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第3章 直流变换电路第二讲综述

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《直流变换电路》课件

《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。
THANKS
感谢您的观看
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

第三章直流变换电路

第三章直流变换电路

UO
1 TS
TS 0
ud
dt
ton TS
U
d
DU d
若认为开关T无损耗，则输出功率为
P0
1 TS
DTS 0
u0i0dt
D
U
2 d
R
式中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。
占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
直流斩波系统结构图 2、分类： 按稳压控制方式分为:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)、脉 冲频率调制(Pulse Frequence Modulation,PFM)直流变换电路。 按变换器的功能分为:降压变换电路(Buck Converter)、升压变换电路 (Boost Converter)、降压-升压变换电路(Buck-Boost Converter)、库克 变换电路(Cuk Converter)和全桥直流变换电路(Full Bridge Converter)。
即维持TS不变，改变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比较容易。
3.2 降压变换电路（Buck电路）
降压变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直 流电压的变换电路，又称为Buck变换器。
一、电路结构
全控型电力 电子器件
滤波电感（平 波电抗器）
U 0
L
diL dt
对应波形图的B区。电感中的电流近似线性下降，输出电压可表示为：
U0
L diL dt
L I1 I2 toff

电力电子技术第4版第3 直流变换电路-精选文档

电力电子技术第4版第3 直流变换电路-精选文档

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。 t on D TS （3.1.1） 电路中开关的占空比 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 T t S on U u dt U DU （3.1. 2） O d d d 0 T S 若认为开关T无损耗，则输入功率为 2 U 1 DT d （3.1.3） P u i dt D 0 0 0 T R S 式（3.1.2）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。 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
3.2
降压变换电路
1）电感电流iL连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由(3.2.9)式可得维持电 流临界连续的电感值L0为： U T d S L D ( 1D ) (3.2.10) o 2 I0K 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： UT (3.2.11) IOK d S D ( 1D ) 2 L O 式中Iok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。
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 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DCDC变换电路

第3章DCDC变换电路

3.2.3 升降压变换电路 —— Buck-boost电路
在ton期间，开关管T导通，二极管D反偏而关断，滤波电容C向负载提供能量
Ud
L
I2 I1 ton
L I L ton
L
ton
Ud
I L
在toff期间，开关管T关断。由于电感L中的电流不能突变，L上产生上负下正的 感应电动势，当感应电动势大小超过输出电压Uo时，二极管D导通，电感经D向C和 R反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反
Ud
电感电流临界连续时的负载电流平均值为
I ok
DTS 2L
Ud
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，电感电流处于临界连续状态。 当实际负载电流时Io <Iok，电感电流断续。
2L D(1 D) RTS 2L
D(1 D) RTS
2L D(1 D) RTS
3.1 直流PWM控制技术基础
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念
如图基本的直流变换电路，当 开关管T在ton时间接通时，电流 id经负载电阻R流过，R两端就 有电压uo；开关管T在toff时间断 开时，R中电流io为零，电压uo 也就变为零
定义上述电路中占空比D为
D ton ton Ts ton toff
2．直流PWM波形的生成方法
生成PWM波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。计算法是在每个时间 段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器 件进行开关控制而获得PWM波形。调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较 来确定各脉冲宽度信息进而生成PWM波形。 如图所示：
返回
流电源US，电动机作为发电机将原动机的机械能转换为电能经斩波器送至直流电 源US。斩波器的T4、D3构成一个升压斩波器。

DC-DC变换电路

DC-DC变换电路

ID
IL (1
D)
1 2
IL (1
D)
Uo D(1 D)2TS 2L
电感电流连续的临界条件推导
二极管VD电流的开关周期平均 值等于负载电流Io。
Io ID
Uo UoD(1 D)2TS
R
2L
L
临界条件： RTS
D(1 D)2 2
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式(DCM)
现代功率变换技术
第三讲 直流-直流变换
第三讲 直流-直流变换
将大小固定的直流电压变换成可调的直流电压 的变换称为DC/DC变换。
具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称 为DC/DC变换器（DC/DC Converter）
直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源，特 别是在电力牵引上，如地铁、电气机车等。
1
UL TS
TS 0
uLdt
(Ui
Uo )ton TS
Uotoff
=0
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
Uo ton D Ui TS
0 D1
I1
ton TS
Io
DIo
Ui I1 Ui DIo Uo Io
输出功率等于输入功率，可 将降压斩波器看作直流降压变压 器。
一、直接DC/DC变换器
DTS
Ui Uo
D
Uo R
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM) 输出电压：
1 2
(Ui
Uo) L
DTS
Ui Uo
D
Uo R
(Ui )2 Ui 2L 0 Uo Uo D2TS R

直流变换电路

直流变换电路

UO 2.5 IO 5( A) R 0.5
I O min UO R R 0.5 2.5 6 1 (1 D ) T 1 (1 0.25) 20 10 4.98( A) s 3 2L 0.5 2 1 10
输出电压的脉动量
Q U O (1 D) U O C 8LCf s 2
LC滤波器的谐振频率
fc
故
1 2 LC
2 2
UO (1 D) fc = 1 D 2 UO 8LCf s 2 fs 可见：增加开关频率，增大滤波参数，可减小输出电压的脉 动。
P 1500 UI R O ② 45 0.1 U I RI I U I 0.9 45 0.66 D 1 1 1 UO UO 120
即电路可以输出120V的电压。
3.4 复合型直流变换电路
输出电压可大于或小于输入电压；
输出电压和输入电压极性相反。
3.4.1 降升压斩波电路（Buck-Boost变换电路）
设变换器的损耗为零，则
uI t
0 uO 0
1 iL 2
Q UO
t
UO IO U I I I
Ton
Toff
Ts
t
UO I I M D U I IO
由于IO=UO/R，则
I L max
UO 1 I O iL 2 R
R 1 2 L (1 D )Ts
1. 降压原理 在Ton期间，uG>0，VT导通， VD截止，uo=UI 。 在Toff期间，uG≤0，VT关断， VD导通，uo=0 。
UI
iI
VT UG VD
iD

《电力电子技术》第3章 直流-直流变换电路

★理想开关。所有电力电子元器件都具有理想特性：无损 耗、无惯性。即通态电阻为零、管压降为零，断态电阻为 无穷大、漏电流为零，且开通和关断时间瞬间完成，开关 损耗零。
★理想电源。直流电源是内阻为零的恒压源。
注意：实际情况，不存在理想元器件！
3-3
3.1 直流-直流变换电路的工作原理
最基本的直流-直流变换电路
第3章 直流-直流变换电路
3.1 直流-直流变换电路的工作原理 3.2 基本斩波电路 3.3 间接直流-直流变换电路 3.4 直流-直流变换电路的应用
3-1
第3章 直流-直流变换电路·引言
直流-直流变换电路：将一种直流电变换为另一电压固定
或电压可变的直流电。
按电能变换方式分类
★ 直接直流变换电路：将一种直流电直接变换为另一固定电 压或可调电压的直流电，也称为直流斩波电路(DC Chopper) ，输入输出之间无隔离。 ★ 间接直流变换电路：直流输入和输出之间加入交流环节， 通常采用变压器实现隔离。
I1Hale Waihona Puke I2E EmR
Io
上式说明电感L无穷大时，负载电流的最大值、最小值 相等，都等于负载电流的平均值，即当电感值极大时 ，负载电流几乎为幅值为 Io 的一条水平线。
3-12
3.2.1 降压斩波电路
假设负载中电感值较小，则有可能出现电流断续的情况。
因为电流断续时有 I1 0 ，当 t ton ts 时，i2 0 ，则
周期T来实现 。
根据对输出电压调制方式不同，斩波电路控制方式有三种：
➢ 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）方式：保持
开关周期T不变，控制开关导通时间ton 。 ➢ 频率调制方式：保持开关导通时间 ton 不变，改变开关周期

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。

电力电子技术第3章直流交流变换电路课件

2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改 变极性，且有 E U（d 外部条件）。
3、逆变角β
逆变时的控制角称为逆变角β，规定以α=π处作为
计量β角的起点，大小由计量起点向左计算。满足
如下关系：
3.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制
1、逆变失败 可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相
3.3.1 电压型和电流型无源逆变电路
交-直-交变频器是把工频交流电先通过整流器整
成直流，然后再通过无源逆变器，把直流电逆变成 图3-7 电压型逆变电路
图3-8 电流型逆变电路
频率可调的交流电。
根据交-直-交变压变频器的中间滤波环节是采用电 容性元件或是电感性元件，可以将交-直-交变频器 分为电压型变频器和电流型变频器两大类。
（a）α=60°的整流状态
（b）α=120°的逆变状态
单相双半波电路α=60°的整流和α=120°的逆变时的仿真波形
要使整流电路工作在逆变状态，须满足两个条件： 1）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。 由于晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向， 为实现有源逆变，须改变Ud的极性。即让变流器的 控制角α＞90°即可。
3.1 逆变的概念
逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。 按负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。 1）有源逆变——把逆变电路的输出接到交流电源上， 把经逆变得到的与交流电源同频率的交流电能返送到 该电源中，这样的逆变称作有源逆变。 2）无源逆变或变频——把直流电变换为交流电能， 直接向非电源负载供电的电路，称为无源逆变电路。
Id X B
2U
2
s
in
m
根据α= π-β，设 β=γ，则 ：
cos 1 Id X B来自2U2sinm

第3章交流-直流变换电路


江西工程学院
（4）晶闸管的电流平均值IdT与晶闸管电流有效值IT
I dT
1 Id 2
1 π 1 sin 2 I2 4π 2π 2
U2 IT R
（5） 功率因数cosφ
P UI cos S U2I

1 π sin 2 2π π
显然功率因数与α相关，α=0º时，cosφ =1。

江西工程学院
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以上分析可看出，电感性负载加续流二极管后， 输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极 管可起到提高输出电压的作用。在大电感负载时 负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管 的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形 波。
对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整 流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载 相同，为0～180º ，且有α+θ=180º 。

单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二 次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：
U2 I IT I2 R
1 π sin 2 4π 2π
江西工程学院
（4）功率因数cosφ

整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在 功率的比值
P UI 2 cos S U2I2 1 π sin 2 4π 2π
江西 续流二极管）
1、电路结构 电感性负载加 续流二极管的 电路如图所示。
江西工程学院
2、工作原理

在电源电压正半波，电压u2＞0，晶闸管uAK＞0。在ωt=α 处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输 出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而 关断。 在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通 续流，此时电压u2 ＜0， u2通过续流二极管VD使晶闸管 承受反向电压而关断，负载两端的输出电压为续流二极管 的管压降，如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一 周期晶闸管导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。
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电容
快速恢复续 流二极管
滤波电容
图3.5.1（a）库克(Cuk)变换电路原理图
• 1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。 • 2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出
入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部 滤波器的要求。
3.5 库克变换电路
晶闸管 开通
晶闸管 关断
图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形
• 2）工作原理：（续）
➢ 在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，
• 得：
Ud L
ton
U0 L
toff
由
ton DTS
均值为：
toff (1 D)TS 的关系，求出输出电压的平
U0
－ 1
D D
U
d
(3.4.5)
上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反 相U为0；降>当压UdD变，=换为0。.升5压时变，换U0；=当Ud0；≤当D<0.05.<5时D<，1U时0<，Ud，
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：
• ①而关to断n期，间电，感二储极能管，D滤反波偏 电容C向负载提供能量。
3.5 库克变换电路
1） Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作 情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指 流过二极管D的电流连续或断流。
2）工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电
流总是大于零。 电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电
流在一段时间内为零。
临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流正好降 为零。
3.4 升降压变换电路
➢3）工作原理：（续）
➢ 采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界 连续时的负载电流平均值为：
L0
D（1－D）U 2 fI 0K
Байду номын сангаас
d
(3.4.5)
➢ 变换器的可能运行情况：
实际负载电流Io＞Iok时，电感电流连续。 实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。
调制信号
载波
图3.7.1 PWM波形
UO
N2 N1
D 1 DUd
(3.6.1)
一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器
3.6.2 正激式变换器
图3.6.2 正激式变换器电路
变换器的输出电压为：U O
N2 N1
DU
d
(3.6.2)
该电路的占空比D不能超过0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器
3.6.3 推挽式变换器（属正激式变换器）
图3.6.3 推挽式变换器电路
其工作占空比必须保持小于0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器
3.6.4 半桥式变换器
图3.6.4 半桥变换电路原理图
3.6 带隔离变压器的直流变换器
3.6.5 全桥变换电路
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关 管，并配上适当的驱动器，即可组成图3.6.5所示的全桥 电路。
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 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
3.6 带隔离变压器的直流变换器
1、引入变压器作用：
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全可靠性和电磁兼 容性。
图3.6.5 全桥变换电路
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 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
3.7 直流变换电路的PWM控制技术
3.7.1 直流PWM控制的基本原理
实际负载电流Io＜Iok时，电感电流断流。
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 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
3.5 库克变换电路
L1、L2储能
电感
耦合
调制信号
载波
图3.7.1 PWM波形
3.7.1 直流PWM控制的基本原理
1）PWM波形：将一个直流电压分成N等份，并把每一等 份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉 冲来代替，得到的脉冲列；
2）调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且 左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到 一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲。
2）选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与 负载所需的输出电压Uo ，能使直流变换器的占空 比D数值适中而不至于接近于零或接近于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。
3.6 带隔离变压器的直流变换器
2、分类：
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向变化；
Ud
L I2 I1 ton
L I L ton
(3.4.1)
② toff期间，当感应电动 势大小超过输出电压U0时， 二极管D导通，电感经D向C 和RL反向放电，使输出电 压的极性与输入电压相反。
U0
－L I L t off
(3.4.4)
图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形
3.4 升降压变换电路
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 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
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
2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直 接传送至负载；
3）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；
3.6 带隔离变压器的直流变换器
3.6.1 反激式变换器
图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形
反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压U 为： O