第三章 直流交变电路

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。在时间内当开关T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。
电路中开关的占空比
（3.1.1）
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为
现代电力电子技术
Modern Power Electronics
第3章 直流变换电路
重点和难点
• 各种直流变换电路的工作原理和它们的区别。 • 掌握判断升压和降压斩波电路的方法。 • 直流变换电路的PWM控制技术的基本原理。
第3章 直流变换电路
• 基本介绍
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 • 3.5 库克变换电路 • 3.6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 • 3.7 带隔离变压器的直流变换器 • 3.8 复合斩波电路和多相多重斩波电路 • 3.9 直流变换电路的PWM控制技术
3.2 降压变换电路
原理图例1
滤波电感
输入直 流电压
滤波电容 负载
续流二极管
3.2 降压变换电路
• 原理图例2
3.2 降压变换电路
✓ 导通期间（ton ）：电力开关器件 导通，电感蓄能，二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ；
✓ 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；
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) 、 库 克 变 换 电 路 (Cuk)和全桥直流变换电路。
• 3、隔离方式：
在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实 现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。
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。(开关型DC/DC变换电路/ 斩波器)。
• 2、分类：
按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、 (PFM)直流变换电路。
即维持TS不变，改变导通时间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容易，并且应用的较多。 • 混合型
即工作周期TS和导通时间ton都可调，改变占空比—— 混合型
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 • 3.5 库克变换电路 • 3.6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 • 3.7 带隔离变压器的直流变换器 • 3.8 复合斩波电路和多相多重斩波电路 • 3.9 直流变换电路的PWM控制技术
（3.1. 2）
• 若认为开关T无损耗，则输入功率为
（3.1.3）
式（3.1.2Biblioteka Baidu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。
图3.1.1 基本的斩波器电路
占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
及其负载波形
3.1 直流变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有三种：
• 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持导通时间ton不变，改变工作周期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。 • 脉宽调制(PWM)工作方式：
3.2 降压变换电路
❖ 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为常数。然而在电容C为有限值的 情况下，直流输出电压将会有纹波成份。 • 电流连续时的输出电压纹波为
（3.2.14）
其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fc＜＜f 时，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。
✓ 由波形图3.2.1(b)可以计算出输 出电压的平均值为：
✓ 忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：
(3.2.3)
图3.2.1 降压电路及其波形图
3.2 降压变换电路
❖ Buck变换器的可能运行情况：
电感电流连续模式
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 ： 在ton期间:电感上的电压为
由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可 以写成
(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。
3.2 降压变换电路
1）电感电流iL连续模式 ：
在toff 期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
3.2 降压变换电路
2）电感电流iL临界连续状态：
变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 可得维持电流临界连续的电感值L0为：
(3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
(3.2.11)
总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开 关管T的占空比D都有关。 • 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，电感电流处于连续（有断流临界点）; • 当实际负载电流Io ＜Iok时，电感电流断流；
(3.2.5)
根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
(3.2.6)
(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
(3.2.8)
(3.2.9)