直流变换电路讲解

第2篇 电力电子变换电路
第3章 直流变换电路
直流变换电路是将一种直流电转换为另一种电压固定 或可调的直流电。 教学要求： 1.掌握各种变换电路的基本拓扑结构和基本工作原理； 2.了解各种变换电路的不同应用场合，同时具有一定的电路
设计能力，能够解决一些实际当中的问题。
3.1 概 述
直流变换电路（DC/DC）也称为直流斩波电路。 基本思想：利用改变开关的动作频率，或改变直流电流接 通和断开的时间比例，来改变加到负载上的电压、电流的 平均值。
（b）开关V状T 态1，VT导iL通VDu截LL 止等值电路uO iO
UI
VD
C R
iL通过VD续流
uG
Ton
Toff
L diL dt
UO
0 iL
t=TS时，iL达到最小值ILmin，
0
电流减量
iT
iL
UO L
(Ts
Ton )
UO L
(1
D)Ts
0 uEO
Ts
t
ILmax
IL=IO
ILmax
0
DTS
D1TS
t
0
=Ton
=T´off
t
TS (b)
iL
(c)
iLmax= IL
例3.1在降压斩波电路中，UI=10V，L=1mH，R=0.5Ω，采用脉
宽调制控制方式，T=20μs，当ton=5μs时，计算输出电压平均 值UO，输出电流平均值IO，计算输出电流的最大和最小瞬时值 （假设输出电流连续）
3.2.1 电路结构和降压原理
1. 降压原理
iI VT
E iO
在Ton期间，uG>0，VT导通， UI VD截止，uo=UI 。
在Toff期间，uG≤0，VT关断，
VD导通，uo=0 。
uG
UO
Ton Ton Toff
UI
Байду номын сангаас
Ton Ts
UI
DU I
0
uO
D Ton / Ts 1
称为导通比或占空比。
作用：（1）调压、调功和调阻抗； （2）抑制网侧的谐波电流。
斩波电路的种类很多，最基本的有升压和降压斩波电路。 应用：直流电动机调速和开关电源等。
1. 理想条件 （1）电力电子器件在开关状态时为理想器件，即开关时间
为零，无损耗； （2）输入电压UI保持不变，在稳态时输出直流电压的平均
值UO恒定不变，C为无穷大； （3）滤波电容和电感无损耗；
L
1 UI 2
UO L
Ton
0 0
iL
t
(a)
t
iL
iL=ILmax
1 UI 2
UO L
DTs
UI UO 2Lfs
D
0 0
临界负载电流与输入、输出电压，iLL、fs、D都((ba有)) 关系。
IIoo
t t
iL
当IO＞IOK时电流连续，否则电流断续。iL=ILmax
iLmax= IL
Io=IL Io
0
UG VD
R uO
iD
L
0
Ton
Toff
Ts
t
UI t
变压比 M UO / UI D
可见，与负载电流无关。
2. 控制方式
（1）脉冲宽度调制（PWM）——保持TS不变，调节Ton。 （2）脉冲频率调制（PFM）——保持Ton不变，调节TS 。 （3）混合调制——Ton和TS均可调节 。
3.2.2 电感电流连续时的工作特性
IL max
UI
UO L
DTs
UI
L
iO
C
R
iC
uEO UI
2. 在VT截止期间 （1）VD导通期间
（Ob）开关状态1，EVT导通VuDL截止等值电uO路
D1 Toff / Ts
VT
iL L
iO
UI
VD
C
R
iL Toff
TUoLffO为To续ff 流U二LO极D管1T导s 电I时Lm间ax（c）开关状态2，OVD导通VT截止等值电路
解：
D Ton 5 0.25 Ts 20
UO DUI 0.2510 2.5(V )
IO
UO R
2.5 0.5
5(A)
IO min
UO R
1
R (1 2L
uO uEO 0
（2）VD截止期间
电感电流为零，负载由C供电
E
VT
uO iO
VD
C R
O
（d）开关状态3，VT阻断VD截止等值电路
uEO UO
UI
UO L
DTs
UO L
D1Ts
M UO D D UI D D1
uG
0
TS
t
iL ILmax
0 Ton=DTS
iT
T´off=D1TS
t
ILmax
1. 在VT导通期间
设UO不变
L dii dt
L diL dt
UI
UO
t=Ton时，iL达到最大 值ILmax，电流增量
iL
UI
UO L
Ton
iI
VT E uEO
uL
G iL L
uO iC iO
UI
UG
VD
C
R
C
0
0
iI （a）uBL uck电路iL图
uO
L
iO
UI
C
R
iC
UI
UO L
DTs
2. 在VT截止期间
输出电压的脉动量
UO
Q C
UO (1 D) 8LCfs2
LC滤波器的谐振频率
1
fc 2 LC
故
UO UO
(1 D) 8LCfs2
2
=
2
fc fs
2
1 D
可见：增加开关频率，增大滤波参数，可减小输出电压的脉
动。
3.2.3 电感电流断续时的工作特性
1. 在VT导通期间
E iI
uL
iL
uO
iL
iT
iD
iT
0
t
uI 0 iC
uI uo
t
0
Q
t
uO
UO
0
t
T´off
Ton
T T dis
S
uG
VD截止后使uEO不在为零，因而提高了输出电压的平均值；
Ton
T´off
负载电流越小，输出电压越高，空载时0 UO=UI。
t
3.2.4 临界负载电流
iL
uG
Io
临界负载电流
Ton
T´off
IOK
1 2
I
iT
iD
ILmin
ILmin t
iT
t
IO
IL
I L max
2
I L min
uI 0
uI t
iC
iL iL iL ILmax ILmin
1 2
iL
设变换器的损耗为零，则
0
uO
1 2
iL
Ts Q
2
t
UOIO UI II
UO
0
t
Ton
Toff
Ts
M UO II D UI IO
由于IO=UO/R，则
（4）线路阻抗为零。
2. 理论分析的两个基本原理
（1）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，即电流增量和减量相等；
（2）在稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。
3.2 降压斩波电路（ Buck变换器）
降压斩波电路的输出电压平均值总是小于或等于输入电压。 属于单开关管非隔离型的直流电压变换电路。
I L max
IO
1 2
iL
UO R
1
R (1 2L
D)Ts
I L min
IO
1 2
iL
UO R
1
R (1 2L
D)Ts
①当iL>IO时，电容C充电，uo升高；
②当iL<IO时，电容C放电，uo下降。 一个开关周期内的充电电荷量
Q 1 iL Ts iL 2 2 2 8 fs
1 ( fs Ts )