第5章 直流--直流变换电路
第5章 直流-直流变换电路
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
t
tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程 来分析，初始条件分电流连续和断续。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V关断时
给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也
可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
直流 -直流变流电路( dc-dc )的定义
直流-直流变流电路（DC-DC）是指一种能够将直流电源的电压或电流转换为不同电压或电流级别的电路。
它通常由电子元件和控制电路组成，可以实现电压升压、降压、反向极性、电流调节等功能。
DC-DC变流电路的主要目的是通过电力转换，将直流电源的电能以不同的形式和级别供应给负载或其他设备。
例如，将低电压直流电源升压为高电压，以满足某些特定应用的需求；或者将高电压直流电源降压为低电压，以适应其他电子设备的要求。
DC-DC变流电路通常采用电感、电容、开关管（如MOSFET）等元件，通过控制开关管的开关时间和频率，调整电流流向和电压水平，实现所需的电能转换。
控制电路可以根据输入和输出电压的差异来调整开关管的状态，以达到所需的电压转换效果。
DC-DC变流电路在各种电子设备和系统中广泛应用，例如电源适配器、太阳能光伏系统、电动汽车充电器等。
它可以提高能源利用率、减少能量损耗，并满足不同设备对电能的需求。
第5章 DC-AC变换电路
从上述分析可归纳出产生逆变的条件：
– ①外部条件：要有直流电动势，其极性与晶闸管的导通方向
一致，其值应大于直流侧平均电压；
– ②内部条件：要求晶闸管的控制角α＞π/2，使Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变状态。 必须注意：半控桥或带续流二极管的变流电路，由于其整流电压 Ud 不会出现负值（不满足内部条件），也不允许直流侧有负极 性的电动势（不允许直流电动势顺向串联） ，因此不能实现逆 变。
换流方式分类
4. 强迫换流（Load Commutation） 3. 负载换流（Line Commutation） 1. 器件换流（Device Commutation） 总共有四种换流方式 Commutation） （Forced 2. 电网换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流 1. 器件换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫 由电网提供换流电压称为电网换流 电网换流 由负载提供换流电压称为负载换流 负载换流 施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫 强迫 可控整流电路、交流调压电路和采用相 负载电流相位超前于负载电压的场合， 换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现， 换流都可实现负载换流 控方式的交交变频电路 2. 电网换流 也称为电容换流 电容换流 不需器件具有门极可关断能力，也不需 负载为电容性负载时，负载为同步电动 要为换流附加元件 3. 负载换流 机时，可实现负载换流 4. 强迫换流
无源逆变
定义：当交流侧直接与负载相连，称为无源逆变 定义 ：
。无源逆变是将直流电变为某一频率或可调频率 的交流电供给负载。
用途：无源逆变电路常用于交流电动机调速用变 用途 ：
频器、不间断电源、感应加热电源等场合。此外 ，它还常用于将蓄电池、干电池、太阳能电池等 直流电源逆变为交流电供给交流负载。
一、直流—直流变换电路概述 1、直流—直流变换电路及功能 直流-直流(DC-DC)变换电路是将一组电
二、降压式变换电路（Buck电路）
3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
BUCK电路 结构
开
开
关
关
导
关
通
断
时
时
等
等
效
效
电
电
路
路
二、降压式变换电路（Buck电路）
a、 晶体管导通状态（t0 t t1=DT）
VD关断，依据等效电路拓扑，有：
二、降压式变换电路（Buck电路）
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上
输出的直流电压Uo有： uripple max Uo 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、 负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电 阻等元件。
三、DC-DC的纹波和噪音
纹波和噪声的测量方法
从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同 。关系，见图中波形，由于电感电流连
续，有
1 I 2
I o min ，计算L的关系式。
（3）由输入输出电压关系，计算D
（4）由 I LMAX I VTMAX 求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算
电流有效值，依此选择MOS管的电流。 （5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。
电力电子技术-5.1直流斩波
z EM E e ( 1 T1/ E M T TR ) (1 ) T / I 20 e e ) , (1z z R R e 1 R L
上式代入
[t 1,T]
I I 20 I10
E R
1 e
di 1 E EM t / t / L (1 / 0 t t1 i1 EIM10 eRi 1) T E E ME , T(1 Me E M) (1 ) T / E E E M I 10 e e e e dt I R d R R R R 0 T 0 . 5 T I I max R T di 2 ) i 1 ( 0 ) t / I 10 , M ( Ed ( 1 ) T / E L / RE ( t t 1 ) / t 1 E L Ri 2 Ee(1 e0M, (te1 ),) 20 i1 ( t 1 ) M t I T e e e 1 + Ii10 (1 I 20 ) 2 R R dt RR EM T RT T T
输出电压平均值为： ton E (T ton t x ) EM Uo T 负载电流平均值为：
1 (1 m)e t x ln m
电流断续时的波形
t2
t
tx<toff
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
1
t1
5.1.1 降压斩波的工作原理 输出电压平均值 Ua u 0 dt
T
0
t1 T
E ft 1 E E
直流-交流变换电路
di/dt
图5-12
器件1、4和器件2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流 电
37
1、单相电流型逆变电路
Ld
A
Id VT1 LT1 io LT2
VT2
C uo RL
VT3
LT3 图5-3-2 单相桥式电流型（并
LT4
联谐振式）逆变电路
VT4
B
采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压
24
三相电压型逆变电路
+
V1
V3
V5
U d
2
VD1 VD3 VD5
N' U V
N
U d
2
W VD4 VD6 VD2
- V4
V6
V2
➢➢负U相载，各1相通到，电uU图源N'=5中-U9点d/2N，‘的4通电，压：
uUN'=-Ud/2
图5-2-4 电压型三相桥式 逆变电路的工作波形
25
三相电压型逆变电路
第五章 直流-交流变换电路
第一节 概述 第二节 电压型逆变电路 第三节 电流型逆变电路 第四节 脉宽调制型（PWM）逆变电路 本章小结
1
第一节 概述
逆变概念：
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电
交变流频侧电接路电：网 交交，变为频有和源交逆直变交变频两种 交交流直侧交接变负频载由，交为直无变源换逆和变直交变换两部分组成，后一部分就 本章是讲逆述变无源逆变
33
逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
直流侧大电容滤波 是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源型逆
变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
电力电子技术第5章-复习题-答案
第5/10章 直流-直流变换电路 习题与答案第1部分：填空题1.直流斩波电路完成的是直流到 另一种直流 的变换。
2.直流斩波电路中最基本的两种电路是 降压（Buck ） 电路和 升压（Boost ） 电路。
3.斩波电路有三种控制方式： 脉宽调制（PWM ）、脉频调制（PFM ） 和 PWM/PFM 混合调制 ，其中最常用的控制方式是：脉宽调制（PWM ） 。
4.脉冲宽度调制的方法是： 开关周期 不变， 开关导通 时间变化，即通过导通占空比的改变来改变变压比，控制输出电压。
5.脉冲频率调制的方法是: 开关导通 时间不变， 开关周期 变化，导通比也能发生变化，达到改变输出电压的目的。
该方法的缺点是： 开关频率 的变化范围有限。
输出电压、输出电流中的 谐波频率 不固定，不利于滤波器的设计 。
6.降压斩波电路中通常串接较大电感，其目的是使负载电流 平滑 。
7.升压斩波电路使电压升高的原因：电感L 在开关管导通期间将电能转换为磁能储存起来，以实现电压泵升 ，电容C 在开关管导通期间给负载供能以使输出电压连续平滑 。
8.升压斩波电路的典型应用有 直流电动机传动 和 功率因素校正（APFC ） 等。
9.升降压斩波电路和Cuk 斩波电路呈现升压状态的条件是开关器件的导通占空比为 大于0.5小于1 ；呈现降压状态的条件是开关器件的导通占空比为 大于0小于0.5 。
10.设Buck 型DC-DC 变换器工作于CCM 模式，设输入电压U i =10V ，占空比D =0.6，则输出电压U O ＝ 6V 。
11.设Boost 型DC-DC 变换器工作于CCM 模式，设输入电压U i =12V ，占空比D =0.8，则输出电压U O ＝ 60V 。
13.开关型DC-DC 变换电路的三个基本元件是 开关管 、 电感 和 电容 。
14. 斩波电路用于拖动直流电动机时，降压斩波电路能使电动机工作于第 1 象限，升压斩波电路能使电动机工作于第 2 象限，电流可逆 斩波电路能使电动机工作于第1和第2象限。
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第5章 直流—直流变换电路1.Buck 电路以下是对电感电流连续CCM 条件下的Buck 电路的分析。
T 导通时，电路如图1a 所示： 由图可见：o d L u U u -=应用小纹波近似，有：o d L U U u -≈考虑到dtdi Lu LL =，于是电感电流变化率 0)(1>-≈o d L U U Ldt di 依据o d L U U u -≈式及0)(1>-≈o d L U U Ldt di 式绘制buck 电路DT 区间工作波形如图1b 。
T 截止时，电路如图1c 所示。
由图1c可见：oo L U u u -≈-=所以01<-≈o L U Ldt di 。
同理，以据这两式绘T 截止时的工作波形如图1b 。
分析：1)输入与输出特性：由L u 波形，应用伏秒平衡法则，有：T D U DT U U o o d )1()(-=- 推知：d o DU U = 2)电感电流纹波L i ∆：LU U dt di DT i o d L L )(2-==∆，即：DT LU U i od L 2-=∆ 3)输出电压纹波o u ∆：因电容充电期间，电荷积累量221Ti q L ∆=，代入电容公式：)2(C U C q ∆=可得：CTi u L o 8∆=∆4)模式界限：当电感电流平均值L i I ∆=时，电感电流进入临界连续模式。
u L (i C (u o tttt(t i L 图1b ，Buck 电路工作波形+-)(t o 图1cT 截止时的BUCK 电路的等效电路U +-)(t o u 图1aT 导通时的BUCK 电路的等效电路 U +-)(t o u 图1采用功率MOSFET 晶体管和二极管表示的BUCK 变换器考虑到RU I o =，有：LT D D U RU d o 2'=，即：当RTLD 2='时，电路进入临界连续模式。
当RT LD 2>'时，电感电流连续，简称CCM ；当RT LD 2<'时，电感电流不连续，简称DCM ；2.Boost 电路以下仅对于电感电流连续情况进行分析，电感电流断续情况，请同学们自行分析：A.T 导通时，电路如图：电感L 的自感电动势：()L d e t U =-，为常数，推知电感电流()/L L di t U L dt≈为常数，可近似画成直线；由于是电感充电，故电感电流对时间的变化率=dt t di L )(0dU L >，电流与电压方向相反。
电容电流：=C i ()o u t R，应用小纹波近似，有=)(t i C OU R，电容电流近似为常数。
因为对应放电过程，电容电压变化率小于零：=dt t du C )(CRU C i OC -=； B.D 导通时，电路如图，电感放电，电感电压与电感电流方向相同。
电感电压()d L o U u u t +=应用小纹波近似，有：=)(t u L ()o d U t U -考虑到电感放电，推知电感电流对时间的变化率：=dt t di L )(()0d o U U t L-<电容充电，电容电流：=C i ()()o L u t i t R -()o L Ui t R≈-；注意电容电流与电感电流负“斜率”相同。
电容电压变化率：=dt t du C )(CRU C t i C t i OC C -≈)()(；u L (i C u o (i L U +-oU +-dU +-oU +-dU +-oU +-图 boost 电路因为对应充电过程，电容电压增加，变化率为正。
C.依据A 、B 的分析，画出)(t u L 、)(t i L 、)(t i C 及)(t u o 波形图：D.电感电流直流成份L I 。
注意到D T '期间：()()o C L u t i i t R=- 对应曲线下的梯形面积为：()(())o L u t i t D T R'- 可表述为矩形面积：()o L UI D T R'-。
应用安秒平衡法则于电容电流()C i t 曲线，有：00()()()0To C L U Ui t dt DT I D T R R'=-+-=⎰， 推知2o d L U UI D R D R==''；E.电感电流纹波?)(=∆t i L 由)(t i L 波形，有： ⇒=∆DT LU t i dL )(2DT L U t i d L 2)(=∆F.输出电压纹波?=∆o u 由)(t u o 波形，有:⇒-=∆-DT RC U t u o 0)(2DT RCU t u o o 2)(=∆ G.求电压变换比M 及其M-D 曲线：从)(t u L 波形结合伏秒平衡：⇒='-+0)(T D U U DT U o d d d d o U DD U U -='=11即：DM -=113.降压-升压式变换电路(Buck-Boost)电路如图所示。
1).首先，绘制主要电量曲线： A.T 导通期间：对于网孔I ：电感L 处于充电状态，电感电流与电感电压反向：()L d u t U =- 由此画DT →0期间)(t u L ；+-dU +-RBuck-Boost 电路T 导通时o+-dURo(M从电感充电角度出发，容易看出：()0d L U di t dt L =>；由于LUd 为常数，所以)(t i L 是直线段，斜率为正。
此处也可这样考虑：电感充电时，电流持续增加。
因电感处于贮能阶段，故)(t i L 取与)(t u L 反向，)(t i L 画在图上是正值，)(t u L 为负值。
对于网孔II ，考虑到此区间电容释放能量，电容电压与电容电流乘积取正值，易得：()o O C u Ui t R R=-≈-据此画DT →0期间)(t i C 曲线。
因dtt du Ct i C C )()(=，考虑到处于电容释放能量期间，有：0)(<-=RCudt t du o C ，但图中电容、负载实际电压取负值，由此绘制)(t u C 曲线。
B.T 截止期间：电路如图所示：电感电压与电感电流同向，L 处于放电状态，向电容C 充电，对负载R 放电。
由回路III ：()L o o u t u U =≈，画)(t u L 曲线。
考虑到电感放电，电感电流逐渐减小，推知()0oL U di t dt L=<，画)(t i L 曲线。
在Buck-Boost 电路T 截止时等效电路中，应用KCL 有：)()()(t i t i t i o L C -=，应用小纹波近似，有o L C I t i t i -≈)()(，可见，T DT →期间)(t i C 是与)(t i L 斜率相同的直线。
注意到此区间电容贮能，电容电流)(t i C 应取正值。
设T DT →期间)(t i C 的平均值为C I ，应用电容电流安秒平衡于)(t i C 曲线，有：DT R U T D I o C ='，推知R D DU I oC '= 于是T DT →期间()0C odu t DU dt D R=>'。
2).依据所得曲线求各主要电量之间关系：A.输入输出电压比：在)(t u L 曲线上应用伏秒平衡，有：T D U DT U o d '=，推知d o U DD U -=1，表明Buck-Boost 电路在]5.0,[o D ∈区间降压，]1,5.0[∈D 区间升压，电路输入输出电压比DDM -=1； B.输出电压、电感电流脉动：+-Ru e oi i由)(t i L 曲线，有：LU DTi d L =∆2，得到DT LU i dL 2=∆ 由)(t u C 曲线，有RC U DT u o C =∆2，故DT RC U u o C 2=∆C.电感电流平均值L I (注意电感能量式：221L L Li E =，对电流求导，有L LLLi di dE =，即L L L di Li E =∆，式中L i 就是电感电流平均值L I ，L di 就是电感电流纹波的两倍L i ∆2）设输入电流平均值i I 、输出电流平均值)(R U I o o =，考虑到电路无损耗，故输入、输出功率相等：o o i d I U I U =，结合d o U DDU -=1，易得： RD DU D DI I o o i )1(1-=-= 显然，电源d U 在一个周期内，向电感输出能量T I U i d ；而电感仅在DT 期间从电源汲取能量)2(L L L L i LI I LI ∆=∆，于是：T I U i LI i d L L =∆)2(，得到电感电流平均值RD U I o L )1(-=D.模式界限：很明显，电感电流平均值L L i I ∆=时，电感电流临界连续。
所以电感电流临界连续条件为：DT L UI d L 2=。
当DT L U I d L 2>时电感电流连续，DT LU I dL 2<时电感电流不连续。
或：RTL D 22='3).若输入电压d U =36V ，欲使输出电压o U =36V ，占空比D 应等于多少？（0.5=D ）4.升压-降压式变换电路(Cuk)1).T 导通时电路如图所示：对于网孔I ：1d L U u =，推知：011>=L U dt di dL （储能） 对于网孔II ：012=-+-o C L u u u ，即：12>-=o C L u u u推知：0)(1122>-=o C L u u L dt di （储能） 2).T 关断时电路如图所示： 对于网孔III ：11C L d u u U =+即：0)(11<--=C d L u U u推知：0)(1111<--=C d L u U L dt di （释能）U ou Cuk 电路T 关断时oU +-ou Cuk 电路T 导通时oU -u +oo对于回路IV ：02=+o L u u 即o o L U u u -≈-=2 推知022<-=L Udt di o L （释能）3).电压变换比：由1L u 曲线： T D u U DT U C d d '+=)(1；由2L u 曲线：0)(1='+-T D U DT U U o o C 解得：d d o U DD U D D U -='=14).电感电流纹波：11L U DT i d L =∆，22L UT D i d L -='∆5).电感电流平均值：RUI o L =2，考虑到电路无损耗，d d o o I U I U =，即d d od o od L U RD DRU U U U I I I 2221'==== 6).输出电压纹波注意到：o L C i i i -=22，可知其与2L i 斜率相同，可画出波形，求得电容电压波形，进而求出输出电压纹波。