直流变换电路
第5章 直流-直流变换电路
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
直流直流变流电路
6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同构造基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同构造基本斩波电路组合。
2
5.1 基本斩波电路
降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图
b） 等效电路
24
升降压斩波电路和Cuk斩波电路
数量关系
同理：
T
0 iC d t 0
（5-45）
V处于通态旳时间ton，则电容电流和时间旳乘积为I2ton。
V处于断态旳时间toff，则电容电流和时间旳乘积为I1 toff。
由此可得： I 2ton I1toff
第3种工作方式：一种周期内交替地作为降压斩波电路和升压
斩波电路工作。
当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一种斩波电路工作， 让电流反方向流过，这么电动机电枢回路总有电流流过。
电路响应不久。
30
5.2.2 桥式可逆斩波电路
桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合
起来，分别向电动机提供正向和反向电压。 使V4保持通时，等效为图5-7a所示旳电流可逆斩波电 路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流 可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工 作于第3、4象限 。
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升
降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。
图旳5平-4均b中值给分出别了为电I1和源I2电，流当i1电和流负脉载动电足流够i2旳小波时形，，有设：两者
简述直流pwm变换器电路的基本结构
简述直流pwm变换器电路的基本结构直流PWM（脉冲宽度调制）变换器是一种将直流电源转换为可变直流电压的电路，在许多电力电子应用中被广泛使用，如直流-直流转换器、直流-交流变换器、直流-无刷驱动器等。
其基本结构包括开关器件、变压器、滤波器和控制器等组成。
开关器件是直流PWM变换器的核心部件，通常是功率MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）或IGBT（绝缘栅双极型晶体管），用于将输入直流电压通过开关控制转换成脉冲电压。
变压器是直流PWM变换器中非常重要的部件，用于升降电压以适应不同的负载需求。
它由输入绕组和输出绕组组成，通过调整绕组的匝数比可以实现输入电压到输出电压的变换。
滤波器是直流PWM变换器中的关键部件，用于滤除开关器件产生的高频脉冲，并提供稳定的输出电压。
典型的滤波器包括电容器和电感器组成的LC滤波器，其工作原理是通过电容器储存电能和电感器释放电能来抑制高频噪声。
控制器是直流PWM变换器的智能部件，用于监测负载和输入电压，并相应地控制开关器件的开关频率和占空比，以稳定输出电压。
控制器通常由比较器、反馈电路和脉宽调制（PWM）信号发生器组成，其中比较器用于比较输出电压和参考电压，反馈电路用于将误差信号反馈给PWM信号发生器，进而调整开关频率和占空比。
基本上，直流PWM变换器可以分为两种类型：降压型和升压型。
降压型直流PWM变换器的输入电压大于输出电压，通过控制开关器件的导通和截止来实现将输入电压降低到较低的输出电压。
当开关器件导通时，输入电压通过变压器传导到输出端，产生输出电压；当开关器件截止时，变压器中的能量通过二极管的反向恢复到输入端。
升压型直流PWM变换器的输入电压小于输出电压，通过控制开关器件的导通和截止来实现将输入电压升高到较高的输出电压。
当开关器件导通时，输入电压经过变压器升压到输出电压；当开关器件截止时，变压器中的能量通过电感器的反向恢复到输出端。
在实际应用中，直流PWM变换器的运行稳定性和效率是非常重要的考虑因素。
《直流变换电路》课件
减小电磁干扰的措施
布局优化
合理安排电路元件的布局，减小 信号线长度，降低电磁干扰。
滤波电容的使用
在关键部位增加滤波电容，吸收高 频噪声和干扰。
接地措施
采用多点接地，降低地线电感和阻 抗，减少电磁干扰。
06
直流变换电路的应 用实例
电动车用直流变换电路
01
电动车用直流变换电路概述
电动车用直流变换电路是用于将直流电源转换为电动车所需电压的电路
将直流电能转换为交流电能，用于电 力机车、地铁等交通工具的牵引。
将交流电转换为电池所需的直流电。
02
直流变换电路的工 作原理
电压型直流变换电路
总结词
通过控制开关管通断，将输入直流电压变换成输出直流电 压的电路。
电路特点
输出电压稳定，负载调整性能好，适用于输出电压要求较 高的场合。
详细描述
电压型直流变换电路采用电感作为储能元件，通过控制开 关管的通断，实现输入直流电压的斩波或调压，从而得到 所需的输出直流电压。
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光伏逆变器用直流变换电路的特点
光伏逆变器用直流变换电路具有高效率、高可靠性、低噪声等特点，能够有效地提高太阳 能利用率和系统的稳定性。
不间断电源用直流变换电路
不间断电源用直流变换电路概述
不间断电源用直流变换电路是用于在停电或电源故障时提供不间断电源的电路。它通常包括输入滤波器、整流器、直 流变换器和逆变器等部分。
优点
结构简单，易于实现，对输 出电压的调节快速且准确。
缺点
对输入电压和负载变化的抑 制能力有限，可能存在较大 的电压调整率。
电流模式控制
总结词
详细描述
优点
缺点
直流pwm变换器电路的基本结构
直流pwm变换器电路的基本结构随着电子技术的发展，电力电子技术已经成为了现代工业中不可或缺的一部分。
直流pwm变换器电路作为电力电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各种电力电子系统中。
本文将详细介绍直流pwm变换器电路的基本结构和工作原理。
一、直流pwm变换器电路的基本结构直流pwm变换器电路是一种将直流电压转换为可控交流电压的电路。
它由三个主要部分组成：输入滤波器、pwm控制电路和输出滤波器。
1. 输入滤波器输入滤波器主要用于滤除直流电源中的高频噪声和杂波。
它通常由电感和电容组成，电感和电容的组合形式有多种，其中最常见的是L型滤波器和π型滤波器。
2. pwm控制电路pwm控制电路是直流pwm变换器电路的核心部分，它能够根据输入信号的需求，产生恰当的pwm波形控制开关管的导通和截止。
pwm 控制电路通常由比较器、三角波发生器和电路保护等多个模块组成。
3. 输出滤波器输出滤波器主要用于滤除交流输出中的高频噪声和杂波。
它通常由电感和电容组成，电感和电容的组合形式有多种，其中最常见的是L型滤波器和π型滤波器。
二、直流pwm变换器电路的工作原理直流pwm变换器电路的工作原理可以分为两个阶段：开关管导通阶段和开关管截止阶段。
1. 开关管导通阶段在开关管导通阶段，pwm控制电路会根据输入信号的需求，产生恰当的pwm波形，使得开关管导通。
此时，直流电源的电流会通过开关管和输出滤波器，形成一个与输入信号频率相同的交流电流，输出到负载上。
2. 开关管截止阶段在开关管截止阶段，pwm控制电路会根据输入信号的需求，产生恰当的pwm波形，使得开关管截止。
此时，直流电源的电流会通过输入滤波器和输出滤波器，形成一个平滑的直流电流，维持负载的正常工作。
三、直流pwm变换器电路的应用直流pwm变换器电路广泛应用于各种电力电子系统中，如变频器、电力逆变器、电力调速器、电力供应系统等。
1. 变频器变频器是一种将电源交流电转换为可控交流电的电力电子系统，它通常由直流pwm变换器电路和逆变器电路组成。
电力电子技术第5章 直流-直流变换电路
5.2 单管非隔离直流斩波器
5.2.1、降压式直流斩波电路
1、电路结构
电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为 电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电 容，R为负载；Us为输入直流电压，U0为输出直流电压。
is
VT
- + UL
iL
L
iD
Us
VD
i0 + u0
CR
toff≥1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压Us，
该变换电路称为升压式斩波电路。
5.2.3 升降压式直流斩波电路
1、电路的结构
该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二 极管VD反向串接在储能电感与负载之间。
iT VT
iD
iL +
uL
Us
L
-
VD
-
-
uC
u0
C
R
+ +
图5-9 升-降(压a)式斩波电路及工作波形
2、工作原理
2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左 负右正，VD转为正偏，电感L与电源Us叠加共同向 电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为
toff，则此时间内电感电压为 (U o U S ) 。
图5-8 Boost变换器电流连续工作模式波形图
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性
图5-5 电流连续工作模式波形图
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性 T
ton
T
uLdt uLdt uLdt 0
0
0
ton
设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：
直流直流变换电路精华
变
，
i
L线I L性减小U0，(tL考2 虑t1)电
感
伏
秒
衡
，
此
时
电感
iC
电流增量应
iL i0 iL
该
U小o于 R
零
，
电
流
为
下
降
曲
线
，
有
：
iVT 0
uVT Uo Ud
第26页/共65页
第27页/共65页
2.4 直流升降压变换电路（Buck-Boost 电路）
三、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系
Ud
Uo
L
diL dt
uVT 0
由于电路工作频率很高，一个周期内ud 和 uo基本维持不
变，可以视为恒定值，则（ud- uo）为常数，电流变化为线性，
波形如图4-2，有：
uL
Ud
Uo
L
I2 I1 t
L
I L DT
I L
(U d
Uo) L
t1
iVT iL
iC
iL
io
iL
uo R
（io恒定，iC与iL同斜率）
小
，
波
如图4-2，iV有T ：0
iC
iL
io
iL
uo R
第10页/共65（页 io恒定，iC与iL同斜率）
第11页/共65页
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
四、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系
从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是
us(t)
uripple max U 0
晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据等效电路拓扑：
直流变换电路
直流变换电路概述
直流—直流变换电路及功能
功能 ➢将直流电变换为另一种固定电压或可调电压的直流电
分类 ➢无变压器隔离DC-DC变换器 ➢有变压器隔离DC-DC变换器
直流变换电路概述
无变压器隔离基本DC-DC变换器
降压式变换器（Buck Converter） 升压式变换器（Boost Converter) 升降压式变换器（Buck-Boost Converter ） 库克变换器（Cuk Converter ） Sepic变换器(Sepic Converter)
Zeta变换器(Zeta Converter)
特点：电路结构简单，升降压比例一般较小
直流变换电路概述
变压器隔离基本DC-DC变换器
正激式变换器(Forward Converter) 反激式变换器(Flyback Converter) 半桥式变换器(Half-Bridge Converter) 桥式变换器(Bridge Converter) 推挽变换器（Push-Pull converter)
T
其中：ton为开关导通时间，T为开关周期。
调节占空比的方法
脉冲宽度调制（PWM） 在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间
按照要求变化。 脉冲频率调制（PFM） 在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率
按照要求变化。
电力电子技术
特点：输入输出直流隔离、可以多路输出、升 降压比例的基本原理
周期函数的傅立叶级数表达:
f (t) A0 An sin(nt n )
n1
输出平均电压：Uoav
ton T
Ud
,改变 ton 可以改变输出电压
T
直流变换电路概述
PWM直流变换电路
于采用开关频率较高的斩控开关方式，直流变换电路
能克服传统电源的缺点，成为广泛应用的新型开关式 直流稳压电源(简称开关电源)。
4
2.2
单象限降压（Buck）型电路
2.2.1 电路外特性分析
2.2.2 输出滤波电路的参数选择
2.2.3 PWM控制电路
5
2.2.1 电路外特性分析
图2-1 单象限降压型电路
a)电路结构 b)等效电路 c)CCM下的电量波形 d)DCM下的电量波形 e)带直流电动机负载 6
2.2.1 电路外特性分析
1、基本假设
1）电路中所有器件(包括全控型器件VT和二极管VD，图中VT 符号将代表电力MOSFET、IGBT和GTR等全控型器件)均无惯性，因
而开关状态的更迭均瞬间完成，也即图2-1b中等效开关S位置的转
7
2.2.1 电路外特性分析
图2-2 降压型电路的开环外特性
实线为ro =0情况 ；
点画线为ro ＞0情况；虚线为CCM与DCM分界线
8
2.2.1 电路外特性分析
2、电流连续状态（CCM——Continuous Current Mode）下的外特性分析
t=ton时控制VT导通； t=toff时控制VT截止
t on
0
T u uL L dt dt 0 t on L L
☞直流输出电压：
Uo ton U d DU d U1 U L 0 T
（2-3）
☞直流电压增益：
AV U1 U o D Ud Ud
（2-4）
10
2.2.1 电路外特性分析
2） ro ＞ 0的情况 ☞直流输出电压：
U1 Uo I o ro DUd I o ro
简述直流pwm变换电路输出电压的特征
简述直流pwm变换电路输出电压的特征直流PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）变换电路在现代电力电子设备中应用广泛。
本文将详细简述直流PWM变换电路输出电压的特征，以帮助读者更好地理解这一技术。
一、直流PWM变换电路概述直流PWM变换电路是一种电力电子装置，主要用于实现直流电压的调节与控制。
它通过改变脉冲宽度调制波的占空比，实现对输出电压的控制。
这种电路具有高效、高精度、响应速度快等优点，被广泛应用于电源适配器、充电器、电机驱动等领域。
二、直流PWM变换电路输出电压特征1.可调性直流PWM变换电路的输出电压具有很好的可调性。
通过改变调制波的占空比，可以在一定范围内任意调节输出电压。
这使得PWM变换电路能够适应不同负载和工作环境的需求。
2.稳定性直流PWM变换电路采用闭环控制，具有较高的输出电压稳定性。
在负载变化、输入电压波动等情况下，电路能够自动调整占空比，使输出电压保持稳定。
3.波形质量直流PWM变换电路的输出电压波形质量较高。
由于采用了调制技术，输出电压的纹波较小，接近理想的直流电压。
这有利于提高电源系统的性能，降低电磁干扰。
4.响应速度直流PWM变换电路具有快速响应特性。
当负载或输入电压发生变化时，电路能够迅速调整占空比，使输出电压迅速稳定。
这有利于提高系统的动态性能。
5.效率直流PWM变换电路具有较高的转换效率。
在开关器件和磁性元件的选择上，可以采用低损耗、高性能的器件，从而降低电路的损耗，提高整体效率。
6.保护功能直流PWM变换电路通常具备过载保护、短路保护等功能。
当负载异常或电路故障时，电路能够自动断开输出，保护开关器件和负载设备。
三、总结直流PWM变换电路输出电压具有可调性、稳定性、波形质量好、响应速度快、效率高和保护功能等特点。
交流直流变换电路
滤波电路
01
02
03
04
滤波
去除整流后直流电中的脉动成 分，使输出电压更加平滑。
电容滤波
利用电容的储能作用，平滑输 出电压。
电感滤波
利用电感的储能作用，平滑输 出电压。
复合滤波
同时使用电容和电感，进一步 减小输出电压的脉动。
稳压电路
稳压
保持输出电压的稳定，不受输 入电压、负载和温度等因素的
详细描述
半波整流电路通常由一个整流二极管和一个负载电阻组成。在半个周期内，交流电的正半部分通过二极管和负载 电阻，形成正向的直流输出；而在负半部分，交流电被二极管阻挡，没有电流通过负载电阻。因此，输出波形只 有半个周期的直流电。
全波整流电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要点一
总结词
全波整流电路利用一个桥式整流器将交流电的负半部分也 转化为直流电。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
交流直流变换电路的定义
交流直流变换电路
交流直流变换电路的组成
一种将交流（AC）电源转换为直流 （DC）电源的电路。
输入滤波器、整流器、滤波器、稳压 器等。
交流直流变换电路的作用
提供稳定的直流电源，满足各种电子 设备和电器的需求。
07
总结与展望
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
交流直流变换电路的优缺点总结
高效节能
交流直流变换电路能够有效地将交流 电转换为直流电，提高能源利用率， 降低能源消耗。
稳定性好
由于采用了全控型器件，交流直流变 换电路的稳定性较好，能够有效地抑 制电网的波动和干扰。
机工社2023电力电子技术 第6版教学课件第5章 直流直流变换电路
开关周期开始时刻的电容电压值相等。故式(5-1)中uC(TS) = uC(0)，所以电容
电流在一个开关周期内的平均值Ic = 0。
5-7
5.1 直接直流变流电路
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路 5.1.4 丘克斩波电路 5.1.5 多重斩波电路
5-8
5.1.1 降压斩波电路
5-20
5.1.3 升降压斩波电路
数量关系
电感电压在一个周期的平均值UL可以表示为
UL
U iton
U otoff Ts
由伏秒平衡，UL=0，可得
Uo D Ui 1 D
（5-6）
等式右边的负号表示升降压电路的输出电压与输入电压极性相反，其数 值既可以高于其输入电压，也可以低于输入电压。
S Ui
5-5
5.1 直接直流变流电路
伏秒平衡
电感两端电压在一个开关周期内的平均值：
其中： 可得：
1
UL Ts
TS 0
uL
(t
)
d
t
uL
(t)
L
d
iL (t) dt
U L
1 Ts
TS L d iL (t) d t 0 dt
1
Ts
TS 0
L
d
iL
(t
)
L Ts
[iL (TS
)
iL
(0)]
（5-1）
uL O
t1~t2时段：开关S关断，二极管VD 导通，电感通过VD向电容C放电，电感 电流不断减小。
t2~t3时段：t2时刻电感电流减小到 零，二极管VD关断，电感电流保持零值
，并且电感两端的电压也为零。
第3章 直流-直流变换电路讲解
从能量传递关系出发进行的推导
由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变
电源只在V处于通态时提供能量，为 EIoton
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EMIoT
一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。
EIoton RI o2T EMIoT
Io
DE EM R
iG ton toffa) 电路图 io i1T t1 i2
t
t=t1时控制V关断，二极管VD 续流，负载电压uo近似为零，
uo
E
t
负载电流呈指数曲线下降。
O iG
t on
b)电流连续时的波形 t off
t
通常串接较大电感L使负载电
T
流连续且脉动小。
io i1
t
uo E
E
t
EM
t
c) 电流断续时的波形
3.1.1 降压斩波电路
工作原理—断续 U0比连续时被抬高。
电流连续与否的临界条件：
L
1 D 2
RTS
L io R V
VD
E iG
u
o
+ EM
M
-
3.1.1 降压斩波电路 V L io R
用于直流电机调速
VD
E iG
uo
+ EM M
-
t=0时刻驱动V导通，电源E向
负载供电，负载电压uo=E，负 载电流io按指数曲线上升。
3.1.1 降压斩波电路
降压斩波电路
（Buck Chopper)
电路结构
全控型器件 若为晶闸管，须
有辅助关断电路。
续流二极管
在分析DC/DC电路和推导中常用到两个重要的概念： 在稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零， 同时电容电流在一个开关周期内的平均值为零。
电力电子电源技术及应用2.2 直流变换电路
一、非隔离型开关电源电路
非隔离型开关电源又称非隔离型直流变换器，还可称为 斩 波 型 开 关 电 源 ， 主 要 有 降 压 （ Buck ） 式 、 升 压 （Boost）式和反相（Buck-Boost 即降压—升压）式三 种基本电路结构。
降压式、升压式和反相式等非隔离型开关电源的基本特 征是：用功率开关晶体管把输入直流电压变成脉冲电压 （直流斩波），再通过储能电感、续流二极管和输出滤 波电容等元件的作用，在输出端得到所需平滑直流电压， 输入与输出之间没有隔离变压器。
3
2．电容的特性
电容两端的电压不能突变。电容电流
i=dq/dt=Cdu/dt
电容充电时，u上升，du/dt为正值，电流方向与图中i的 正方向一致；电容储能，所储存的能量为WC=Cu 2/2。
电容放电时，u下降，du/dt为负值，电流方向与图中i的 正方向相反，此时电容释放储能。
q i+_
14
4．性能特点
① 利用高频变压器初 、次级绕组间电气绝缘的特点，当输 入直流电压UI是由交流电网电压直接整流滤波获得时， 可以方便地实现输出端和电网之间的电气隔离。
② 能方便地实现多路输出。只需在变压器上多绕几组次级 绕组，相应地多用几只整流二极管和滤波电容，就能获 得不同极性、不同电压值的多路直流输出电压。
⑦ 单端变换器的变压器，磁通Φ只工作在磁滞回线的一侧， 即第一象限。为防止磁芯饱和，使激磁电感在整个周期中 基本不变，应在磁路中加气隙。反激变换器的气隙较大， 杂散磁场较强，需要加强屏蔽措施，以减小电磁骚扰。
11
单端反激变换器波形图
（a）激磁电感小于临界电感
（激磁电感大于临界电感
12
2．变压器的磁通