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03第3章直流变换电路 降压变换电路
天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 ) 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 19 课 时 2 班级 电子 05-1、2 电气 05-1、5 电气 05-3、4 周次 10 日期 课题 第3章直流变换电路 降压变换电路 教学 目的 掌握直流变换电路和降压变换电路的工作原理及控制方法、基本电路、波形分析及电路参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□ 教 学 重 点 理解Buck变换器的工作原理，掌握着这种电路的输入输出关系、电路解析方法和工作特点 教 学 难 点 Buck变换器的电路解析方法 实 践 环 节 多媒体 作 业 3—1 教研室主任意见： 同意该计划，通过电路图了解和掌握个电路的工作原理及控制方法。 签字：刘沂 日期：2007.5.14 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第三章 直流变换电路 1、定义： 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。 3.1 直流变换电路的工作原理 v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。 图3.1.1 基本的斩波器电路及其负载波形 为开关T的工作周期，为导通时间。 ü由波形图可得到输出电压平均值为 （3.1. 2） 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 电路中开关的占空比： （3.1.1） 由波形图可得到输出电压平均值为 （3.1.2） 若认为开关T无损耗，则输入功率为 ： （3.1.3） 式（3.1.2）中为输入直流电压。 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 内输出电压总是小于输入电压，改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变 或来实现。 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。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。 3.2 降压变换电路 导通期间（）：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（）：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； 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图3.2.1 降压电路及其波形图 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出电压的平均值为： （3.2.1） 忽略器件功率损耗，即输入输出电流关系为： (3.2.2) v Buck变换器的可能运行情况： 图3.2.2 电感电流波形图 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。 1）电感电流连续模式 ： 在期间:电感上的电压为： 由于电感L和电容C无损耗，因此从线性增长至，上式可以写成： → (3.2.3) 式中=－为电感上电流的变化量，为输出电压的平均值。 在期间:假设电感中的电流从线性下降到，则有： → (3.2.4) 根据式(3.2.3)、(3.2.4)可求出开关周期为 (3.2.5) (3.2.6) 上式中为流过电感电流的峰－峰值，最大为，最小为。电感电流一 周期内的平均值与负载电流相等，即将式(3.2.5)、(3.2.6)同时代入关系式 =－可得： (3.2.7) → (3.2.8) 2）电感电流临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时，即有=0， 由 (3.2.9) 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 可得维持电流临界连续的电感值为： 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为： (3.2.10) 式中为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 总结： 临界负载电流与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空 比D都有关。 当实际负载电流＞时，电感电流连续； 当实际负载电流=时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载 电流 ＜时，电感电流断流； 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： （3.2.11） 其中f为buck电路的开关频率，为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的L、C值，当满足＜＜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。 21 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 ) 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 20 课 时 2 班级 电子 05-1、2 电气 05-1、2 电气 05-3、4 周次 10 日期 课题 第3章直流变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 教学 目的 掌握升压计升降压变换电路的工作原理及控制方法、基本电路、波形分析及电路参数计算 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□ 教 学 重 点 理解Buck和Buck—Boost变换器的工作原理，掌握着两种电路的输入输出关系、电路解析方法和工作特点 教 学 难 点 Buck和Buck—Boost变换器的电路解析方法 实 践 环 节 多媒体教学 作 业 3—2，3 教研室主任意见： 同意该计划，通过授课让同学们了解Buck和Boost变换器的工作原理。 签字：刘沂 日期：2007.5.17 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 3.3 升压变换电路 1) 定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路， 又叫Boost电路。 2）原理图 3）工作原理： 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。 工作期间：二极管Ｄ导通，电感L经二极管Ｄ给电容充电，并向负载 提 供能量。 图3.3.1 升压变换电路及其波形 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 可得： 式中占空比D=ton/TS， 当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在0≤D＜1的变化范围内Uo≥Uin。 4）Buck变换器的可能运行情况： 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： (2.3.12) 当实际负载电流＞时，电感电流连续。 当实际负载电流 = 时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。 当实际负载电流＜时，电感电流断流。 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。 总 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：=(－)/2。 实际中，选择电感电流的增量时，应使电感的峰值电流+不大于 最大平均直流输入电流的20%，以防止电感L饱和失效。 ② 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 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 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 不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。Boost变换器的效率很 高，一般可达92%以上。 3.4 升降压变换电路 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。 2）工作原理： 图3.4.1升降压变换电路原理图 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。 (3.4.1) 期间，当感应电动势大小超过输出电压时，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。 (3.4.2) 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图3.4.2 升降压变换电路及其工作波形 工作原理： 在期间电感电流的增加量等于期间的减少量， 得： 由 的关系，求出输出电压的平均值为： (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， <，为降压变换。 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： (3.4.3) 变换器的可能运行情况： 实际负载电流＞时，电感电流连续。 实际负载电流=时，电感电流处于临界连续(有断流临界点)。 实际负载电流<时，电感电流断流。 习题解答 21 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 ) 学年：2006~2007 学期：第二学期 课次 21 课 时 2 班级 电子 05-1、2 电气 05-1、2 电气 05-3、4 周次 11 日期 课题 第3章直流变换电路 其他变换电路 教学 目的 掌握库克变换电路及带隔离变压器的直流变换电路的工作原理及控制方法、基本电路、波形分析及电路参数计算 掌握直流变换电路的PWM控制技术 课型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□ 教 学 重 点 掌握库克变换电路及带隔离变压器的直流变换电路输入输出关系、电路解析方法和工作特点 直流变换电路的PWM控制技术 教 学 难 点 直流变换电路的PWM控制技术 实 践 环 节 多媒体教学 作 业 3—4～10 教研室主任意见： 同意该计划，通过多媒体了解电路的组成及工作原理。 签字：刘沂 日期：2007.5.21 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 3.5 库克变换电路 图3.5.1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：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直 流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。 库克电路及其等效电路和工作波形： 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D的电流连续或断流。 2）工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电流总是大于零。 电流断流：在开关管T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TS的开通时刻二极管电流 正好降为零。 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图3.5.2 库克电路及其等效电路和工作波形 3.6 带隔离变压器的直流变换器 1、引入变压器作用： 1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全 可靠性和电磁兼容性。 2）选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与负载所需的输出电压Uo ，能使 直流变换器的占空比D数值适中而不至于接近于零或接近于l。 3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。 2、分类： 1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向 变化； 2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载； 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 3）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管 阻断时再将磁能变为电能传送到负载； 3.6.1 反激式变换器 图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形 反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压为： (3.6.1) 一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5 。 3.6.2 正激式变换器 图3.6.2 正激式变换器电路 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 换器的输出电压为： (3.6.2) 该电路的占空比D不能超过0.5。 3.6.3 推挽式变换器（属正激式变换器） 作占空比必须保持小于0.5。 图3.6.3 推挽式变换器电路 3.6.4 半桥式变换器 图3.6.4 半桥变换电路原理图 3.6.5 全桥变换电路 将半桥电路中的两个电解电容和换成两只开关管，并配上适当的驱动 器，即可组成图3.6.5所示的全桥电路。 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图3.6.5 全桥变换电路 3.7 直流变换电路的PWM控制技术 3.7.1 直流PWM控制的基本原理 图3.7.1 PWM波形 3.7 直流变换电路的PWM控制技术 3.7.1 直流PWM控制的基本原理 图3.7.1 PWM波形 1）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。 21 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 3）直流PWM控制方式：用ug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ur的大小，就可以改变PWM波脉冲的宽度。 3.7.2 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电压开关PWM控制方式： 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ur>uc时，T1和T4导通，T2和T3关断； 2)当ur查看更多