直流变换电路

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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。,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。,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,带隔离变压器的直流变换器,3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,第,3,章,直流变换电路,3.1,直流变换电路的工作原理,工作原理：,图中,S,是可控开关，,R,为纯阻性负载。在时间内当开关,S,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,T,S,为开关,T,的工作周期，,t,on,为导通时间。,由波形图可得到,输出电压平均值,为,若认为开关,T,无损耗，则,输入功率,为,式（,3.1.2,）中,U,d,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,U,O,总是小于输入电压,U,d,，,改变,D,值就可以改变其大小。,占空比的改变：,通过改变,t,on,或,T,S,来实现。,图,3.1.1,基本的斩波器电路,及其负载波形,（3.1.2）,（3.1.1）,（3.1.3）,直流变换电路的常用工作方式主要有两种：,脉冲频率调制,(PFM),工作方式：,即维持,T,on,不变，改变,T,S,。,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：,即维持,T,S,不变，改变,T,on,。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。,3.1,直流变换电路的工作原理,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,带隔离变压器的直流变换器,3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,第,3,章,直流变换电路,3.2,降压变换电路,原理图,续流二极管,全控型电力器件,输入直流电压,滤波电感,滤波电容,负载,3.2,降压变换电路,导通,期间（,t,on,）：,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（,t,off,）：,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；,由波形图,3.2.1(b),可以计算出,输出电压的平均值,为：,图,3.2.1,降压电路及其波形图,(,3.2.3,),忽略器件功率损耗，即,输入输出电流关系,为：,电感中的电流,i,L,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,图3.2.2 电感电流波形图,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,3.2,降压变换电路,(3.2.4),1）电感电流,i,L,连续模式：,在,t,on,期间,:,电感上的电压为,由于电感,L,和电容,C,无损耗，因此,i,L,从,I,1,线性增长至,I,2,，,上式可以写成,式中,I,L,=I,2,I,1,为电感上电流的变化量，,U,O,为输出电压的平均值。,3.2,降压变换电路,(3.2.5),(3.2.6),(3.2.7),(3.2.8),(3.2.9),1）电感电流,i,L,连续模式：,在,t,off,期间,:,假设电感中的电流,i,L,从,I,2,线性下降到,I,1,，,则有,根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期,S,为,上式中,I,L,为流过电感电流的峰峰值，最大为,I,2,，,最小为,I,1,。,电感电流一周期内的平均值与负载电流,I,O,相等，即将式,(3.2.7),、,(3.2.8),同时代入关系式,I,L,=I,2,I,1,可得,2,）电感电流,i,L,临界连续状态：,变换电路工作在临界连续状态时，即有,I,1,=0,，,由,可得维持电流临界连续的电感值,L,0,为：,即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：,式中,I,ok,为电感电流临界连续时的负载电流平均值。,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,I,o,I,ok,时，电感电流连续；,当实际负载电流,I,o,=I,ok,时，电感电流处于连续（有断流临界点）,;,当实际负载电流,I,o,I,ok,时，电感电流断流；,3.2,降压变换电路,(3.2.10),(3.2.11),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,U,0,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,其中,f,为,buck,电路的开关频率，,f,c,为电路的截止频率。,它表明通过选择合适的,L,、,C,值，当满足,f,c,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。,3.2,降压变换电路,（3.2.14）,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,带隔离变压器的直流变换器,3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,第,3,章,直流变换电路,3.3,升压变换电路,1),定义：,直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫,Boost,电路。,全控型电力器件开关,储能,保持输出电压,2）原理图,3,）工作原理：,t,on,工作期间：,二极管反偏,截止，电感,L,储能，电容,C,给负载,R,提供能量。,t,off,工作期间：,二极管,导通，电感,L,经二极管给,电容充电，并向负载,R,L,提,供能量。,可得：,式中占空比,D=t,on,/T,S,，当,D=0,时，,U,0,=U,d,，但,D,不能为,1,，因此在,0D,1,的变化范围内,U,o,U,in,3.3,升压变换电路,图,3.3.1,升压变换电路及其波形,4,）,Buck,变换器的可能运行情况：,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,为：,当实际负载电流,I,o,I,ck,时，电感电流连续。,当实际负载电流,I,o,=,I,ck,时,电感电流处于临界连续,(,有断流临界点,),。,当实际负载电流,I,o,I,ck,时，电感电流断流,。,3.3,升压变换电路,(2.3.11),T,导通时为电感,L,储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容,C,的能量维待工作。,T,阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容,C,充电,。,图,3.3.1,升压变换电路及其波形,3.3,升压变换电路,总结：电感电流连续时,Boost,变换器的工作分为两个阶段:,没有电压闭环调节的,Boost,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,T,导通期间,(),电源输入到电感,L,中的磁能，在,T,截止期间通过二极管,D,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大，负载电流太小，这时若占空比,D,仍不减小、,t,on,不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。,3.3,升压变换电路,总 结：,Boost,电路对电源的输人电流（也即通过二极管,D,的,电流）就是升压电感,L,电流，电流平均值为：,I,0,=(I,2,-I,1,)/2。,实际中，选择电感电流的增量,I,L,时，应使电感的,峰值电流,I,d,+I,L,不大于最大平均直流输入电流,I,d,的20%，,以防止电感,L,饱和失效。,Boost,变换器的效率很高，一般可达92%以上。,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,带隔离变压器的直流变换器,3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,第,3,章,直流变换电路,3.4,升降压变换电路,1),概述：,升降压变换电路（又称,Buck-boost,电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图,3.4.1(a),所示。,它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。,图,3.4.1升降压变换电路原理图,3.4,升降压变换电路,2,）工作原理：,t,on,期间，二极管,D,反偏而关断，电感储能，滤波电容,C,向负载提供能量。,t,off,期间，当感应电动势大小超过输出电压,U,0,时，二极管,D,导通，电感经,D,向,C,和,R,L,反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。,图,3.4.1,升降压变换电路及其工作波形,(3.4.4),(3.4.1),3.4,升降压变换电路,2,）工作原理：（,续）,在,t,on,期间电感电流的增加量等于,t,off,期间的减少量，,得：,由,的关系，求出输出电压的平均值为：,上式中，,D,为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当,D=0.5,时，,U,0,=U,d,；,当,0.5DU,d,，,为升压变换；当,0D0.5,时，,U,0,u,c,时，,T,1,和,T,4,导通，,T,2,和,T,3,关断；,2),当,u,r,u,c,时，开关,T,1,、,T,4,关断，,T,2,、,T,3,导通。,图3.6.5 全桥变换电路,图,3.7.2,双极性电压,PWM,控制方式,1、,双极性电压开关,PWM,控制方式,输出电压的平均值为：,变换电路的输出电压可在,-,U,d,到,+,U,d,之间变化,:,1,）时，,U,0,=0,；,2,）,时，,U,0,0,；,3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,1,）在理想条件下，,U,0,的大小和极性只受占空比,D,1,的控制，而与输出电流,i,0,无关。,2,）,在这种控制方式中，输出电压的平均值,U,0,随控制信号,u,r,线性变化。,3,）这种电路平均输出电流,I,0,可正可负。在,I,0,0,时，直流电源,U,d,向负载,U,0,端传送能量，在,I,0,，,T,1,触发导通，,T,2,关断,u,0,=U,d,；,2),若,0,或,I,0,0,，U,0,始终为正值。,(3.7.7),3.7,直流变换电路的,PWM,控制技术,