1、第二章直流变换电路第二章：直流变换电路.txt3努力奋斗，天空依旧美丽，梦想仍然纯真，放飞自我，勇敢地飞翔于梦想的天空，相信自己一定做得更好。4苦忆旧伤泪自落，欣望梦愿笑开颜。5懦弱的人害怕孤独，理智的人懂得享受孤独 本文由逝水1987贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第一节：概述 定义DC-DC：只对直流参数进行变换的电路 一般结构： 直流电源 ud DC-DC主电路 uo 负载 一.直流变换电路的分类 电压换流 1.换流过程分为: 电流换流 降压电路 2. 升压电路 升降压电路 控制电路 uo ud uo ud 1 单向限电路 3.
2、 双向限电路 四象限电路 4. U 0 , I 0 均为一个方向 ? ? U 0和 I 0 其中之一改变方向 U 0 , I 0 均改变方向 ? 单相电路:只有一个电路 m相电路:有m个基本电路,采用时分复用的方法 二.理想直流变换应具备的性能 1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量 2.输出阻抗为零 3.快速动态响应,抑制能力强 4.高效率小型化 2 三.Application 3.1.Driving:电车,地铁,电动汽车,火车 3.2.直流电机调速系统, 3.3.照明,氙灯ballast 3.4.switching power supply,Eg.Adapter,VRM 四.Ty
3、pical topologies:Buck,Boost,Buck-Boost, Cuk 3 第二节:单象限降压型电路 一.电路 T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当 t 0, DT 时,T导通 D:续流二极管 L0和C0组成LPF 4 5 二.工作原理 当 t 0, DT 时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,向C0充电 当 t DT , T 时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持 三.假设: 1.T,D均为理想器件 2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻 3.直流输出电压U0为恒定 4.整个电路无功耗 5.电路已达稳态 6 四.电路各点的波
4、形 7 五.电路分析 1.电感电流iL表达式 t , i L 储能 (1) Ud ?U0 当 t = DT 时,iL (t ) 达到最大值, I L = I L ( 0 ) + DT (2) L U0 (t ? DT ), t , C 和 L 放能 (3) 当 t DT , T 时, i L (t ) = I L ? 当 t 0 , DT , i L ( t ) = I L ( 0 ) + U d 0 U L0 t L0 当 t = T 时, i L (t ) 达到最小值 I L 由于电路达到了稳态, I L = I L ( 0 ) U0 IL = IL ? (T ? DT ) (4) L0
5、8 所以(2)式改写为:I L = I L + U d U L0 0 DT (5) Ud ?U0 电流增量：? I = I L ? I L = DT L0 U0 由式（4）得到： I = I L ? I L = ? (T ? DT ) L0 2.伏秒平衡定律的证明： （6） 所以有 Ud ?U0 U0 DT = (T ? DT ) L0 L0 (7) (8) 得： (U d ? U 0 ) DT = U 0 (T ? DT ) 这就是电感的伏秒平衡，实际是对 u L 的积分，即平均值为零 平均电流 IL+ IL I0 = 2 (9) 9 3.输出电压增益 由(8)式得: AV = 当D改变,U
6、0改变 U0 =D Ud U 0 = DU d Pd = I d U Uo AV = Ud 输出电压平均值 输入电压平均值 (10) 4.输入电流平均值Id 输出电压 d = U 0I0 输出电流 1 I0 = Id D 输入功率 电流 10 5.输出电压纹波分析 当 C 0 , U 0 = const , 但 C o 为有限值 i L = iC + I 0 电感电流 负载电流 iC = i L ? I 0 电容电流 C充电 C放电 情况1: i L I 0 , iC 0, 情况2: i L I 0 , iC L 0 km 时, i L 处于连续状态 L0 km R0 D0 H T = 2 1
7、4 六.电流断续时的状况 1.求Av 根据伏秒平衡律: uC (U d ? U 0 ) DT = U 0 D P T U d D = ( D + D p )U 0 U0 D AV = = Ud D + DP 2.求Dp iL DT T I uL DT DpT ud ?u0 U0 I= D PT L0 1 I ( D + D P )T U0 1 2 平均电流: I 0 = = I (D + DP ) = D PT ( D + D P ) T 2 2 L0 15 I0 = U0 U D PT (D + D P ) = o 2 L0 Ro 2 Lo 2 = D p + DD P R 0T D 2 +
8、 8 L0 / R 0T 解得: DP = 2 2 AV = 1 + 1 + 8 L0 / R0TD 2 D+ 16 七、Typical Applications Buck Three Phases Inverters Signal Phases Inverters Low v/high I Load 交流调 AC motor 速系统 illumining Hid Lamp system Buck Buck Switching power supple system 二次电源 Buck High V/Low I Load Switching power supple system一次电源 17
9、 作业 1，比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公 式，电感上电压的差别。 2，试述CCM和DCM工作的优缺点。 3，试述伏秒平衡和电荷平衡定律。 4，画出电容器高频等效电路，并说明其频率特性。 18 第三节:单象限升压型直流变换电路 一.电路 二.工作原理 t 0, DT , 当 u 0, V on , V off , u = U i T D L d t DT , T , u i = 0 , V T / off , V D / on , u L = u d ? U 0 三.连续模型分析 1.直流增益Av 根据伏秒平衡律: U d DT = (U 0 ? U d )( 1 ? D )T
10、 AV = U0 1 = Ud D0 19 说明:1) D 0 1, 所以U 0 U d 是升压电路 可以调压 Ud 2) U 0 = , D 0 , D ,U 0 D0 Two Modes:能量的传输 Mode1:0t Load Mode2:DTtT, T is off, D is on,the current iL decrease, the equivalent circuit Load The energy in L C 20 2.电流增益 AI 根据无耗网络的定义: Pd = P0 U d I d = U 0 I 0 I0 U AI = = Id U 3.电流的分析 当 t 0, D
11、T , i d (t ) = I dM + d 0 = D0 0 . 5 , boost A0 = 1 1 D 0 . 5 , Buck U d DT = ?I d = ?I L Ld U d DT 1 + ?I L = I d + 2 2 Ld 2.输入电流脉动 输入电流增量: 输入电感电流的最大值: I dm = I d U0 D D U0 I0 = I0 = ? 由无耗性可知: U d I d = U 0 I 0 , I d = Ud D0 D0 R0 I dm = U 0 ( D T D + 0 ) D0 R0 2Ld 27 3.输出电压的脉动值 当VTon,VD off时,电容C0放
12、电维持输出电压 du 0 U0 = ? dt R0C 0 U0 ?U 0 =? DT R0C 0 U 0 DT = U0 R0C 0 U 0 D , ,C U 0 4.考虑rL的影响 0 U 0 , U 0 选大电容可以消除U0的脉动 P0 = 2 P0 + I Le rL 若 i L 的纹波很小时,平均值与有效值相等 I L = I Le 28 在求均值时,电感短路,电容开路,所以: Id IL D 1 IL = Id + I0 ? =1+ =1+ = I0 I0 D0 D0 I0 IL = D0 I 02 rL I 0U 0 P0 rL 2 I L rL = = 2 rL = 2 2 D0
13、 D0 R0 D0 R0 = 1 rL 1+ 2 D0 R0 作业：计算T和D的耐压。 29 第五节:单象限的CUK电路 一.CUK电路的特点: 1.输入,输出电流皆没有脉动,只是在直流成分的基础上附加了一个不 大的开关纹波 2.电压增益 AV = 0 3.开关晶体管发射极接地 4.输入输出电压反向 二.CUK电路 30 三.工作原理: 这个电路的关键是靠C1传输能量 uC1 = U d + U 0 在t 0, DT 期间, VT/on,Vd/off, 输入电路:Ud给L1充磁, L1,L2中的能量均是增加的 输出电路:Uc1给L2充磁 在 t DT , T 期间,VT/off,Vd/on,
14、输入电路:把L1中的存能送给C1,给C1充电,L1,L2中的能量均是减小的 输出电路:靠L2,C2中的存能维持输出电压基本不变 VTon,VDoff 等效电路 VToff,VDon 等效电路 31 四.电路分析(连续模型) 1.均值等效电路 T Q u L dt = 0 所以电感两端的均值电压为0,相当于虚短 0 T i dt = 0 c 0 所以电容中的电流的均值为0,相当于虚断 32 2.CUK均值等效电路 U C1 = U d + U 0 3.电压增益 L1电压的瞬时值: u L 1 = Ud t 0, DT U d ? u C 1 t DT , T 若C1,C2较大,认为电压恒定即:
15、u C 1 = U C 1 , U C 2 = U 0 所以: u L 1 = Ud U d ? U C 1 = ?U 0 t 0, DT t DT , T 33 L2电压的瞬态值: uL2 = uC1 ? U 0 = U d ?U0 t 0, DT t DT , T （3） ） 结论:如果 C1 , C 2 , 则 u L 1 = u L 2 根据伏秒平衡律: （4） ） U d DT = (1 ? D )TU 0 = D 0TU 0 D 1 AV = = ?D D0 D0 (5) 34 CUK: 1 D AV = = ?D D0 D0 Buck: AV = D Boost: AV = D
16、0 所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与 Boost增益的积 I 0 D0 = 电流增益: AI = Id D 4.输出，入端电流脉动 入端: 出端: I o = (6) U d DT ?I d = L1 (U c1 ? U 0 ) DT U d DT = L2 L2 (7) (8) 35 上式说明:如果 L1 , ? I d ,如果 L 2 , ? I d 式（7)和式(8)相除得: di 0 di d ? I d L2 = ? L2 = L1 ? I 0 L1 dt dt 上式再次证明了 u L 1 = u L 2 的结论 输入电流的最大值: 输出电流的最大值: VT电流最大
17、值, I dm ?I d D0 U d DT = Id + = I0 + 2 D 2 L1 ?I 0 U DT = I0 + d 2 L2 (9) I 0m = I 0 + (10) I TM = I dm + I 0 m 36 注意: iT 的最大值发生在 t = DT与 I d , I 0 的最大值同时发生 5.波形(自己画) 37 6.考虑L1,L2内阻的分析 均值等效电路 r1 AV 0 U0 = Ud r1 + R0 U0 U d = AV 0 K1 r1 令 K1 = r1 + R0 r1U 0 D 0 U0 U d = I d r1 + U = ? + R0 D K 1 AV 0
18、 d D0 D0 U C Id = I0 = ? D D R0 U0 K 1 AV 0 1 AV = = = r1 r1 D 0 1 Ud 1+ K1 ? + R0 R0 D K 1 AV 0 38 第六节:双象限直流电压变换电路 一.双象限电路的分类 输出电流平均值I0极性可变 DU d ? U 0 原理: I 0 = 当DU d U 0 , I 0 0 ,当 DU d U 0 , I 0 0 R0 输出电流: I 0 负载等效电压:U 0 输出电压:U 0 = DU d 恒大于零 应用:负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统 (减速运行) 正转制动力 U0 正转 I0 39
19、典型电路: 1)Buck与Boost组合电路,工作在Buck电路时,电源向负载传输能量, 工作在Boost电路时,负载向电源反馈能量 2)双向CUK电路 U0 ?U2 分析输出电压均用正向传输电路;分析输出电流 I 0 = 输出电压U0极性可变电路 原理:靠改变占空比改变U0的极性 应用负载为电机时,构成可逆调速系统 R0 U 0 正转 反转制动 典型电路:双管正激电路 电机负载下输出电压和输出电流的分析方法 40 I0 1.等效电路: + u0 - i0 令 R0 0 1T 2.求E值.在稳态时, E = u 0 dt T 0 3.求 u 0 的均值U0是根据开关电路决定 4.求 i0 的表
20、达式 di 0 令R=0,根据 u 0 的瞬态表达式 L0 = u0 ? U 0 dt 41 第七节:四象限桥式直流变换电路 一.四象限桥式直流变换电路概述 1.应用具有摩擦负载的可逆直流调速系统 2.优点:以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高, 响应速度快 同频电路 单极性电路 倍频电路 全桥电路 3.分类: 3. : 双极性电路 半桥电路 4.双极性电路:指在一个斩波周期内,输出电压 u 0 只有一个极性变换 的电路 u0 = Ud ?Ud t 0, DT t DT , T 42 U d DT ? U d (1 ? D )T u 0 的平均值 U 0 = = ( 2 D
21、 ? 1)U d T 由上式可知:U0随D改变而改变 特点:电流脉动大,但不会出现断续情况 5.单极性电路:在一个斩波周期内,输出电压仅有幅度变化而无极性 变化 当 u s 0, u 0 = ud 0 t 0, DT t DT , T 当 u s 0, u 0 = ud 0 t 0, DT t DT , T 43 平均值: u s 0, U 0 = DU d ; u s 0, U 0 = ? DU d 特点:电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况 6.同频电路: 输出电压的斩波频率为f,开关元件的开关频率为fs 同频电路:f=fs 倍频电路:f=2fs 正转制动 7.电机调速系
22、统的工作 二.双级性全桥电路 反转 反转制动 U0 正转 I0 控制电压的分布(与普通的全桥电路相同) u g 1 , u g 3 同相,脉宽为DT u g 2 , u g 4 同相,脉宽为D0T 44 三种情况: 时区A, D0.5, I00, u 0 = Ud ?Ud Ud Ud Ud 时区B, D=0.5, I0=0, u0 = 时区C, D0.5, I00, u 0 = Ud 控制信号与占空比D的关系 1 D = (1 + ) 2 us = U SM 最大控制电压 45 工作过程分析: 只讨论D=0.5 DT t 0, , u g 1, 3 = 1, u g 2 , 4 = 0, VT 2 , 4 off 因为 i0 0 2 VT 1, 3 不能on,而VD1与VD3on, u 0 = U d , i0 DT 当t=
