第3章-直流电压变换电路

11、直流电压变换电路：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、直流电压变换电路的分类：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。第3章直流电压变换电路2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33.1直流电压变换电路的基本原理及控制方式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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输出功率为图3.1直流电压变换电路原理图及输出波形图SonTtTDORUdtiuTP020013.1.1直流电压变换电路的基本原理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。DonDonoffonDoUTtUtttUU43.1.2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。53.2降压直流电压变换电路原理图续流二极管输入直流电压滤波电感滤波电容负载6αT图3.2降压变换电路及其波形图触发脉冲在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。7图3.3电感电流波形图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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。8dtdiLuLLonLonODtILtIILUU12ODLonUULIt)(1）电感电流iL连续模式：在ton期间:电感上的电压为由于电感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。9offLOtILUOLoffUILt）ODODLoffonUUULUIttfT(1fLUfLUUUUIDDODOL)1()(2120III)1(201LTUIID在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有根据上式可求出开关周期Ｔ为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102）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：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：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。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；)1(201LTUIID)1(20KDoITUL)1(2ODOKLTUI11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。22200))(1(28)1(ffLCfUUc123.3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。全控型电力器件开关储能保持输出电压2）原理图13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：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10DDoffoffonUUtttU＝图3.4升压变换电路及波形144）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：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。DOOKULTI215③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()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。Tton小结：①Boost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。④Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。163.4直流变换降-升压复合型直流变换电路降升压变换电路（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3.5(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。172）工作原理：①ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。offLtILU－0onLondtILtIILU12②toff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。图3.5升降压直流变换电路及工作图18（续工作原理）在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：offonDtLUtLU0TtonTtoff)1(DUU10－由,的关系，求出输出电压的平均值为：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0.5α1时，U0UD，为升压变换；当0≤α0.5时，U0UD，为降压变换。19（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：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。DKUfIL0021）－（203.5库克直流电压变换电路L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容图3.6（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，21晶闸管开通晶闸管关断图3.6库克电路及其工作波形221）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。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。233.6直流变换电路的PWM控制技术直流PWM控制的基本原理PWM波形载波utr调制信号ucUDutr、ucucutr241）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。PWM波形载波utr调制信号ucUDutr、ucucutr253）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。PWM波形载波utr调制信号ucUDutr、ucucutr26全桥型直流电压变换电路。它可以实现由电源向负载传送电能，又可以实现由负载向电源传送电能。它可以实现DC/DC变换，用于直流电机的驱动；也可以实现DC变换，用于单相交流不间断电源和变压器隔离式直流开关电源。如图3.7所示。图中开关S1、S2、S3、S4两端分别反并联开关二极管,R、L是感性负载。UD为幅值不变的输入电压，在不同的控制方式下，输出是幅度和极性均可变的直流电压UO。输出电压的极性，与输入电压相比，可以反相也可以同相。根据输出电压波形的极性特点，可以分成双极性PWM控制方式和单极性PWM控制方式。图3.7全桥式直流—直流变换器271.双极性PWM控制方式1）开关原理：直流控制电压与三角波电压比较产生两组开关的PWM控制信号:（1）当UCUtri时，开关S1和S4导通，S2和S3关断。输出电压UO与电源电压UD相等且极性相同，即UO＝UD；（2）当UCUtri时，开关S1、S4关断，S2、S3导通。输出电压与输入电压极性相反，但大小相等，即UO＝－UD。图3.8双极性电压PWM控制方式282）输出电压变换电路的输出电压可在-UD到+UD之间变化:1）时，U0＝0；2）时，U0＜0；3）时，U0＞0；DDonDonDonUUTtUTtTUTtU)12()12(102Tton2Tton2Tto