2=0，
UL1=0， UL2=0
忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo
Id=IL1，Io=IL2
U G 0 t
2、电量计算
U d DT s ( U d U c 1 )( 1 D ) T s 0
直流斩波器的应用： 直流电机调速 直流电压变换（开关电源）
直流电压隔离
3. 1
工作原理及控制方式
3. 1. 1 直流斩波器的工作原理 S ： 斩波开关 D ： 续流二极管 S闭合： uLD = US S断开： uLD = 0
负载电压平均值： 斩波开关导通比（占空比）： 0 < < 1 ，0 < ULD < US 0 < t < ton :
Buck-Boost 型 U0 > 0 , I0 > 0 U0 > 0 , I0 < 0
根据输出电压、输出电流方向
5、本章将讨论直直变换器的工作原理和稳态工作 特性，在分析过程中基于如下几点假设： • 电路中的开关管、二极管均为理想器件 • 电路中的电感、电容均为理想器件
• 直流输入电源为理想的恒压电源
Ｓ断开，去磁以后：D1 、D3截止，D2导通， iL线性 减小
3、基本关系： Ｓ承受最大电压：
Uo N2 D Ud N1
1 Dm a x ( 1 N3
) N1
D1承受最大电压： D2承受最大电压： D3承受最大电压：
N 1 U Tm ax ( 1 ) U d N 3 N 2 U D 1max ( ) U d N 3 N 2 U D 2max ( ) U d N 1
di A 0 L i R E LD A LD m dt
E m i ( 1 e A R LD
R ' LD t L LD R ' LD t L LD ) I e A max
3.1.2直流斩波器的控制方式
ton ULD US T 基本控制方式：调节 ton / T
• 定频调宽控制（PWM） T 不变，调节 ton • 定宽调频控制（PFM）
Uo D Ud 1 D
(IL Io )
t
UC1 t
Io 1 D Id D
iT
0 t 图5.18 连续导电模式各点波形图
课堂思考
1、在丘克DC—DC变换器中，传递能量的元件是 。 2、在BOOST电路中，若输入电压Ui=10.0V，占空比D=0.7，则输出电压 Uo= 。 3、判断对错 （1）Buck—Boost DC—DC变换器： ① 在连续工作状态下，输入电流是连续的 ② 属于一象限DC—DC变换器 ③ 在连续工作状态下，若输入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈 线性关系 ④ 是升降压DC—DC变换器 ⑤ 连续工作状态是指负载电流连续 （2）DC-DC变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动越小。 （3）在DC-DC变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动越小。 （4）在DC-DC变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动越小。
5 . 5 带隔离变压器的直直变换器
开关电源的基础：由基本直直变换器派生而来 • 由降压变换器派生的电路 单端正激变换器 混合桥式变换器
电压型推挽变换器
电压型半桥变换器 电压型全桥变换器
• 由升压变换器派生的电路
电流型推挽变换器 • 由升-降压变换器派生的电路 单端反激变换器
一、正激式（Forward）变换器
B 图5.25 降压变换器
D1
+ +
L
uL D2 C
iL R +
-
N1 Ud T
-
N2
Uo
图 5.26
理想的单端正激变换器电路
3、单端变换器必须遵循的原则：磁通复位（去磁）原则 要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通
增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加，
导致磁芯饱和，造成开关管损坏
S O uN1 O im O t 0
UC1 1 Ud 1DLeabharlann TSUdUL1
0 TS
t
(Uc1 Ud )
iL1
0
(IL Id )
( U c 1 U o ) DT s ( U o )( 1 D ) T s 0 U
L2
ton
Uc1 Uo
toff
t
1 UC1 Uo D
0
t TS
Uo
iL2
0 UT 0
Spring 2006
电力电子技术 Power Electronics Technology
电气工程学院
陈洛忠
第五章 直流斩波器
（ DC-DC变换器 ）
概 述
1、直流电压的调节方式 （1）线性调节方式 通过与负载相串 联的线性元件来调 节电压 损耗大、效率低 （2）开关调节方式 通过电子开关 的闭合/断开来调 节电压
N 2 D承受最大电压： U D max U ( ) U N 1
o d
三、推挽式（Push-pull）变换器
1、电路结构
2、工作原理 T1导通、T2截止：D1 正偏导通，D2反偏截 止，iD1=iL线性增长， iD2=０ T1截止、T2导通：D1 反偏截止，D2正偏导 通，iD2=iL线性增长， iD１=０ T1、T2截止： D1、D2 续流， iL线性下降。 若不考虑激磁电流， 则iD1= iD2=iL/2 根据iL是否连续可分为 连续工况和断续工况