第3章-直流电压变换电路课件

1 1、直流电压变换电路、直流电压变换电路：利利用用电电力力开开关关器器件件周周期期性性的的开开通通与与关关断断来来改改变变输输出出电电压压的的大大小小，将将直直流流电电能能转转换换为为另另一一固固定定电电压压或或可可调调电电压压的的直直流流电电能能的的电电路路称称为为直直流流变变换换电路。电路。(开关型开关型DC/DC变换电路变换电路/斩波器斩波器)。2 2、直流电压变换电路的分类：、直流电压变换电路的分类：按按稳稳压压控控制制方方式式:脉脉冲冲宽宽度度调调制制(PWM)、脉脉冲冲频频率率调调制制(PFM)直直流流变变换换电电路。路。按按变变换换器器的的功功能能:降降压压变变换换电电路路(Buck)、升升压压变变换换电电路路(Boost)、升升降降压压变换电路变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。和全桥直流变换电路。3 3、隔离方式：、隔离方式：在在直直流流开开关关稳稳压压电电源源中中直直流流变变换换电电路路常常常常采采用用变变压压器器实实现现电电隔隔离离，而而在在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。第第第第3 3 3 3章章章章 直流电压变换电路直流电压变换电路直流电压变换电路直流电压变换电路 11、直流电压变换电路：第3章 直流电压变换电路 1 第第3章章 直流电压变换电路直流电压变换电路 3.1 直流变换电路的基本原理及控制方式直流变换电路的基本原理及控制方式 3.2 降压直流电压变换电路降压直流电压变换电路 3.3 升压直流电压变换电路升压直流电压变换电路 3.4 直流变换直流变换降压降压-升压复合型直流变换电路升压复合型直流变换电路 3.5 库克直流电压变换电路库克直流电压变换电路 3.6 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 3.7 直流开关电源的应用直流开关电源的应用2 第3章 直流电压变换电路 3.1 直流变换电路的3.1 3.1 直流电压变换电路的基本原理及控制方式直流电压变换电路的基本原理及控制方式v工作原理：工作原理：图中图中S是可控开关，是可控开关，UD是恒定直流电是恒定直流电压电源压电源，R为负载。当开关为负载。当开关S闭合时，闭合时，UO=UR=UD，并持续，并持续ton时间。当开关切断时，时间。当开关切断时，UO=UR=0，并，并持续，由图可得，直流变换电路输出电压的平均值持续，由图可得，直流变换电路输出电压的平均值为为vT为为开开关关S的的工工作作周周期期，ton为为导导通通时时间间，toff为为关关断断时间。时间。v是变换是变换电路的工作频率或开关的占空比电路的工作频率或开关的占空比 输出功率为输出功率为v 图图3.1直流电压变换电路原直流电压变换电路原 理图及输出波形图理图及输出波形图 3.1.1 3.1.1 直流电压变换电路的基本原理直流电压变换电路的基本原理输出电压平均值的改变：输出电压平均值的改变：因为因为是是01之间变化的系数，因此在之间变化的系数，因此在的变化范的变化范围内输出电压围内输出电压UO总是小于输入电压总是小于输入电压UD，改变，改变值就可以改变其大小。值就可以改变其大小。占空比的改变：占空比的改变：通过改变通过改变ton 或或T来实现。来实现。33.1 直流电压变换电路的基本原理及控制方式工作原理：图中S3.1.2 3.1.2 直流电压变换电路的控制方式直流电压变换电路的控制方式v脉宽调制脉宽调制(PWM)工作方式：工作方式：v 即即保保持持电电路路频频率率f不不变变(f=1/T)，改改变变ton。在在这这种种调调压压方方式式中中，输输出出电电压压波波形形的的周周期期是是不不变变的的，因因此此输输出出谐谐波波的的频频率率也也不不变变，这这使使得得滤波器的设计容易。滤波器的设计容易。v脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)工作方式：工作方式：v 即即保保持持ton不不变变，改改变变T(f)。在在这这种种调调压压方方式式中中，由由于于输输出出电电压压波波形形的的周周期期是是变变化化的的，因因此此输输出出谐谐波波的的频频率率也也是是变变化化的的，这这使使得得滤滤波波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。v混合调制控制方式：混合调制控制方式：ton和和T都可调，使占空比改变。都可调，使占空比改变。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。产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。43.1.2 直流电压变换电路的控制方式43.2 降压直流电压变换电路降压直流电压变换电路原理图原理图 续流二极管续流二极管全全控控型型电电力力器器件件输入直输入直流电压流电压滤波电感滤波电感滤波电容滤波电容负载负载53.2 降压直流电压变换电路原理图 续流二极管全控型电T图图3.23.2降压变换电路及其波形图降压变换电路及其波形图触发脉冲在触发脉冲在t=0时，使开时，使开关关S导通，在导通，在ton导通期导通期间电感间电感L中有电流流过，中有电流流过，电流按指数曲线缓慢上电流按指数曲线缓慢上升，其等效电路如图升，其等效电路如图3.2（b）负载电压等于）负载电压等于电源电压电源电压UD。当触发脉。当触发脉冲在冲在t=T时刻使开关时刻使开关S断开而处于断开而处于toff期间，负期间，负载电流经续流二极管载电流经续流二极管VD释能，输出电压近似为释能，输出电压近似为零，负载电流呈指数曲零，负载电流呈指数曲线下降，其等效电路如线下降，其等效电路如图图3.2（c）所示。图）所示。图3.2（d）是各电量的工）是各电量的工作波形图。作波形图。6T图3.2降压变换电路及其波形图触发脉冲在t=0时，使开关图图3.3 电感电流波形图电感电流波形图v Buck变换器的运行情况：变换器的运行情况：电感电流连续模式电感电流连续模式电感电流临界电感电流临界连续状态连续状态电感电流断流模式电感电流断流模式v电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容和电容C的数值。的数值。7图3.3 电感电流波形图 Buck变换器的运行情况：电感l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ：在在t tonon期间期间:电感上的电压为电感上的电压为 由于电感由于电感L和电容和电容C无损耗，因此无损耗，因此iL从从I1线性增长至线性增长至I2，上式可，上式可以写成以写成式中式中IIL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量，为电感上电流的变化量，U UO O为输出电压的平均值。为输出电压的平均值。81）电感电流iL连续模式：在ton期间:电感上的电压为 在在toff期间期间:假设电感中的电流假设电感中的电流iL从从I2线性下降到线性下降到I1，则有，则有l根据上式可求出开关周期为根据上式可求出开关周期为l 上式中上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为，最小为I1。电。电感电流一周期内的平均值与负载电流感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将相等，即将IL和和I0式式IL=I2I1可得可得9在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则2 2）电感电流）电感电流iL临界连续状态：临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由，由可得维持电流临界连续的电感值可得维持电流临界连续的电感值L0为：为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压UD、电感、电感L、开关频率、开关频率f以及开关以及开关管管T的占空比的占空比都有关。都有关。当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；时，电感电流连续；当实际负载电流当实际负载电流Io =Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；时，电感电流断流；102）电感电流iL临界连续状态：10v输出纹波电压：输出纹波电压：在在Buck电路中，如果滤波电容电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压的容量足够大，则输出电压U0为常数。为常数。然而在电容然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。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电流连续时的输出电压纹波为为 其中其中f为为buck电路的开关频率，电路的开关频率，fc为电路的截止频率。为电路的截止频率。它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L、C值，当满足值，当满足fcf 时，可以限制输出时，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。纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。11输出纹波电压：11 3.3 升压变换电路升压变换电路v1)1)定义：定义：升压型直流电压变换电路用于将直流电源电压变换为高于其值升压型直流电压变换电路用于将直流电源电压变换为高于其值的直流电压，实现能量从低压向高压侧负载的传递，又称的直流电压，实现能量从低压向高压侧负载的传递，又称Boost电路或电路或升压斩波电路。升压斩波电路。全控型电力全控型电力器件开关器件开关储能储能保持输出电压保持输出电压2 2）原理图）原理图12 3.3 升压变换电路1)定义：升压型直流电压变换电路v3）工作原理：）工作原理：vton工作期间：工作期间：二极管反偏二极管反偏 截止，电感截止，电感L储能，电容储能，电容C 给负载给负载R提供能量。提供能量。vtoff工作期间：工作期间：二极管二极管VD 导通，电感导通，电感L经二极管经二极管VD给给 电容充电，并向负载电容充电，并向负载RL提提 供能量。供能量。v可得：可得：v v式中占空比式中占空比=ton/TS，当，当=0时，时，U0=Ud，但，但不能不能为为1，因此在，因此在v01的变化范围内的变化范围内 UoUin图图3.4 升压变换电路及波形升压变换电路及波形 133）工作原理：图3.4 升压变换电路及波形 134）Buck变换器的运行情况：变换器的运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值电感电流临界连续时的负载电流平均值为：为：v 当实际负载电流当实际负载电流IoIok时，电感电流连续。时，电感电流连续。v 当实际负载电流当实际负载电流Io=Iok时时,电感电流处于临界连续电感电流处于临界连续(有断流临界点有断流临界点)。v 当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流断流时，电感电流断流。144）Buck变换器的运行情况：14 没有电压闭环调节的没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间导通期间()电源输入电源输入到电感到电感L中的磁能，在中的磁能，在T截止期间通过二极管截止期间通过二极管D转移到输出端，如转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、仍不减小、t tonon不变、电源输不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。入到电感的磁能必使输出电压不断增加。小小 结：结：Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的的电流）就是升压电感电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。实际中，选择电感电流的增量实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的时，应使电感的峰值电流峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流不大于最大平均直流输入电流Id的的20%，以防止电感以防止电感L饱和失效。饱和失效。Boost变换器的效率很高，一般可达变换器的效率很高，一般可达92%以上。以上。15 没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况3.4 直流变换降直流变换降-升压复合型直流变换电路升压复合型直流变换电路v 降降升升压压变变换换电电路路（又又称称Buck-boost电电路路）的的输输出出电电压压平平均均值值可可以以大大于于或或小小于于输输入入直直流流电电压压，输输出出电电压压与与输输入入电电压压极极性性相相反反，其其电电路原理图如图路原理图如图3.5(a)所示。所示。v 它它主主要要用用于于要要求求输输出出与与输输入入电电压压反反相相，其其值值可可大大于于或或小小于于输输入入电电压的直流稳压电源。压的直流稳压电源。163.4 直流变换降-升压复合型直流变换电路 v2）工作原理：）工作原理：v ton期间，二极管期间，二极管D反反偏而关断，电感储能，滤偏而关断，电感储能，滤波电容波电容C向负载提供能量。向负载提供能量。toff期间，当感应电期间，当感应电动势大小超过输出电压动势大小超过输出电压U0时，二极管时，二极管D导通，电导通，电感经感经D向向C和和RL反向放电，反向放电，使输出电压的极性与输使输出电压的极性与输入电压相反。入电压相反。图3.5 3.5 升降升降压直流直流变换电路及工作路及工作图172）工作原理：toff期间，当感应电动势大小超过输出电v（续工作原理）续工作原理）v在在ton期间电感电流的增加量等于期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：期间的减少量，得：由由 ,的关系，求出输出电压的平均值为：的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，上式中，为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当=0.5时，时，U0=UD；当；当0.5UD，为升压变换；当，为升压变换；当00.5时，时，U0Utri时，开关时，开关S1和和S4导通，导通，S2和和S3关断。输出电压关断。输出电压UO与电源电压与电源电压UD相等且极性相同，相等且极性相同，即即UOUD；（2）当）当UC0时，直流电源时，直流电源UD向向负载负载U0端传送能量，在端传送能量，在I00时，时，U0向向UD传输能量。传输能量。小结：小结：29 1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比12.单极性电压开关单极性电压开关PWM控制方式控制方式图3.7所示的全桥DC/DC变换电路，如果改变控制方法，使输出电压平均值具有单极性，其控制方法被称为单极性电压开关PWM控制。图图3.9 单极性电压单极性电压PWM控制方式的波形图控制方式的波形图电路工作过程中，保持S1导通，S3关断。若UcUtri时，S2导通，S4关断，UOUD；若Uc Utri 时，S2导通，S4关断，UO 0；于是得到单极型电压开关PWM控制方法的电压电流波形。为302.单极性电压开关PWM控制方式图3.7所示的全桥DC/D采用与双极型电压开关PWM控制同样的分析方法，得到输出电压平均值UO：上式中1是开关S1的占空比，Utrim是三角波的峰值，kUD/Utrim是比例系数。该式表明，在单极性电压开关PWM控制方式中，输出电压平均值UO随控制电压Uc线性变化。不管输出电流IO0或IO0，UO始终为正值。必须注意的是，在单极、双极性电压开关控制两种方法中，若开关频率相同，则单极性控制方法中输出电压的谐波频率是双极性控制方式开关频率的两倍，因此其频率响应好，交流纹波幅值小。31采用与双极型电压开关PWM控制同样的分析方法，得到输出电压平3.73.7直流开关电源的应用直流开关电源的应用 直流开关电源常常需要满足下面的要求：1）当输入电压和负载变化时，输出电压必须能在兼容范围内保持不变或输出电压可调；2）输出与输入之间需要电气隔离；3）某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离；323.7直流开关电源的应用 直流开关电源常常需要满足1 1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。全可靠性和电磁兼容性。2 2）选择变压器的变比还可匹配电源电压）选择变压器的变比还可匹配电源电压U Ud d与负载所需的输出电压与负载所需的输出电压U Uo o，能使能使直流变换器的占空比直流变换器的占空比D D数值适中而不至于接近于零或接近于数值适中而不至于接近于零或接近于l l。3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。1 1、引入变压器作用：、引入变压器作用：带隔离变压器的直流变换器主要应用于电子仪器的电源、电力电带隔离变压器的直流变换器主要应用于电子仪器的电源、电力电子系统或装置的控制电源、计算机电源、通信电源与电力操作电源等子系统或装置的控制电源、计算机电源、通信电源与电力操作电源等领域。领域。1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化；向变化；2 2）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；3 3）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载；）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载；2、分类：、分类：331）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运3.7.1带有电气隔离的直流带有电气隔离的直流-直流变换器直流变换器图图3.10 直流开关电源的组成框图直流开关电源的组成框图 直流-直流变换器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变换器副边的整流和滤波电路得到直流电压UO。由PWM控制器驱动直流直流变换器的开关管，通过反馈控制得到要求的直流输出电压。图3.10给出了带电气隔离的开关电源的组成框图。输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。343.7.1带有电气隔离的直流-直流变换器图3.10 直流开1.反励式变换器反励式变换器图图3.11 反励式变换器电路与工作波形反励式变换器电路与工作波形反励式变换器电路如图3.11（a）所示。图中VT为开关管、Tr是隔离变压器、VD为高频二极管。当开关管VT导通，输入电压UD加到变压器Tr一次侧上，变压器储存能量，据变压器同名端的极性，可得二次侧中的感应电动势为下正上负，二极管反偏。二次侧中没有电流流过。当开关管关断，储存在铁心中的能量通过变压器副边的二极管VD流过副边线组。在工作过程中变压器起储能电感的作用。图3.11（b）为工作过程中输出电压和电流的波形图。反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压输出电压U UO为：为：一般情况下，反励式变换器的工作占空比一般情况下，反励式变换器的工作占空比要小于要小于0.5。351.反励式变换器图3.11 反励式变换器电路与工作波形反励2.正励式变换器正励式变换器正励式变换器电路如图3.12（a）所示，图中VT是开关管，VD1、VD2是高频二极管，VD3是续流二极管，Tr是隔离变压器。该变换器的工作过程与降压变换器的工作过程基本相同。图图3.12 正励式变换器电路正励式变换器电路输出电压 即输出电压仅决定于电源电压、变压器的变比和占空比，而和负载电阻无关。即输出电压仅决定于电源电压、变压器的变比和占空比，而和负载电阻无关。该电路的占空比该电路的占空比该电路的占空比该电路的占空比D D不能超过不能超过不能超过不能超过0.50.5。362.正励式变换器正励式变换器电路如图3.12（a）所示，图中3.全桥式变换电路全桥式变换电路全桥式变换电路如图3.13所示，其中开关管VT1、VT4、VT2、VT3是作为分别导通/断开的。二极管与开关管反并联，是为了给原边绕组的漏感储存的能量提供电流通道。图图3.13 全桥变换电路全桥变换电路工作原理：工作原理：当一对开关管导通时，处于截止状态的另一对开关管上承受的电压为电源电压UD。开关管VT1、VT2、VT3和VT4的集电极与发射极之间反接有钳位二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些钳位二极管的作用，当开关管从导通到截止时，变压器一次侧磁化电流的能量以及漏感储能引起的尖峰电压的最高值不会超过电源电压UD，同时还可将磁化电流的能量反馈给电源，从而提高整机的效率。373.全桥式变换电路全桥式变换电路如图3.13所示，其中开关管3.7.2直流电源的保护直流电源的保护UC1524A集成电路适用于推挽式和桥式PWM变换器，PWM互锁电路确保了在任何时期只有一个开关管被触发，并且Ct决定了0.5s到4s的逻辑延迟时间，防止两个开关管同时触发。图图3.14 UC1524A集成电路方框图集成电路方框图1.软启动：软启动：缓缓增加开关占空比缓缓增加开关占空比，就可以使输出电压缓慢上升。，就可以使输出电压缓慢上升。2.电压保护：电压保护：可以实现输出电压可以实现输出电压过电压保护和欠电过电压保护和欠电压保护。压保护。3.电流的限定：电流的限定：为了防止过电流，为了防止过电流，在电源输出串联检在电源输出串联检测电阻，当电阻的测电阻，当电阻的端电压超过端电压超过200mV时，电源过流。可时，电源过流。可直接降低输出的脉直接降低输出的脉冲宽度，实现过流冲宽度，实现过流限定的功能。限定的功能。383.7.2直流电源的保护UC1524A集成电路适用于推挽式和3.7.3直流电源设计中的一些问题直流电源设计中的一些问题1.输入滤波器输入滤波器在设计滤波器中应注意如下几个方面1）从能源效率的观点上看，滤波器应该尽可能地减少功耗；2）一定的阻尼系数，防止存在震荡现象，一般要求输入滤波器的谐振频率比输出滤波器的谐振频率低10倍；3）可以采用有源滤波器，使开关电源具有无谐波电流且具有单位功率因数。2.大容量电容器与延迟时间大容量电容器与延迟时间电容值Cd与期望的延迟时间th直接的关系是式中 Ud,nom正常输入直流电压的平均值；Ud,minUd,nom的60%70%电源的效率。393.7.3直流电源设计中的一些问题1.输入滤波器在设计滤波器3.开机时的冲击电流开机时的冲击电流为了限制冲击电流，在整流桥和电容Cd之间应该安装必要的元件。采用限流电阻和与之并联的晶闸管。初始时晶闸管是断开的，限流电阻限制初始时的冲击电流。当电容的电压上升到一定值时，晶闸管导通，旁路限流电阻。有效地限制开机时的冲击电流。4.考虑电磁干扰考虑电磁干扰EMI应该采取相关的措施使开关电源满足传导和辐射的EMI标准。403.开机时的冲击电流为了限制冲击电流，在整流桥和电容Cd之间本章小结本章小结 本章介绍了直流电压变换电路的基本原理及控制方式、4种直流电压变换电路、直流变换电路的PWM控制技术和直流开关电源，其中最基本的是降压直流电压变换电路和升压直流电压变换电路两种。因此，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他直流电压变换电路的基础，这是本章的学习重点。应掌握这两种电路的工作原理、输入输出关系、电路解析方法、工作特点。PWM控制技术和开关电源技术是电力电子技术应用的新领域。41本章小结41精品课件精品课件！42精品课件！42精品课件精品课件！43精品课件！43习题及思考题习题及思考题 1、2、3、4、5、6、8 44习题及思考题 1、2、3、4、5、6、8 44