直流变换电路课件

直流变换电路直流变换电路12第五节Cuk斩波电路第四节升降压斩波电路第三节升压斩波电路第二节降压斩波电路第一节直流斩波电路的工作原理内容提要与目的要求第六节降压式变换器SIMULINK仿真2第五节 Cuk斩波电路第四节 升降压斩波电路第三节 升压斩23内容提要与目的要求了解直流了解直流斩波器的工作原理及控制方式。波器的工作原理及控制方式。掌握直流掌握直流斩波器的基本波器的基本电路、波形分析及路、波形分析及电路参数路参数计算。算。重点：掌握各种重点：掌握各种斩波波电路的波形分析及工作原理。路的波形分析及工作原理。3内容提要与目的要求了解直流斩波器的工作原理及控制方式。34第一节直流斩波电路的工作原理一、直流斩一、直流斩波的概念及波的概念及分类分类二、基本斩二、基本斩波电路的工波电路的工作原理作原理4第一节 直流斩波电路的工作原理一、直流斩波的概念及分类二45一、直流斩波的概念及分类概念：概念：将一个固定电压的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电称之为DCDC变换，而实现这种功能的电路称之为直流直流斩波波电路路(DCChopper)或称直流一直流直流一直流变换器器（DCDCConverter）。优点：点：直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等。应用：用：用于直流牵引变速拖动中，如无轨电车、地铁列车、电动汽车的控制；用于直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、电子笔记本，计算器等。5一、直流斩波的概念及分类概念：将一个固定电压的直流电变为另56分分类：包括6种基本斩波电路：降压斩波电路（BuckChopper）升压斩波电路（BoostChopper）升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）Cuk斩波电路Sepic斩波电路Zeta斩波电路其中前两种是最基本的电路，本章将对这两种电路作重点介绍，并在此基础上介绍升降压斩波电路和Cuk斩波电路。6分类：包括6种基本斩波电路：67二、基本斩波电路的工作原理最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直流电压加到负载R上，并持续ton时间。当开关（S）断开（即电力电子器件关断）时，负载上的电压为零，并持续toff时间，Tton+toff为斩波电路的工作周期，其输出波形如图4-1所示。7二、基本斩波电路的工作原理最基本的降压斩波电路，以阻性负载78由波形图可得输出电压平均值为ton为S闭合（导通）时间；toff为S断开（关断）时间；Tton+toff为斩波电路的工作周期；为导通占空比，简称占空比或导通比，ton/T当从0变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，输入电流的平均值将是输出电流平均值的倍。可以看出，输出到负载的电压平均值UO与E及有关，可以通过改变来调节UO。其输出电压有效值为（4-1）（4-2）8由波形图可得输出电压平均值为（4-1）（4-2）89若认为斩波器（S）是无损的，则输入功率应与输出功率相等，即（4-3）从直流电源侧看的等效电阻为（4-4）9若认为斩波器（S）是无损的，则输入功率应与输出功率相等，即910三种控制方式据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以有三种控制方式。保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲脉冲宽度度调制（制（PulseWidthModulationPulseWidthModulation，缩写写为PWMPWM）或脉冲）或脉冲调宽型型。保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率率调制或制或调频型型ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型混合型。其中脉宽调制方式应用最多，因为采用频率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。10三种控制方式据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电1011图4-2带感性负载斩波电路当斩波器带感性负载时，应采用图4-2所示电路。图4-1和图4-2都是降压斩波电路。11图4-2 带感性负载斩波电路1112第二节降压斩波电路一、降一、降压斩波压斩波电路工电路工作原理作原理二、主二、主要数量要数量关系关系12第二节 降压斩波电路一、降压斩波电路工作原理二、主要数1213一、降压斩波电路工作原理降压斩波电路（BuckChopper）的原理图如图4-3（a）所示。该电路使用一个全控型器件V，图中所用为IGBT，也可以是其它器件。若采用晶闸管，则需设置使晶闸管关断的辅助电路。图中VD为续流二极管，其作用是在V关断时给负载中的电感电流提供通道。作为降压电路，其输出电压平均值Uo小于输入电压Ud。通过电感中的电流可以连续，也可以不连续，取决于开关频率、滤波电感L和负载电流Io的大小。13一、降压斩波电路工作原理降压斩波电路（Buck Chop13141.电感电流连续在电路的输入端加电压后，需经过一段比较短的时间，才进入稳定工作状态。暂态过程十分复杂，下面只分析稳态过程。图4-3（b）给出了该电路的两种不同的电路工作模式，一个周期中其工作过程按时间了分成两个时间段，分别对应两个模式。动画动画141.电感电流连续在电路的输入端加电压后，需经过一段比较短1415(1)工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，V管被激励导通，VD管要承受反压，故电流IVD迅速下降，而V管电流迅速上升。此过程开关时间很短，可认为瞬间完成。此时电路工作于模式1，如图4-3（b）所示。在V管接通的t1时间内，V管流过的电流就是电感电流，若假定这期间Uo不变，则电感L中的电流直线上升，能量储存于电感中。则有（4-5）（4-6）动画动画15(1)工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，V管1516（2）工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，控制V关断，电感电流经二极管VD续流，此时VD导通，电路工作于模式2，如图4-3（b）所示。假设此时电感电流io按直线规律下降，电感释放能量。则有（4-7）（4-8）动画动画16（2）工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，1617至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。为了使电流连续且脉动小通常使串联的电感L值较大，电路工作在稳态时可使负载电流在一个周期的初值和终值相等。电流连续时波形如图4-3（c）所示。动画动画17至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。动17182.电感电流断续若电路中L值较小或负载很轻或开关频率很低时，会发生电感电流iL在一个周期结束前就下降到零的情况。这样，每个周期开始时，iL必然从零开始上升。这种情况就是不连续导电模式。在电流断续情况下，一个周期分三个时间段。其三个时段的等效电路如图4-4所示。电流不连续时工作波形如图4-5所示。动画动画182.电感电流断续若电路中L值较小或负载很轻或开关频率很低1819二、主要数量关系(连续)1.1.输出出电压和和输入入电压的关系的关系由式（4-5）可得电感上的峰-峰脉动电流为由式（4-7）又可得两者相等，故有将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得(4-11)(4-10)(4-9)(4-8)19二、主要数量关系(连续)1.输出电压和输入电压的关系 19202.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0其输入和输出功率分别为从而有等式两边约去Ud，则有（4-12）202.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有P20213.电感的纹波电流由式（4-9）和式（4-10）可得因此开关时间T可表示为（4-13）由式（4-13）可得电感纹波电流表达式为（4-14）或（4-15）213.电感的纹波电流由式（4-9）和式（4-10）可得21224.输出纹波电压因为iL=iC+io，若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，则iL=iC。因为电容电流一周期的平均值为零，那么在t1/2+t2/2=T/2时间里，电容充电或放电的电荷量为（4-16）因此，电容上电压峰-峰脉动值为（4-17）将式（4-14）或（4-15）代入式（4-17）得（4-18）或（4-19）根据I,UC和f以及其他要求（输入和输出），依据上述公式，可大概的确定L和C值。224.输出纹波电压因为iL=iC+io，若假定负载电流io2223从波形图可以看出，要使电感电流不出现断续，电流峰-峰脉动值I必须大于输出电流的一半。令I=Io/2，可的电感电流连续式电感量临界值（4-20）显然，当输入输出电压确定时，负载电流越大，维持电流连续所需电感量就越大，开关频率越高，电感量也可取得小。当发生电感电流不连续时，输出电压的公式将与上面分析的结果大不相同。23从波形图可以看出，要使电感电流不出现断续，电流峰-峰脉动2324第三节升压斩波电路1一、升压斩一、升压斩波电路的工波电路的工作原理作原理2二、主要数二、主要数量关系量关系24第三节 升压斩波电路1一、升压斩波电路的工作原理2二、主2425应用用场合合举例：例：在有些便携式设备中，如笔记本电脑，内部不同元器件的工作电压可有多种，而供电电池电压只能是一种规格，这就需要直流电压变换，包括升压变换，以满足各元器件的工作电压要求。25应用场合举例：2526一、升压斩波电路的工作原理升压斩波电路（BoostChopper）的原理图及工作波形如图4-6所示。电路中V为全控型器件电力MOSFET，也可以是其他器件。在电感电流连续时，该电路也有两种模式或者说每个周期有两个时段，如图4-6（b）所示。其工作波形如图4-6（c）所示。本节将只讨论电感电流连续式的工作波形和数量关系。动画动画26一、升压斩波电路的工作原理升压斩波电路（Boost Ch26271、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向电感充电，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基本恒定），电路模式及工作波形如图（4-6）所示。因此（4-21）或（4-22）动画动画271、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V27282、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，Ud和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。若假定在此期间的电感电流仍按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uC增加，电容上电流iC=iL-IO，电路模式及工作波形如图（4-6）所示。则有（4-23）或（4-24）动画动画282、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断2829二、主要数量关系(连续)1.1.输出出电压和和输入入电压的关系的关系由式（4-21）和（4-23）可得将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得（4-26）上式中的（1-）1，输出电压高于电源电压，故称电路为升压斩波电路，也称为Boost变换器（BoostConverter）。29二、主要数量关系(连续)1.输出电压和输入电压的关系2930当从0趋近于1时，输出电压从Ud变到任意大。（1-）称为升压比，调节其大小，可改变输出电压U0的大小。将升压比的倒数记作，则+=1因此，式（4-26）可表示为(4-27)30当从0趋近于1时，输出电压从Ud变到任意大。（1-）30312.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0其输入和输出功率分别为从而有等式两边约去Ud，则有（4-28）312.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有P31323.电感的纹波电流由式（4-22）和式（4-24）可得开关时间T可表示（4-29）由式（4-29）可得电感纹波电流表达式为（4-30）或（4-31）323.电感的纹波电流由式（4-22）和式（4-24）可得开32334.输出纹波电压若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容上电压峰-峰脉动值，即（4-32）由式（4-26）可得（4-33）将式（4-33）代入式（4-32）得（4-34）或（4-35）由式（4-26）可知，升压斩波电路的输出电压U0大于电源电压E，其主要有两个原因：一是L储能后具有使电压泵升的作用，二是电容C值较大可将输出电压保持住。334.输出纹波电压若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略3334第四节升降压斩波电路一、升降压斩波一、升降压斩波电路工作原理电路工作原理二、主要数二、主要数量关系量关系34第四节 升降压斩波电路一、升降压斩波二、主要数35一、升降压斩波电路工作原理升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）主要用于：主要用于：特殊的可调直流电源，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压，此输出电压可以高于或低于输入电压升降压斩波电路原理图如图4-7（a）所示。在电感电流连续时，升降压斩波电路工作于如图4-7（b）所示的两种模式，同样指每个周期由两个时段。35一、升降压斩波电路工作原理升降压斩波电路（Boost-B35361、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD反向偏置而关断，电源Ud经V向电感L供电使其贮存能量，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基本恒定），电路模式及工作波形如图（4-7）所示。因此（4-36）或（4-37）361、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V36372、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，L向电容C充电，并向负载R提供能量。因为此时电感电压等于负载电压，而极性为负，电感电流仍按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uC增加，电容上电流iC=iL-IO，电路模式及工作波形如图（4-7）所示。则有（4-38）或（4-39）由上述分析可知，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这种电路也称作反极性斩波电路。372、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断3738二、主要数量关系（连续）1.1.输出出电压和和输入入电压的关系的关系由式（4-36）和（4-38）可得（4-40）将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得（4-41）上式可以看出，当0.5时，输出电压高于输入电压。所以此电路是一个升降压电路，也称为Boost-Buck变换器（Boost-BuckConverter）。38二、主要数量关系（连续）1.输出电压和输入电压的关系38392.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0其输入和输出功率分别为从而有等式两边约去Ud，则有（4-42）392.输出电流与输入电流的关系假设斩波器是无损耗的，则有P39403.电感的纹波电流由式（4-37）和式（4-39）可得开关时间T可表示（4-43）由式（4-43）可得电感纹波电流表达式为（4-44）或（4-45）403.电感的纹波电流由式（4-37）和式（4-39）可得开40414.输出纹波电压若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容上电压峰-峰脉动值，即（4-46）由式（4-26）可得（4-47）将式（4-47）代入式（4-46）得（4-48）或（4-49）414.输出纹波电压若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略4142第五节Cuk斩波电路一、一、Cuk斩波电路斩波电路工作原理工作原理二、主要数量关系二、主要数量关系Cuk42第五节 Cuk斩波电路一、Cuk斩波电路二、主要数量关系4243一、Cuk斩波电路工作原理Cuk电路也是一种升降压混合电路，其输出电压极性与输入电压极性相反，电路如图4-8所示。电路的稳定工作可按图4-8（b）所式的两种模式进行分析，其工作波形如图4-8（c）所示。43一、Cuk斩波电路工作原理Cuk电路也是一种升降压混合电43441、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V。电路模式及工作波形如图（4-8）所示。当V处于通态时，VD反向偏置而关断，此时输入电压加在电感L1两端，电感储能，其电流线性增长（从IL11到IL12），即有（4-50）或（4-51）同时，在此期间，电容C1上的电压使VD管反偏置，并且通过负载和电感L2释放能量，负载获得反极性电压。有电路可知，在这种电路结构中，V管和二极管VD是同步工作的，即V管导通，VD截止；V管截止，VD则导通。441、工作模式1（0tt1=T）设t=0时刻，导通V44452、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，电路模式及工作波形如图（4-8）所示。L1释放能量，向电容C1充电，电容两端平均电压大于输入电压，所以电感L1电流iL1下降，假设仍按直线规律下降（从IL12下降到IL11），则有（4-52）或（4-53）其中，UC1为电容C1上的平均电压值。452、工作模式2（t1=TtT）设t=t1时刻，关断4546下面分析电感L2中电流的变化情况，假定电感L2中电流的变化也是按线性规律进行的，而且连续，则在0，T期间有(4-54)或（4-55）在T，T期间有（4-56）（4-57）46下面分析电感L2中电流的变化情况，假定电感L2中电流的变4647二、主要数量关系（连续）1 1、输出出电压和和输入入电压的关系的关系考虑式（4-50）和式（4-52），则有（4-58）将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理（4-59）由式（4-54）和式（4-56）可得（4-60）47二、主要数量关系（连续）1、输出电压和输入电压的关系4748将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得（4-61）令式（4-59）等于式（4-61），则得(4-62)式（4-62）的结果与Buck-Boost电路的是一样的。48将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得48492、输出电流与输入电流的关系按上节分析可得（4-63）492、输出电流与输入电流的关系按上节分析可得49503.两个电感的纹波电流由式（4-51）和式（4-53）可得开关时间T可表示为（4-64）由式（4-64）可得电感L1纹波电流表达式为（4-65）或（4-66）503.两个电感的纹波电流由式（4-51）和式（4-53）可5051由式（4-55）和式（4-57）可得开关时间T可表示为（4-67）由式（4-67）可得电感L2纹波电流表达式为（4-68）或（4-69）51由式（4-55）和式（4-57）可得开关时间T可表示为51524.电容的峰-峰脉动电压当V管关断时，对电容C1的充电电流平均值为IC1=I，故电容C1上电压峰-峰脉动值为（4-70）将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得（4-71）或（4-72）524.电容的峰-峰脉动电压当V管关断时，对电容C1的充电电5253若假定负载电流io的脉动可以忽略，即iL2=iC2，那么在T/2期间，通过C2的充电电流平均值为IC2=I2/4，故有（4-73）将式（4-69）代入上式得（4-74）Cuk电路是借助电容来传输能量的，而Buck-Boost电路是借助电感来传输能量的。当V导通时，两个电感的电流都要通过它，因此通过V管的峰值电流比较大。因为传输能量是通过C1，所以电容C1中的脉动电流也比较大。53若假定负载电流io的脉动可以忽略，即iL2=iC2，5354第六节降压式变换器SIMULINK仿真降压式变换器的电路原理图如图4-9所示。工作时，可能出现的三种拓扑如图4-9(a)、(b)和(c)所示。根据图4-9所示的工作拓扑，我们可以很容易得出图4-10所示的降压式变换器模型。54第六节 降压式变换器SIMULINK仿真降压式变换器的5455电感电流过零以后，由于不能够变成负值，所以使用了一个Switch模板如图4-11所示。Switch模板设置的参数只有一个Threshold(阈值)，当控制端2的值大于或等于Threshold时，输入端1与输出端连通，否则输入端3与输出端连通。这样，在建立降压式变换器模型时，由于电感电流过零后将保持零，因此将Switch模板的输入端1和输入端2连接到电感电流的计算值，将输入端3接一个零值。55电感电流过零以后，由于不能够变成负值，所以使用了一个Sw5556仿真的参数如下：电感L200uH，电容C50bF，负载电阻R5，控制频率f10kHz。仿真结果如图4-12所示。56仿真的参数如下：电感L200uH，电容C50bF，负565757Thank You!58图4-1基本降压斩波电路及其波形（a）电路（b）波形（R负载）58图4-1 基本降压斩波电路及其波形（a）电路 5859图4-2带感性负载斩波电路59图4-2 带感性负载斩波电路 5960图4-3降压斩波电路及其波形（a）电路（b）工作模式（c）电流连续时波形60图4-3 降压斩波电路及其波形（a）电路（b）工作模6061图4-3降压斩波电路及其波形（a）电路61图4-3 降压斩波电路及其波形（a）电路6162图4-3降压斩波电路及其波形（b）工作模式62图4-3 降压斩波电路及其波形（b）工作模式6263图4-3降压斩波电路及其波形（c）电流连续时波形63图4-3 降压斩波电路及其波形（c）电流连续时波形6364图4-4电流断续时等效电路64图4-4 电流断续时等效电路 6465图4-5电流断续工作波形65图4-5 电流断续工作波形 6566图4-6升压斩波电路及其波形（a）电路（b）工作模式（c）波形66图4-6升压斩波电路及其波形（a）电路 （b）工作模6667图4-6升压斩波电路及其波形（a）电路67图4-6升压斩波电路及其波形（a）电路6768图4-6升压斩波电路及其波形（b）工作模式68图4-6升压斩波电路及其波形（b）工作模式6869图4-6升压斩波电路及其波形（c）波形69图4-6升压斩波电路及其波形（c）波形6970图4-7升降压斩波电路及其波形（a）电路（b）工作模式（c）波形70图4-7 升降压斩波电路及其波形（a）电路 （b）7071图4-7升降压斩波电路及其波形（a）电路71图4-7 升降压斩波电路及其波形（a）电路7172图4-7升降压斩波电路及其波形（b）工作模式72图4-7 升降压斩波电路及其波形（b）工作模式7273图4-7升降压斩波电路及其波形（c）波形73图4-7 升降压斩波电路及其波形（c）波形7374图4-8Cuk斩波电路及其波形（a）电路（b）工作模式（c）波形74图4-8 Cuk斩波电路及其波形（a）电路 （b）7475图4-8Cuk斩波电路及其波形（a）电路75图4-8 Cuk斩波电路及其波形（a）电路7576图4-8Cuk斩波电路及其波形（b）工作模式76图4-8 Cuk斩波电路及其波形（b）工作模式7677图4-8Cuk斩波电路及其波形（c）波形77图4-8 Cuk斩波电路及其波形（c）波形7778图4-9降压式变换器的电路原理图78图4-9 降压式变换器的电路原理图 7879图4-10降压式变压器模型图79图4-10降压式变压器模型图 7980图4-11Switch模板的参数说明80图4-11 Switch模板的参数说明 8081图4-12降压式变压器的仿真结果81图4-12 降压式变压器的仿真结果 81