第3章 直流电压变换电路

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3.1.2

直流电压变换电路的控制方式


①脉宽调制(PWM)工作方式： 即保持电路频率 f不变(f=1/T)，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 滤波器的设计容易。 ②脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即保持ton不变，改变T(f)。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。 ③混合调制控制方式：ton和T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 产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。
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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 ) 2 fc 2 (1 )( ) 2 U 0 8LCf 2 f
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。
调制信号uc
utr、uc utr uc
载波utr
UD
PWM波形
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3）直流PWM控制方式：用utr对直流变换电路开关器件的通断
进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如果这些脉冲 的频率不变而宽度变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流 电压。 调节直流调制信号uc的大小，就可以改变PWM波脉冲的宽度。
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3.2
原理图
降压直流电压变换电路
滤波电感
输入直 流电压
负载
滤波电容 续流二极管
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触发脉冲在t=0时，使开 关S导通，在ton导通期 间电感L中有电流流过， 电流按指数曲线缓慢上 升，其等效电路如图3.2 （b）负载电压等于电 源电压UD。当触发脉冲 在t=αT时刻使开关S断 开而处于toff期间，负载 电流经续流二极管VD释 能，输出电压近似为零， 负载电流呈指数曲线下 降，其等效电路如图3.2 （c）所示。图3.2（d） 是各电量的工作波形图。

图3.4 升压变换电路及波形
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4）Buck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 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：
I OK


T
2 LO
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(有断流临界点)。 当实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。
2LO 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α都有关。 I OK U DT
Lo
U DT
(1 )
(1 )
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，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流Io ＜Iok时，电感电流断流；
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3.3

升压变换电路
1)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 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 升压斩波电路。 2）原理图
全控型电力 器件开关 储能
保持输出电压
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3）工作原理： ton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。 toff工作期间：二极管VD 导通，电感L经二极管VD给 电容充电，并向负载RL提 供能量。 可得： ton toff UD U 0＝ UD toff 1 式中占空比α=ton/TS，当 α=0时，U0=Ud，但α不能 为1，因此在 0≤α＜1的变化范围内 Uo≥Uin
αT
图3.2降压变换电路及其波形图
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Buck变换器的运行情况：
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
图3.3 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。
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1）电感电流iL连续模式
在ton期间
：
d iL dt
:电感上的电压为
uL L
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第3章 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 3.2 降压直流电压变换电路 3.3 升压直流电压变换电路 3.4 直流变换降压-升压复合型直流变换电路 3.5 库克直流电压变换电路 3.6 直流变换电路的PWM控制技术 3.7 直流开关电源的应用
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3.1 直流电压变换电路的基本原理及控制方式

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3.5

库克直流电压变换电路
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：输入和输出回路中都有电感，输出电压波纹 较小，从输入电源吸取的电流波纹也较小。输出电压极性与 输入电压相反，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的 要求。电路形式如图3.6(a)所示，
耦合电容 快速恢复续流二 极管 滤波电容
3.1.1 直流电压变换电路的基本原理

工作原理：图中S是可控开关，UD是恒定直流电
压电源 ，R为负载。当开关S闭合时，UO=UR=UD， 并持续ton时间。当开关切断时， UO=UR=0，并持 续，由图可得，直流变换电路输出电压的平均值为
Uo U D t on t U D on U D t off t on T


T为开关S的工作周期，ton为导通时间， toff为关断 时间。 α是变换电路的工作频率或开关的占空比 t on 输出功率为 T
S

2 1 T UD PO u0i0 dt T 0 R
图3.1直流电压变换电路原 理图及输出波形图
输出电压平均值的改变：因为α是0～1之间变化的系数，因此在α的变化范 围内输出电压UO总是小于输入电压UD，改变α值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或T来实现。
I 2 I1 I0 2
I1 I 0 U DT 2L
(1 )
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2）电感电流iL临界连续状态：
变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 可得维持电流临界连续的电感值L0为：
I1 I 0
UDT 2L
(1 )
2I 0 K 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
I L UO L t off
根据上式可求出开关周期Ｔ为
t off L
I L UO
T
1 I L LUD ton toff f U O (UD U O） U O (UD U O ) U D (1 ) fLU D fL
I L

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△IL和I0式△IL= I2 －I1可得
L1、L2储能电感
图3.6（a）库克(Cuk)变换电路原理图
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晶闸管 开通
晶闸管 关断
图3.6 库克电路及其工作波形
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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VD的电流连续或断流。 2）工作情况
电流连续：在开关管S的关断时间内，二极管电流总是大于零。
UD 1
上式中，α为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当α=0.5时， U0=UD；当0.5<α<1时，U0>UD，为升压变换；当0≤α<0.5时， U0<UD，为降压变换。
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（续工作原理） 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： （ 1－） L0 UD 2 fI 0 K 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)。 实际负载电流Io＜Iok时，电感电流断流。
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小 结： 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 ( ton T )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。
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 U O L 2 L ton ton
ton (I L ) L UD U O
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。
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在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有
电流断流：在开关管S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T的开通时刻二极管 电流正好降为零。 在Cuk变换电路中只要电容C足够大，输入、输出电流都是连续平 滑的，有效地降低了交流纹波，降低了对滤波电路的要求，使其得到 了广泛的应用。
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3.6
直流变换电路的PWM控制技术
直流PWM控制的基本原理