直流-直流变流电路
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直流直流变流电路
电路种类
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
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
直流-直流变换电路设计四步曲
直流-直流变换电路设计四步曲
一、正确理解DC/DC转换器
DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC/DC
转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。
根据需求可采用三类控制。
PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。
PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。
目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。
在电路类型分类上属于斩波电路。
二、DC/DC转换器电路设计原理
DC-DC就是直流-直流变换，一般有升压(BOOST)、降压(BUCK型)两种。
降压式DC/DC变换器的输出电流较大，多为数百毫安至几安，因此适用于输出
电流较大的场合。
降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如下图所示。
VT1
为开关管，当VT1导通时，输入电压Vi通过电感L1向负载RL供电，与此同时也向电容C2充电。
在这个过程中，电容C2及电感L1中储存能量。
当VT1截止时，由储存在电感L1中的能量继续向RL供电，当输出电压要下降时，电容C2中的能量也向RL放电，维持输出电压不变。
二极管VD1为续流二极管，以便构成电路回路。
输出的电压Vo经R1和R2组成的分压器分压，把输出电压的信号反馈至控制电路，由控制电路来控制开关管的导通及截止时间，使输出电压保持不变。
图片说明：DC/DC变换器基本工作原理图
三、DC-DC电路设计要考虑以下条件：。
《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 -直流变流电路( dc-dc )的定义。
直流-直流变流电路(dc-dc)的定义。
直流-直流变流电路简称DC-DC电路，是一种可以将直流电压进行升降转换的电路。
DC-DC电路广泛应用于各种电子设备中，如电视机、电脑、手机、电子游戏机等等。
DC-DC电路是通过控制电路中电感、电容等元器件的工作状态实现电压升降，并控制输出电压稳定的。
DC-DC电路的作用以及应用如下几个方面：
1.电压升降转换
电子设备在不同的工作状态下需要不同的电压值，而DC-DC电路就能通过升降转换实现合理的供电，并确保电子设备的正常运行。
2.提高能源利用率
DC-DC电路能够有效地提高能源利用率，避免了众多电力损失，从而保证了电子设备的长期可用性，也有利于节约能源。
3.提高稳定性
DC-DC电路能够控制电压的稳定输出，保证各个元器件可以在有效的电压范围内工作，避免了元器件由于过电压或欠电压过载而损坏。
4.减小体积
DC-DC电路能够让电子设备尺寸更为精简小巧，符合现代化要求。
总之，DC-DC电路是当前电子工业中不可或缺的一部分。
通过不断地研发和创新，DC-DC电路必将产生更多的新应用，以满足技术的不断发展和社会的需求。
直流 -直流变流电路( dc-dc )的定义
直流-直流变流电路（DC-DC）是指一种能够将直流电源的电压或电流转换为不同电压或电流级别的电路。
它通常由电子元件和控制电路组成，可以实现电压升压、降压、反向极性、电流调节等功能。
DC-DC变流电路的主要目的是通过电力转换，将直流电源的电能以不同的形式和级别供应给负载或其他设备。
例如，将低电压直流电源升压为高电压，以满足某些特定应用的需求；或者将高电压直流电源降压为低电压，以适应其他电子设备的要求。
DC-DC变流电路通常采用电感、电容、开关管（如MOSFET）等元件，通过控制开关管的开关时间和频率，调整电流流向和电压水平，实现所需的电能转换。
控制电路可以根据输入和输出电压的差异来调整开关管的状态，以达到所需的电压转换效果。
DC-DC变流电路在各种电子设备和系统中广泛应用，例如电源适配器、太阳能光伏系统、电动汽车充电器等。
它可以提高能源利用率、减少能量损耗，并满足不同设备对电能的需求。
直流直流变流电路
04
应用场景与优势
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
应用场景
电动汽车充电系统
直流-直流变流电路用于将交流电转换为直流电，为电动汽车充电。
分布式光伏发电系统
在分布式光伏发电系统中，直流-直流变流电路用于将光伏板产生 的直流电进行升压或降压，以满足不同设备的用电需求。
发展
近年来，随着电力电子技术的不断进步，直流-直流变流电路 在效率、可靠性、智能化等方面得到了显著提升。未来，随 着新能源和智能电网等领域的快速发展，直流-直流变流电路 的应用前景将更加广阔。
02
直流-直流变流电路的类型
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
降压型（Buck）
04
参数设计
确定电感、电容的值，以满足动态特性和 效率要求。
05
06
根据开关频率和占空比，计算功率开关管 的通态电阻和开关速度。
优化策略与方法
减少开关损耗
通过优化开关频率或采用软开关技术 来实现。
提高效率
通过优化元件参数或采用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相位技术 来实现。
优化策略与方法
1. 仿真分析
通过仿真软件分析电路性能，找出潜在的优化点。
工业自动化控制系统
在工业自动化控制系统中，直流-直流变流电路用于将交流电源转 换为设备所需的直流电源。
优势与局限性
高效节能 稳定性好 体积小、重量轻 局限性
直流-直流变流电路具有较高的能量转换效率，能够减少能源浪 费。
直流-直流变流电路输出的直流电压稳定，波动小，能够保证用 电设备的正常运行。
相对于传统的交流电源，直流-直流变流电路的体积和重量较小 ，便于携带和移动。
一、直流—直流变换电路概述 1、直流—直流变换电路及功能 直流-直流(DC-DC)变换电路是将一组电
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
二、降压式变换电路（Buck电路）
3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
BUCK电路 结构
开
开
关
关
导
关
通
断
时
时
等
等
效
效
电
电
路
路
二、降压式变换电路（Buck电路）
a、 晶体管导通状态（t0 t t1=DT）
VD关断，依据等效电路拓扑，有：
二、降压式变换电路（Buck电路）
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上
输出的直流电压Uo有： uripple max Uo 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、 负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电 阻等元件。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同 。关系，见图中波形，由于电感电流连
续，有
1 I 2
I o min ，计算L的关系式。
（3）由输入输出电压关系，计算D
（4）由 I LMAX I VTMAX 求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算
电流有效值，依此选择MOS管的电流。 （5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。
二、降压式变换电路（Buck电路）
3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
BUCK电路 结构
开
开
关
关
导
关
通
断
时
时
等
等
效
效
电
电
路
路
二、降压式变换电路（Buck电路）
a、 晶体管导通状态（t0 t t1=DT）
VD关断，依据等效电路拓扑，有：
二、降压式变换电路（Buck电路）
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上
输出的直流电压Uo有： uripple max Uo 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、 负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电 阻等元件。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同 。关系，见图中波形，由于电感电流连
续，有
1 I 2
I o min ，计算L的关系式。
（3）由输入输出电压关系，计算D
（4）由 I LMAX I VTMAX 求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算
电流有效值，依此选择MOS管的电流。 （5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。
直流-直流变换电路
3.1 直接DC/DC变换电路
3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路 3.1.4 Cuk斩波电路 3.1.5 Sepic斩波电路 3.1.6 Zeta斩波电路 3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.1.1 降压斩波电路
3.1.2 升压斩波电路
3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
直流
逆变
电路
交流 变压器
交流
整流 电路
脉动直流 滤波器
直流
变压器隔离型DC/DC变换器
• 采用这种结构的变换原因：
输出端与输入端需要隔离。 某些应用中需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电 感、滤波电容的体积和重量。
t
断.
O
t
S关断后到下一次再开通的一段时间 im1
内，必须设法使im1降回到零（变压 器的磁心复位)，否则下一个开关周
O t0
t1
t2
t
B
期中， im1将在本周期结束时的剩余
值基础上继续增加，并在以后的开
BS
关周期中依次累积起来，从而导致
变压器的励磁电感饱和。
励磁电感饱和后， im1会更加迅速地 增长，最终损坏开关器件。
t
总输出电流最大脉动率（电流脉动 iO2
t
幅值与电流平均值之比）与相数的平 Oi3
t
方成反比。
Oio
t
3.2 变压器隔离型DC/DC变换器
3.2.1 正激电路 3.2.2 反激电路 3.2.3 半桥电路 3.2.4 全桥电路
3.2 变压器隔离型DC/DC变换器
变压器隔离型DC/DC变换器：先将直流逆变为交流， 再整流为直流电，也称为直-交-直电路。
3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路 3.1.4 Cuk斩波电路 3.1.5 Sepic斩波电路 3.1.6 Zeta斩波电路 3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.1.1 降压斩波电路
3.1.2 升压斩波电路
3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
直流
逆变
电路
交流 变压器
交流
整流 电路
脉动直流 滤波器
直流
变压器隔离型DC/DC变换器
• 采用这种结构的变换原因：
输出端与输入端需要隔离。 某些应用中需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电 感、滤波电容的体积和重量。
t
断.
O
t
S关断后到下一次再开通的一段时间 im1
内，必须设法使im1降回到零（变压 器的磁心复位)，否则下一个开关周
O t0
t1
t2
t
B
期中， im1将在本周期结束时的剩余
值基础上继续增加，并在以后的开
BS
关周期中依次累积起来，从而导致
变压器的励磁电感饱和。
励磁电感饱和后， im1会更加迅速地 增长，最终损坏开关器件。
t
总输出电流最大脉动率（电流脉动 iO2
t
幅值与电流平均值之比）与相数的平 Oi3
t
方成反比。
Oio
t
3.2 变压器隔离型DC/DC变换器
3.2.1 正激电路 3.2.2 反激电路 3.2.3 半桥电路 3.2.4 全桥电路
3.2 变压器隔离型DC/DC变换器
变压器隔离型DC/DC变换器：先将直流逆变为交流， 再整流为直流电，也称为直-交-直电路。
《直流直流变流电路》课件
整流器通常由四个二极管组成 ，利用二极管的单向导电性实 现整流功能。
整流器在电路中的连接方式有 桥式和全波式两种，根据不同 的需求选择合适的连接方式。
电感器
电感器是直流直流变流电路中的储能元件，它的作用是储存磁场能量。
电感器的电感量大小直接影响电路中的电流变化，电感量越大，对电流的阻碍作用 越强。
双管正激式拓扑结构
总结词
双管正激式拓扑结构是一种较为复杂的直流直流变流电路，具有更高的可靠性和稳定性。
详细描述
双管正激式拓扑结构采用两个开关管、两个储能元件和输出滤波器，通过控制两个开关管的通断来调 节输出电压的大小。该结构适用于中大功率的应用场景，具有更高的能量转换效率和可靠性。
半桥式拓扑结构
优缺点分析
混合控制模式具有响应速度快、对负 载变化适应性强、控制精度高等优点 ，但也可能存在电路结构复杂、实现 难度较大等缺点。同时，控制器设计 需充分考虑电压和电流之间的耦合关 系，以实现更好的控制效果。
06
直流直流变流电路的优化设计
元件选择与参数设计
元件选择
选择合适的元件类型和规格，以满足 电路的性能要求和使用环境。
参数设计
根据电路的工作原理和设计目标，合 理设定元件的参数值，以优化电路的 性能。
热设计
热分析
对电路在工作过程中产生的热量进行 详细分析，以评估对元件性能和寿命 的影响。
散热方案
根据热分析结果，设计合理的散热方 案，确保元件温度在允许范围内，保 障电路的稳定运行。
电磁兼容性设计
电磁干扰分析
对电路在工作过程中产生的电磁干扰进行详 细分析，以评估对周围电子设备和系统的影 响。
优缺点分析
电流控制模式具有响应速度快、对负载变化适应性强等优点，但也可能存在电路结构复杂、实现难度较 大等缺点。
直流-直流变流电路课件
采用屏蔽措施
02
通过将电路置于屏蔽壳体内，可以有效减小外界电磁干扰对电
路的影响。
合理布局布线
03
合理安排元件布局和布线，可以减小电路内部噪声的产生和传
播。
05
直流-直流变流电路实例
降压型直流-直流变流电路
总结词
通过降低输入电压实现输出电压降低的电路
详细描述
降压型直流-直流变流电路通过改变开关管的导通时间或占空比，使输入电压降低，从而得到较低的输出电压。 这种电路常用于需要降低电压的场合，如LED驱动、电池充电等。
电路元件与工作过程
整流器
整流器是直流-直流变流电路中的重要元件，其作用是 将交流电转换为直流电。
整流器的工作原理是将交流电的正负半波分别通过两个 不同的二极管进行整流，从而得到直流电。
整流器通常由四个二极管组成，利用二极管的单向导电 性实现整流。
整流器的性能指标包括整流效率、输出电压和电流等， 这些指标直接影响整个电路的性能。
戴维南定理
总结词
戴维南定理是一种简化电路分析的方法，它将复杂电路等效 为一个简单的电压源和一个电阻的串联。
详细描述
通过应用戴维南定理，可以将一个复杂电路简化为一个简单 的等效电路，从而更容易地分析电路的工作状态。在直流-直 流变流电路中，戴维南定理可以帮助我们理解电路的性能和 优化电路设计。
04
详细描述
根据欧姆定律，电压等于电流与电阻的乘积，即 V=IR。在直流电路中，欧姆定 律是一个非常重要的工具，用于计算电流和电压，以及分析电路的工作状态。
基尔霍夫定律
总结词
基尔霍夫定律是电路分析的重要基础，它包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压 定律。
详细描述
带隔离的直流变流电路
隔离变压器可以抑制电路中的噪声干扰，提高输出电压的稳定性。
设备保护
隔离变压器可以防止设备之间的相互干扰，保护设备免受损坏。
03 带隔离的直流变流电路的 应用
在电力系统的应连接 分布式发电系统，如太阳能逆变器、 风能逆变器等，实现与主电网的交互 。
智能电网
05 带隔离的直流变流电路的 发展趋势和未来展望
技术发展趋势
高效能
随着电力电子技术的不断进步，带隔 离的直流变流电路在转换效率上将得 到显著提升，以满足日益增长的能源 需求。
集成化
智能化
借助先进的控制算法和传感器技术， 带隔离的直流变流电路将具备更高的 智能化水平，能够实现自适应调节和 远程监控。
社会经济效益
带隔离的直流变流电路的发展将 带动相关产业链的发展，创造就 业机会，促进经济发展。
06 结论
对带隔离的直流变流电路的综合评价
高效能
带隔离的直流变流电路能够实现高效的电能转换，满足各种 不同的应用需求。
稳定性好
由于采用了隔离技术，该电路具有较强的抗干扰能力，运行 稳定可靠。
对带隔离的直流变流电路的综合评价
在其他领域的应用
工业自动化
在工业自动化领域，带隔离的直流变流电路可以用于驱动电机、控制设备等，实 现高效、精准的控制。
通信设备
在通信设备中，带隔离的直流变流电路可以用于将直流电能转换为适合通信设备 使用的电源。
04 带隔离的直流变流电路的 优缺点
优点
1 2
安全性高
带隔离的直流变流电路能够有效地隔离电源和负 载，减少电路故障对负载的影响，提高电路的安 全性。
数据中心供电
数据中心对供电稳定性和效率要求极高，带隔离的直流变流电路能 够确保数据中心设备的稳定运行。
设备保护
隔离变压器可以防止设备之间的相互干扰，保护设备免受损坏。
03 带隔离的直流变流电路的 应用
在电力系统的应连接 分布式发电系统，如太阳能逆变器、 风能逆变器等，实现与主电网的交互 。
智能电网
05 带隔离的直流变流电路的 发展趋势和未来展望
技术发展趋势
高效能
随着电力电子技术的不断进步，带隔 离的直流变流电路在转换效率上将得 到显著提升，以满足日益增长的能源 需求。
集成化
智能化
借助先进的控制算法和传感器技术， 带隔离的直流变流电路将具备更高的 智能化水平，能够实现自适应调节和 远程监控。
社会经济效益
带隔离的直流变流电路的发展将 带动相关产业链的发展，创造就 业机会，促进经济发展。
06 结论
对带隔离的直流变流电路的综合评价
高效能
带隔离的直流变流电路能够实现高效的电能转换，满足各种 不同的应用需求。
稳定性好
由于采用了隔离技术，该电路具有较强的抗干扰能力，运行 稳定可靠。
对带隔离的直流变流电路的综合评价
在其他领域的应用
工业自动化
在工业自动化领域，带隔离的直流变流电路可以用于驱动电机、控制设备等，实 现高效、精准的控制。
通信设备
在通信设备中，带隔离的直流变流电路可以用于将直流电能转换为适合通信设备 使用的电源。
04 带隔离的直流变流电路的 优缺点
优点
1 2
安全性高
带隔离的直流变流电路能够有效地隔离电源和负 载，减少电路故障对负载的影响，提高电路的安 全性。
数据中心供电
数据中心对供电稳定性和效率要求极高，带隔离的直流变流电路能 够确保数据中心设备的稳定运行。
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：
直流变换电路
电力电子技术
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
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
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。
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第二部分由C、Z 组成，C 放电供给负载能量，负载两端电 压逐渐降低。
普遍采用的是脉宽调制控制方式。因为频率调制控制方式 容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。
第4页/共35页
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
第5页/共35页
1.电路结构
V uD L
i1 I1
iL , IL
VD E
iC , IC uC
C
io , Io
uo ,Uo R
降压斩波器（Buck）主电路
第6页/共35页
2.工作原理
假设V、VD 均为理想 开关元件，并设V 的一 个控制周期为T。
V uD L
i1 I1
iL , IL
VD E
iC , IC uC
C
io , Io
uo ,Uo R
E
ton
toff
0
T
t
i0
E
R ton
toff
0 T
t
图5.1 基本的降压斩波 电路及其波形
在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节 开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控 制输出电压的平均值。
斩波器的控制方式通常有三种：
① 脉宽调制控制方式：维持T不变，改变ton。 ② 频率调制控制方式：维持ton不变，改变T。 ③ 混合调制控制方式：ton和T都可调，使占空比改变。
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接 直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路
◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与 输出之间不隔离。
■间接直流变流电路
电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
Uo
ton T
E
20
200 50
80(V
)
输出电流平均值为
Io
Uo - Em R
80 30 10
5( A)
第13页/共35页
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
L iL E
iC
io
C
R Uo
当V 断开时，负载电压为零， 持续时间为toff。
当回路电感足够大时，流过 电感的电流是连续的，即不论 开关处于导通状态还是处于关 断状态，始终有 iL>0 。
0 t ton
L
iL iC
VD C
io R Uo
ton t T
第8页/共35页
3.电路波形
uGE
L iL E
E
其值的直流电压，实现能
V
uV uC
C
uo ,Uo R
量从低压向高压侧负载的
传递，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源等。
当开关管V 导通时，二极管承受反压而截止。此时可将电路 分为两部分。
第一部分由E、L、V 组成，电感L储存能量，流经L、V 的 电流逐渐增大，电源的能量转化为电感L中的磁场能量。
⑴由“伏秒积为零”求Uo
E Uo ton Uo toff 0
Uo
ton T
E
E
式中：ton—为V处于通态的时间； toff —为V处于断态的时间； T —为开关周期；
—为导通占空比，简称占空比或导通比。
第10页/共35页
Uo
ton T
E
E
在连续导电模式下，当输入电压一定时，输出电压与开关的 占空比呈线性关系，而与其他电路参数无关。改变占空比α ， 就可得到从零到E之间连续可调的输出电压。
第14页/共35页
1.电路结构
i1 I1 E
L iL , IL iD VD
V
uV uC
iC , IC C
io , Io
uo ,Uo R
升压斩波器（Boost）主电路
第15页/共35页
2.工作原理
L iL , IL iD VD
升压型斩波器用于将直
i1 I1
iC , IC io , Io
流电源电压变换为高于
第2页/共35页
最基本的斩波电路如图 所示，斩
波器负载为R。
开关S闭合时：u0 E 持续ton时间 开关S断开时： u0 0 持续toff 时间 T ton toff 为斩波器的工作周期。 开关的导通时间与开关周期之比 定义为斩波器的占空比：
ton
T
第3页/共35页
i S
E
io
uo
R
u0
在t = 0 时刻驱动V导通，在ton导通期间内，电感L中有电流通 过，电流按指数曲线缓慢上升，t = t1时刻，V关断，负载电流 经续流管VD续流，负载电流呈指数曲线下降。
回路串接电感的大小直接关系到负载电流连续与否，下面对 负载电流连续工作模式进行讨论。
第7页/共35页
连续导电模式
当V导通时，电源电压给负载 供电，持续时间为ton；
斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/断控制实现的。 用于斩波器的电力电子器件可以是晶闸管，也可以是IGBT 等 全控器件。
由于晶闸管没有自关断能力，采用晶闸管构成斩波电路时， 必须设置专门的强迫换流电路来实现关断，因此电路结构比 较复杂。而全控制型器件具有自关断能力，通过控制电路即 可实现导通与关断的控制，故由全控型器件构成的斩波器主 电路的结构相对简单。
iC
io
C
R Uo
0 I Lmax iL
IL
T T I
t
I L min
0
T T
t
I Lmax i1
0 t ton
L iL
iC VD
C
io Uo
R
I L min
0 iC
T T
t
ILmaxIo
0
ILmin Io
T T
t
uC
Uo
UC
ton t T
0 T T
t
io
Io
第9页/共35页
0Leabharlann t4.数量关系◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此 也称为直—交—直电路。
第1页/共35页
斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电路分 为降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、升压 -降压斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路六种形式。
√负载电流平均值为
Io
Uo R
☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现 电流断续的情况。
第11页/共35页
⑵ 假设电路无损耗，则输入功率等于输出功率，即：
EI1 Uo Io EIo
I1 Io
第12页/共35页
■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s，计算输出
普遍采用的是脉宽调制控制方式。因为频率调制控制方式 容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。
第4页/共35页
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
第5页/共35页
1.电路结构
V uD L
i1 I1
iL , IL
VD E
iC , IC uC
C
io , Io
uo ,Uo R
降压斩波器（Buck）主电路
第6页/共35页
2.工作原理
假设V、VD 均为理想 开关元件，并设V 的一 个控制周期为T。
V uD L
i1 I1
iL , IL
VD E
iC , IC uC
C
io , Io
uo ,Uo R
E
ton
toff
0
T
t
i0
E
R ton
toff
0 T
t
图5.1 基本的降压斩波 电路及其波形
在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节 开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控 制输出电压的平均值。
斩波器的控制方式通常有三种：
① 脉宽调制控制方式：维持T不变，改变ton。 ② 频率调制控制方式：维持ton不变，改变T。 ③ 混合调制控制方式：ton和T都可调，使占空比改变。
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接 直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路
◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与 输出之间不隔离。
■间接直流变流电路
电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
Uo
ton T
E
20
200 50
80(V
)
输出电流平均值为
Io
Uo - Em R
80 30 10
5( A)
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5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
L iL E
iC
io
C
R Uo
当V 断开时，负载电压为零， 持续时间为toff。
当回路电感足够大时，流过 电感的电流是连续的，即不论 开关处于导通状态还是处于关 断状态，始终有 iL>0 。
0 t ton
L
iL iC
VD C
io R Uo
ton t T
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3.电路波形
uGE
L iL E
E
其值的直流电压，实现能
V
uV uC
C
uo ,Uo R
量从低压向高压侧负载的
传递，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源等。
当开关管V 导通时，二极管承受反压而截止。此时可将电路 分为两部分。
第一部分由E、L、V 组成，电感L储存能量，流经L、V 的 电流逐渐增大，电源的能量转化为电感L中的磁场能量。
⑴由“伏秒积为零”求Uo
E Uo ton Uo toff 0
Uo
ton T
E
E
式中：ton—为V处于通态的时间； toff —为V处于断态的时间； T —为开关周期；
—为导通占空比，简称占空比或导通比。
第10页/共35页
Uo
ton T
E
E
在连续导电模式下，当输入电压一定时，输出电压与开关的 占空比呈线性关系，而与其他电路参数无关。改变占空比α ， 就可得到从零到E之间连续可调的输出电压。
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1.电路结构
i1 I1 E
L iL , IL iD VD
V
uV uC
iC , IC C
io , Io
uo ,Uo R
升压斩波器（Boost）主电路
第15页/共35页
2.工作原理
L iL , IL iD VD
升压型斩波器用于将直
i1 I1
iC , IC io , Io
流电源电压变换为高于
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最基本的斩波电路如图 所示，斩
波器负载为R。
开关S闭合时：u0 E 持续ton时间 开关S断开时： u0 0 持续toff 时间 T ton toff 为斩波器的工作周期。 开关的导通时间与开关周期之比 定义为斩波器的占空比：
ton
T
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i S
E
io
uo
R
u0
在t = 0 时刻驱动V导通，在ton导通期间内，电感L中有电流通 过，电流按指数曲线缓慢上升，t = t1时刻，V关断，负载电流 经续流管VD续流，负载电流呈指数曲线下降。
回路串接电感的大小直接关系到负载电流连续与否，下面对 负载电流连续工作模式进行讨论。
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连续导电模式
当V导通时，电源电压给负载 供电，持续时间为ton；
斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/断控制实现的。 用于斩波器的电力电子器件可以是晶闸管，也可以是IGBT 等 全控器件。
由于晶闸管没有自关断能力，采用晶闸管构成斩波电路时， 必须设置专门的强迫换流电路来实现关断，因此电路结构比 较复杂。而全控制型器件具有自关断能力，通过控制电路即 可实现导通与关断的控制，故由全控型器件构成的斩波器主 电路的结构相对简单。
iC
io
C
R Uo
0 I Lmax iL
IL
T T I
t
I L min
0
T T
t
I Lmax i1
0 t ton
L iL
iC VD
C
io Uo
R
I L min
0 iC
T T
t
ILmaxIo
0
ILmin Io
T T
t
uC
Uo
UC
ton t T
0 T T
t
io
Io
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0Leabharlann t4.数量关系◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此 也称为直—交—直电路。
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斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电路分 为降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、升压 -降压斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路六种形式。
√负载电流平均值为
Io
Uo R
☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现 电流断续的情况。
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⑵ 假设电路无损耗，则输入功率等于输出功率，即：
EI1 Uo Io EIo
I1 Io
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■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s，计算输出