直流变换电路详解

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； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输 出电压的平均值为：
TS 1 TS 1 ton U0 u0 (t )dt ( ud dt 0 dt ) t on TS 0 TS 0 t on U d DUd TS
图3.3.1 升压变换电路及其波形
总 结：
3.3
升压变换电路
① 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：I0=(I2-I1)/2。 ② 实际中，选择电感电流的增量△IL时，应使电感的 峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%， 以防止电感L饱和失效。 ③ 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 ( t on DTS )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、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增 加。 ④ Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。
第3章 直流变换电路
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
原理图
滤波电感
3.2
降压变换电路
滤波电容
输入直 流电压
负载
续流二极管
3.2
降压变换电路
第3章 直流变换电路
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
• 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。
(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
：
t off L I L UO
(3.2.6) (3.2.7)
1）电感电流iL连续模式
UO L I L t off
在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
(3.2.5)
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
uL L
di L dt
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 I I1 I L Ud UO L 2 L t on t on
t on ( I L ) L Ud UO
D
ton （3.1.1） 电路中开关的占空比 TS • TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。
S
由波形图可得到输出电压平均值为 T t • U O ud dt on U d DU d （3.1. 2） 0
TS
若认为开关T无损耗，则输入功率为 2 Ud 1 DTS P u0 i 0 dt D （3.1.3） 0 TS R
根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为
TS
I L LU d 1 t on t off f U O (U d U O）
U O (U d U O ) U d D(1 D) I L fLU d fL

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
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
U 0 (1 D) 2 fc 2 (1 D)( ) 2 U0 2 f 8 LCf
（3.2.14）

忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：
IO Ud 1 Id Id UO D
(3.2.3)
图3.2.1 降压电路及其波形图
Buck变换器的可能运行情况：
3.2
降压变换电路
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。
• 直流变换电路的常用工作方式主要有两种： • ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： • 即维持不变，改变 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。 • ② 脉宽调制(PWM)工作方式： • 即维持 TS 不变，改变。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。
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。
图3.1.1 基本的斩波器电路
及其负载波形
3.1
直流变换电路的工作原理
D U0 － Ud 1 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；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5<D<1时， U0>Ud，为升压变换；当0≤D<0.5时，U0<Ud， 为降压变换。
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：
第3章 直流变换电路
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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。
3.5 库克变换电路
第3章 直流变换电路
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1、定义：
第3章 直流变换电路
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。
U 0 －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.4升降压变换电路• 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 U t on 0 t off L L
t on DTS t off (1 D)TS 的关系，求出输出电压的平 由 均值为：
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。
第3章 直流变换电路
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D（ 1－D） L0 Ud 2 fI 0 K
(3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流Io＞Ick时，电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。 实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
第3章 直流变换电路
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I OK
DTS Ud 2 LO
(2.3.11)
当实际负载电流Io＞Ick时，电感电流连续。 当实际负载电流Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临界点)。 当实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
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: ① 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。 ② T阻断时，电源和 电感共同向负载供 电，同时给电容 C 充电。