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陈坚--电力电子学(第三章----直流直流变换器)

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电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第3 章

直流/直流变换器3 直流/直流变换器3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器）3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4 两象限、四象限直流/直流变换器*3.5 多相、多重直流/直流变换器3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器小结3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）3.1.1 电路结构和降压原理3.1.2 电感电流连续时工作特性3.1.3 电感电流断流时工作特性如何实现降压变换？RLs

V

ViROO

SVCE

R

R

LgI

ViOO

SVRLgI

TO

Vi

OOR

iV+

TE

GD

ii

gVi

oiCCi

buck电路图-

+-LLi

lvEO

v

Coo

VO3.1.1 电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器2.降压原理3.控制方式4.输出电压LC滤波

全控型开关管

续流二极管LC输出滤波

负载

Buck变换器电路1. 理想的电力电子变换器为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：

（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；

（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。

OOSSIVIV2. 降压原理对开关管T加驱动信号VG ,开关周期为TS

SSoffonSODVVTTVV

2VG>0, T管导通SLDSEOiiiV0

Son

DTTVG=0, T管阻断

LDEOii

0SonSoffTDTTT)1(输出电压1)-(3 )cos()(10nnEOtnaCt

2)-(3 221 21)(2120sSSEOoODVDVVtdvCV

变压比为M3)-(3 2/SSSOVDVMVV

n次谐波幅值4)-(3 )sin(2)2sin(2nDnVnnVaSSn

5)-(3 )cos()sin(2)(1nSSEOtnnDnVDVtV输出电压的直流平均值

将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中3.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，即可改变变压比M, 调节或控制输出电压VO。

(1) 脉冲宽度调制方式PWM (Pulse Width Modulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2) 脉冲频率调制方式PFM（Pulse Frequency Modulation）脉宽不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？全控型开关管续流二极管LC输出滤波

负载

Buck变换器电路

4.输出电压LC滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻

滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。

Q：如何选取LC？

直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。

3.1.2 电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(Continuous Current Mode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（Discontinuous Current Mode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。1.电流连续时只有两种开关状态6)-(3 OSLSVVdtdiLdtdiL7)-(3 DLfVVTDLVVTLVViSOSSOSonOSL

9)-(3 )1()1(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL

8)-(3 OSVdtdiL(2) 开关状态2：T管阻断, D管导通

(1) 开关状态1：T管导通,D管阻断Q: 电流连续模式跟哪些因素有关?2. 变压比、导通比的定义

SonTTD/0/SMVV

sonDTTsoffTDT)1(

变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法

导通比（占空比）：变压比：用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量V0为:2022211ssononTEOTsTSTSSonsSVvdtTVdtTVTTDV



用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：

10)sin()cos()(nnntnbtnaatF

202000)()(21)()(1)(1tdtFtdtFTdttFTa

T

)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFTbTn用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：

10)sin()cos()(nnntnbtnaatF

F(ωt)也可表达为：

10)cos()(nnntnCCtF

20000)()(21)(1tdtFdttFTaC

T

22nnnbaC用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量12sin()cosSEOSnSvDVnDntnVT在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。

偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；半波对称(镜对称) 函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；

Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波?滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC

如果：CL1各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。

滤波在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。电感电流、电感磁链

电容电压、电容电荷iL

VCQ

用开关电路的稳态条件求变压比

电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：fiTiQLsL82221

20min0max008)1(LCfVDC

QVVV

输出电压波动量用电感电流表达式求变压比T导通、D截止T 截止、D导通稳态时：

0

0(1)LsSLsViDTLVViDTL



0SS

VMDVV故有

3.1.3 电感电流断流时工作特性1. 三种开关状态和变压比2. 临界负载电流3. BUCK变换器输出电压外特性

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直流直流变换器介绍课件

直流直流变换器介绍课件


3
高频交流电经过变压器后，再通过整流 和滤波，将高频交流电转换为直流电。
4
直流直流变换器可以实现电压、电流和 功率的调节，以满足不同的应用需求。
应用领域
电动汽车：作为动 力系统的核心部件，
实现能量转换和分 1
配
航空航天：为航天 4
器提供稳定的电源， 确保航天任务的顺
利完成
太阳能发电：将太 阳能转化为电能，
直流直流变换器介绍课件
演讲人
目录
01. 直流直流变换器概述 02. 直流直流变换器分类 03. 直流直流变换器设计要点 04. 直流直流变换器发展趋势
直流直流变换器概述
基本概念
直流直流变换器： 将直流电转换为 直流电的设备
输入电压：变换 器接收的直流电 压
输出电压：变换 器输出的直流电 压
转换效率：变换 器将输入电压转 换为输出电压的 效率
拓扑结构：变换 器的电路结构， 如升压、降压、 升降压等
控制方式：变换 器的控制方式， 如PWM、PFM 等
应用领域：直流 直流变换器的主 要应用领域，如 电力电子、新能 源等
工作原理
1
直流直流变换器是一种将直流电转换为 直流电的设备。
2
其工作原理是通过控制开关管的通断， 将直流电转换为高频交流电。
考虑电路的损 耗和效率
考虑电路的稳 定性和动态性 能
考虑电路的体 积和成本
考虑电路的可 扩展性和可维 护性
控制策略设计
1
控制目标：实现直流直流变换器的稳 定、高效运行
2
控制方法：采用PID控制、模糊控制、 自适应控制等方法
3
控制参数：根据系统特性和需求，调 整控制参数以实现最佳性能
4
直流-直流变换器

直流-直流变换器


T o n DT S
1.两种开关状态
VG=0, T管阻断
T T T ( 1 D ) T off S on S
2. 变压比和电压、电流基本关系
理想Boost变换器的变压比
T导通,D截止
T 阻断，D导通
D T T Ld i t V Ld S V iL S DT s L
d di V L dt dt V t
( 1 D ) T T off S
电感磁链的减小量为： (V 0 VS ) Toff (V 0 VS ) (1 D ) Ts
D T T on S
电 感 的 磁 链 增 量 为 ： V S Ton V S DTs
V0 const时
I V Lf 0 Kmo 0 2
VS const时
I V L f 0 K m i S8
3. Buck变换器输出电压外特性
变换器的变压比（或输出电压）
与占空比和负载电流的函数关 系称为外特性。
电感电流连续时，变压比等于
占空比，输出电压与负载电流 无关。控制特性是线性的。
V MV DV V / 2 (3 3) O S S S
将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中

2VS VEO (t ) DVS sin( nD ) cos( nt ) (3 - 5) n 1 n
3.控制方式
改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，
M V V 0/ S
DT /T on S
T ( 1 D ) T off s
导通比（占空比）：
T on DT s
变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间 的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的 分析方法
(完整版)电力电子学课后题答案第三章

(完整版)电力电子学课后题答案第三章

第3章复习题及思考题解答1. 直流/直流电压变换中开关器件的占空比D是什么？推证图 3.1(c)所示脉宽时间为onT、脉宽角度为θ、周期为ST、幅值为SV的方波脉冲电压O()v t的直流平均值及各次谐波的幅值。

图3.1 Buck变换器电路结构及降压答：占空比D是开关管导通时间onT与开关周期ST的比值。

图 3.1(c)中方波脉冲电压O()v t可以表示为如下傅里叶表达式：SO S12()sin(π)cos()πnVV t DV nD n tnωω∞==+⋅∑，其中常数项为直流平均值，即O SV DV=，各余弦项为各次谐波，其幅值为：S Sn22sin()sin(π)π2πV Va n nDn nθ==。

2. 脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？答：脉冲宽度调制方式PWM，保持ST不变（开关频率不变），改变onT调控输出电压V；脉冲频率调制方式PFM，保持onT不变，改变开关频率或周期调控输出电压V。

实际应用中广泛采用PWM方式。

因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制。

此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。

但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采用PFM控制较容易实现。

3. Buck变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关，试从物理上给以解释。

答：电感电流的脉动量与电感量L、开关频率Sf、输入电压SV、输出电压OV有关，输出电压的脉动量与电感量L、电容量C、开关频率S f、输出电压O V有关。

电感量L、电容量C越大其滤波效果越好，而开关频率S f越高，滤波电感的交流阻抗Lω就越大，它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗1/Cω越小。

4. Buck变换器断流工况下的变压比M与哪些因数有关，试从物理上给以解释。

答：Buck变换器在电流断续工况下其变压比M不仅与占空比D有关，还与负载电流OI的大小、电感L 、开关频率S f 以及电压O V 等有关。

电力电子变换器_DC2DC直流变换器

电力电子变换器_DC2DC直流变换器


E
t on i 1 E t1
b)电流连续时的波形
t off
Tt x
i 2
I 20
t 2
E
E c) 电流断续时的波形M
+ ME
M -
t
t t t t t
开关周期与开关频率
固定调制：开关频率不调制、开关角固定、脉冲宽度可调
随机调制：开关频率调制、开关角调制、脉冲宽度调制
C
D
D
N MOSFET
解释：t=t1时，控制VT
i o
关断，二极管VD续流，
负载电压uo近似为负零，
O u
o
负载电流呈一种指数曲
线下降。
O
忽略负载电阻时，电感 iG
电流的斜率为： EM
i
G
O i
o
L
O u
o
通常串接较大电感L使 O
负载电流连续且脉动小。
a) 电路图
t on
T i 1
I 10
t off
i 2 I 20 t 1
直流调压电路
高压输出与低压输出； 升压型与降压型； 隔离型与非隔离型；
正激Forward、反激Flyback
单向传输与可逆传输 CCM/DCM/CRM（BCM） 软开关与硬开关
变压器升压、电感升压与 LC滤波降压型；
各种磁芯材料：软磁、硬磁、 饱和软磁与不饱和软磁
无源器件的使用；
直流降压电路／BUCKVT电路 io L R
VT1
+
Ui
u VD1 L1 VD o
M EM
io
半控开关：单只晶闸管，单相输电；其它同前。
需要附加强迫关断电路
关断电路：由关断电容和辅助晶闸管组成电感和辅助二 极管构成回振电路，在主晶闸管导通期间关断电容获得 充电极性，有利于主晶闸管的关断。