电源变换基础及应用第1章电源变换器稳态分析原理
了解电路中的开关电源与变换器
了解电路中的开关电源与变换器电路中的开关电源与变换器是电子设备中常见的组成部分。
它们在各种电子设备中起到了至关重要的作用。
在本文中，我们将深入了解开关电源与变换器的原理、分类、应用以及未来的发展趋势。
一、开关电源的原理开关电源是一种将输入电能转化为输出电能的电源装置。
它的核心是开关器件，通过开关器件的开启和关闭来控制输入电能的流动。
其中最常见的开关器件是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。
开关电源的原理主要包括三个部分：输入端的整流滤波器、变压器和输出端的滤波器。
输入端的整流滤波器将交流电转换为直流电，变压器通过改变输入电压的大小来实现升压或降压，输出端的滤波器则用于去除电压波动和噪音。
二、开关电源的分类根据工作方式和用途的不同，开关电源可以分为多种类型。
常见的分类包括离线开关电源、在线开关电源、可编程开关电源等。
离线开关电源适用于家用电器、计算机设备等低功率设备，而在线开关电源则适用于服务器、通信设备等高功率设备。
可编程开关电源则具有更高的灵活性和可调节性，可根据需求调整输出电压和电流，适用于实验室和研发领域。
三、变换器的原理与应用变换器是一种将电能从一种形式转化为另一种形式的设备。
它通常由电感器和电容器组成。
变换器的原理可以分为三种模式：连续导通模式、连续关断模式和临界导通模式。
在应用中，变换器主要用于直流与交流的转换，如交流逆变器将直流电转换为交流电，交流整流器则将交流电转换为直流电。
变换器广泛应用于电源逆变、电动机驱动、太阳能光伏等领域。
四、开关电源与变换器的发展趋势随着电子技术的不断发展，开关电源与变换器的应用范围和效率要求也在不断提高。
未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：1. 高效率与低功耗：开关电源与变换器的效率越高，能耗越低。
未来的发展将致力于提高转换效率，减少能量损耗。
2. 小型化与集成化：为了适应电子设备小型化的趋势，开关电源与变换器将越来越小型化，并且具备更高的集成度。
电源变换技术及应用课程设计 (2)
电源变换技术及应用课程设计一、前言电源变换技术是现代电子工程中至关重要的一项技术，它可以将电源从一种形式转换为另一种形式，从而实现各种电器设备对电源的需求。
本课程设计旨在介绍电源变换技术的基本理论、主要分类、应用和设计，以提高学生的实践能力和设计能力。
二、课程大纲2.1 基本理论•电源系统的组成结构及其功能•电源系统的主要参数和性能指标•电源系统的基本工作原理和分类2.2 电源转换器•转换器的定义和分类•直流-直流转换器（DC-DC）•直流-交流变换器（DC-AC）•交流-交流变换器（AC-AC）2.3 电源管理系统•电源管理系统的概念和功能•电源管理系统的主要模块和组成部分•电源管理系统的应用和设计2.4 电源设计案例•电源设计的基本流程和方法•功率转换器设计实例•电源管理系统设计实例三、实验教学本课程设计中的实验环节旨在提高学生的实践能力和实验操作能力，同时加深他们对理论知识的理解和掌握。
实验内容包括但不限于：•直流电源的设计和调试•直流-直流转换器设计和调试•直流-交流变换器设计和调试•交流-交流变换器设计和调试•电源管理系统设计和调试四、课程实践本课程设计中的课程实践环节旨在将理论知识与实际应用相结合，提高学生的实际动手操作能力和团队协作能力，同时提高他们的方案设计和解决问题的能力。
课程实践内容包括但不限于：•电源设计项目实践•电源管理系统设计项目实践•相关电源管理软件的应用和实践五、课程评价本课程设计采用综合评价的方式进行，包括平时成绩、实验成绩和大作业成绩。
平时成绩占20%左右，实验成绩占30%左右，大作业占50%左右。
六、课程参考书目•《电力电子技术》（第三版）杜玥著•《电源设计实用指南》（第二版）王晓燕著•《电源变换技术及应用》（第五版）刘洪江著七、结论通过本课程设计的学习，学生将能够掌握电源变换技术的基本理论和分类、应用及设计方法，具有实践操作能力和设计解决问题的能力，为以后的电子工程实践打下坚实的基础。
电路中的开关电源与变换器技术
电路中的开关电源与变换器技术在现代电子设备中，开关电源和变换器技术扮演着重要角色。
它们能够将电能高效地转换为适用于各种电子元件的稳定电压或电流。
本文将探讨开关电源和变换器技术的原理和应用。
一. 开关电源的基本原理开关电源是一种通过开关器件（如晶体管或MOSFET）的开关操作，将输入电能转换为高频脉冲信号的电源。
这些高频脉冲信号经过滤波和调节，变成所需的恒定电压或电流输出。
开关电源的主要组成部分包括输入滤波器、整流器、功率开关器件、输出滤波器和控制电路。
输入滤波器能够消除来自电源的干扰和高频噪音，确保稳定的输入电源。
整流器将交流电源转换为直流电源。
功率开关器件控制电流的开关操作，以产生高频脉冲信号。
输出滤波器将这些脉冲信号转化为稳定的输出电压或电流。
控制电路则负责监测和调节输出电源。
二. 变换器技术的应用1. DC-DC变换器DC-DC变换器是一种将直流电压转换为不同电压等级的电源。
它的应用非常广泛，比如在移动设备、汽车电子、通讯设备中常见到它的身影。
DC-DC变换器通过调整开关器件的开关频率和占空比，实现输入电压到输出电压的转换。
这种技术允许将电源适配到各种电子设备的需求，提供稳定的电力支持。
2. AC-DC变换器AC-DC变换器是将交流电源转换为直流电源的关键装置。
它广泛应用于各种家用电器、计算机设备和工业自动化系统。
AC-DC变换器通常包括整流器和滤波器。
整流器将交流电压整流为直流电压，而滤波器则进一步平滑输出电压，以确保负载设备的正常运行。
三. 开关电源和变换器技术的优势1. 高效性开关电源和变换器技术相比传统线性电源，具有更高的能量转换效率。
这是因为开关电源和变换器使用开关操作来控制电能的转换，减少了能量的损耗。
高效性使得电子设备运行更加节能，并减少了热量的排放，延长了设备的寿命。
2. 可靠性开关电源和变换器技术具备较高的稳定性和可靠性。
这是因为它们具备更严格的输入和输出电压/电流保护机制。
变换器的原理及应用
变换器的原理及应用变换器是一种能够将输入电能与输出电能之间进行变换的电气设备。
其原理是利用电磁感应现象，通过变换输入电压、电流的大小、频率以及相位，将电能从一个电路传输到另一个电路。
变换器在电力系统、工业生产、家庭电器等领域有着广泛的应用。
变换器的工作原理主要通过四个基本元件来实现：磁性晶体零序电流、绕组、磁芯和开关器件。
下面我将详细介绍变换器的原理及其应用。
变换器的工作原理是基于电磁感应现象。
当输入电压施加在输入绕组上时，电流通过输入绕组激励磁场，磁场通过磁芯传递到输出绕组，从而在输出绕组上感应出输出电压。
根据电路参数的不同，可以实现不同的变换比，包括变换输入电压、电流的大小、频率以及相位。
在变换器中，磁性晶体零序电流是一种关键元件。
它的作用是将输入电能转换为磁能，并将磁能存储在磁芯中，然后再将磁能转换为输出电能。
在不同的变换器中，磁性晶体零序电流的形式也不同，如变压器的磁性晶体零序电流是交变的，而直流变换器的磁性晶体零序电流是直流的。
绕组是另一个关键元件，它由导线组成，用于传输电流。
绕组有两个重要的参数：匝数和电流。
通过调整绕组的匝数和电流，可以实现不同的变换比。
此外，绕组还具有电阻和电感特性，对变换器的性能有着重要影响。
磁芯是用来传导磁场的材料，常见的有铁芯和铁氧体芯。
磁芯的选择对变换器的工作特性有重要影响。
铁芯具有较高的导磁性能，能够更好地集中和传导磁场，因此在一些高频应用中常用。
铁氧体芯具有较高的电阻率和低的涡流损耗，适用于高频和高温的环境。
开关器件在变换器中起到开与关的作用，用于控制输入电能的流动。
常见的开关器件有晶体管、二极管和功率场效应晶体管等。
通过控制开关器件的导通和截断时间，可以实现对输出电能的控制。
变换器在电力系统中有着广泛的应用。
其主要应用包括电压变换、电流变换、频率变换和相位变换等。
例如，交流输电系统中，通过变压器实现不同电压等级之间的变换；直流输电系统中，通过直流变流器实现直流与交流的变换。
电器工作原理剖析开关电源的稳压与变换
电器工作原理剖析开关电源的稳压与变换电器工作原理剖析: 开关电源的稳压与变换在现代社会中，电器设备已经渗透到我们的日常生活中的方方面面。
而在电器的工作过程中，电源的稳压与变换是至关重要的。
本文将对开关电源的稳压与变换原理进行剖析，以帮助读者更好地理解电器的工作机制。
一、开关电源的稳压原理稳压是指在电器设备中，保持电源输出稳定的过程。
开关电源是一种常见的稳压电源，它通过开关元件的开关动作，快速地打开与关闭电源，从而控制输出电压的稳定性。
开关电源的工作原理如下：1. 输入电源：开关电源通常采用交流电输入，经过整流、滤波等处理，将交流电转换成直流电。
通过整流电路将交流电转换为脉冲电流，再通过滤波电路将脉冲电流转换为平稳的直流电。
2. 开关元件的控制：开关电源中的开关元件（如晶体管、开关二极管等）通过控制开关状态，实现对输出电压的调整。
开关元件的开关频率很高，可以达到几十千赫兹甚至更高。
3. 脉宽调制（PWM）：通过脉宽调制技术，根据需求动态地改变开关元件的导通与断开时间，进而调整输出电压的大小。
通过调整导通时间与断开时间的比例，可以实现对输出电压的精确控制。
4. 反馈控制：开关电源中还配备有反馈控制电路，通过监测输出电压与设定值之间的差距，并对开关元件的控制信号进行调整，以使输出电压保持稳定。
二、开关电源的变换原理在现实生活中，我们常常需要改变电器设备的输入电压、电流或频率，以适应不同的工作环境和需求。
开关电源还可以实现对电能的变换与调节。
开关电源的变换原理如下：1. 逆变：开关电源可以将直流电转换为交流电，以满足某些设备对交流电的需求。
逆变电路通过不断改变开关元件的导通状态，将直流电转换为脉冲电流，并通过滤波电路将脉冲电流转换为交流电。
这种方式广泛应用于逆变电路中，如逆变器、UPS等设备。
2. 变频：开关电源可以通过控制开关元件导通的时间与断开的时间，实现对输出电频的调节。
将直流电转换为交流电后，通过改变导通与断开时间的比例，可以改变输出交流电的频率，适应不同设备对电频的需求。
电源转换电路原理
电源转换电路原理
电源转换电路是一种将一种电源的特性转换为另一种电源特
性的电路。
其原理基于电能的转换和调节，通过将输入电源的
电压、电流、频率或波形进行变换，得到符合输出设备要求的
电源特性。
常见的电源转换电路包括直流电源转换、交流电源转换和高
频电源转换。
直流电源转换电路的原理是通过变压器、整流电路、滤波电
路和稳压电路等组成。
首先，将AC（交流）电源转换为高频交流电源或直接使用DC（直流）电源；然后，使用整流电路将交流转换为直流；接着，通过滤波电路去除残余的交流成分；最后，使用稳压电路保持输出电压稳定。
交流电源转换电路的原理是通过变压器、整流电路、滤波电路、逆变电路和稳压电路等组成。
首先，使用变压器将输入电
源的电压变换到合适的值；然后，使用整流电路将交流电源转
换为直流电源；接着，通过滤波电路去除交流成分；最后，使
用逆变电路将直流电源转换为需要的交流电源。
高频电源转换电路的原理是通过高频开关器件（如MOSFET）和高频变压器等组成。
通过高频开关器件将输入电源转换为高
频交流电源，然后通过高频变压器将电压变换到合适的值，最
后使用整流电路和滤波电路得到稳定的输出电源。
总之，电源转换电路的原理是通过变换、调节和滤波等操作，将输入电源的特性转换为符合输出设备要求的电源特性。
不同
类型的电源转换电路根据具体需求选择不同的原理和组成部分，以满足不同设备的电源需求。
典型Boost 变换器_电源变换基础及应用_[共4页]
![典型Boost 变换器_电源变换基础及应用_[共4页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b1c13a22f61fb7360b4c65d8.png)
第1章 电源变换器稳态分析原理 7式（1.20）右边表示v L 的平均电压，或者称v L 的直流分量。
在平衡状态，电感电压的平均值必然为零。
图1-8电感电压波形被重新绘制在图1-11中，阴影部分的面积代表了总磁链λ，即s L g s s 0()d ()()(1)T v t t V V DT V D T λ==−+−−∫（1.21） 因此，平均值为L g s ()()(1)v V V D V D T λ==−+−− （1.22）所以 g 0()()(1)V V D V D =−+−−（1.23）解得 V =DV g （1.24）式（1.24）与式（1.4）巧合相同，因此利用电感伏秒平衡原理也可以推到出变换器输出电压的直流分量表达式。
该方法的一个最大的优点就在于其应用的广泛性（普适性），即它可以用于任何变换器的分析，在以后的章节中将应用该方法分析更加复杂的变换器电路。
同样的原理也可用于对Buck 变换器电容的分析，根据电容特性有C C d ()()d v t i t C t= （1.25） 对上式在一个开关周期内进行积分，可得s C s C C 01()(0)()d T v T v i t t C −=∫ （1.26） 稳态下，一个开关周期内电容电压的净增加值应等于零。
所以等式的左边为零，等式右边代表电容电流的积分值也应为零，即电容上的电量没有净增值。
一个等效的方程式为s C C 0s 10()d T i t t i T ==∫ （1.27） 从式（1.27）中可以看出，电容电流的平均值，或者说直流分量在稳态下一定为零。
该式被称为电容安秒平衡原理，常常用于分析变换器稳态电流。
从以上的分析可以直观地得出，当直流电流作用在电容器上，电容电量将持续增加，其上的电压值将不断升高；同理，如果直流电压作用在电感器上，电感磁链将持续增加，其上的电流值将不断升高。
1.3 典型Boost 变换器图1-12（a ）所示的是变换器中另外一个典型电路——Boost 变换器。
变换器的原理和应用范围
变换器的原理和应用范围1. 变换器的原理变换器是一种将电源输入转换为不同电压、电流或频率输出的电子设备。
它通过改变电压、电流或频率，提供适合不同设备或系统工作的电力。
变换器的原理可以归纳为以下几种：1.1 电压变换器电压变换器主要通过变压器来改变输入电压，通常包括输入和输出两个线圈。
通过改变输入和输出线圈的匝数比例，可以得到不同电压的输出。
常见的电压变换器有升压变压器和降压变压器。
1.2 频率变换器频率变换器是一种能够改变输入频率的装置。
它通过将电源输入经过整流、滤波、逆变等处理，得到不同频率的输出。
频率变换器在工业生产、电力系统和通信设备中广泛应用。
1.3 直流变换器直流变换器用于将交流电转换为直流电。
它通常由整流器和滤波器组成，可以将交流电转换为稳定的直流电。
直流变换器广泛应用于电力电子、能源存储系统和电动车辆等领域。
2. 变换器的应用范围变换器作为一种能够改变电源输入的电子设备，具有广泛的应用范围。
以下是变换器在不同领域中的应用：2.1 电力系统变换器在电力系统中起着至关重要的作用。
它可以将高压电网的电能转换为适合家庭和企业使用的低压电能。
此外，变换器还用于电力系统中的电能传输、分配和稳定控制等方面，确保电能的高效利用和安全运行。
2.2 通信设备在通信设备中，变换器用于改变电源输入以适应不同设备的电力需求。
例如，将标准交流电转换为直流电以供手机和计算机等电子设备使用。
变换器还用于通信设备中的电源管理和电力保护等方面。
2.3 工业自动化工业自动化中的各种设备和系统通常需要不同的电压和电流。
变换器可以将电源输入转换为适合工业设备的电力。
例如，将高压电源转换为适合电机和传感器的低压电力。
变换器还可以实现频率变换，适应不同设备的要求。
2.4 新能源领域随着可再生能源的快速发展，变换器在新能源领域中的应用越来越广泛。
例如，太阳能发电系统和风能发电系统通常需要将收集到的直流电转换为交流电以供使用或输送到电网。
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稳态时，电感的伏秒平衡的等效表达式为：
0 v (t )dt
Ts 0 L
1 0 T
Ts
0
v (t )dt v
L
L
s
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
电感伏秒平衡
vL(t)
稳态电感伏秒平衡原理
Vg-V DTs
总面积 λ
-V
阴影部分的面积代表了总磁链，即
iL(0)=0 0 DT T s s 2Ts
nTs
(n+1)Ts t
达到稳定状态（或称为平衡点）时：
iL (nTs ) iL [(n 1)Ts ]
电源变换基础及应用 第1章电源变换器稳态分析原理
电感伏秒平衡原理
在稳态时，电感的关系式定义为： v (t ) L di (t ) dt
L L
在一个完整周期内，对上式进行积分得 1 i (T ) i (0) v (t )dt L 等式左边表示一个周期电感电流的净增加，在稳态，电感电流 的初值和终值是相等的，因此等式左边等于0，故有：
电感电压：
vL (t ) v(t )
利用小扰动近似原理， 可得：
vL (t ) V
L + vL(t) Vg iL(t) C iC(t) R
+
v(t)
由电感知识可得
那么：
di (t ) vL (t ) L L dt
diL (t ) v(t ) V dt L L
-
电源变换基础及应用
0.2
-
0
0
0.2
0.4
D
0.6
0.8
1
(b) L
2
5
M(D)
Boost
iL(t) Vg
+
1
4
3
2
C
R
v
1
-
0
0
0.2
0.4 D
0.6
0.8
1
(c)
D
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
M(D)
Buck-Boost
1
2
+
C R
-1
Vg
L
i L (t )
-2 -3 -4 -5
v
-
Buck、Boost、Buck-Boost典型变换器及其变换率
+
v(t)
Vg
C
(a) iL(t) + vL(t) Vg C iC(t) R 开关拨到 位置1 L 开关拨到 位置2 L + vL(t) Vg iL(t) C iC(t) R
(b)
+
v(t)
+
v(t)
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
电感电压和电流：开关拨到位置1
电感电压：
vL (t ) Vg v(t )
g
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
第1章电源变换器稳态分析原理
电感电压和电流波形
vL(t)
Vg-V DTs D´ Ts
-V
开关位置
1
2
1
iL(t) I iL(0)
iL(DTs)
ΔiL
0
DTs
Ts
t
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
电感电流扰动值的确定
iL(t)
I iL(0)
iL(DTs) ΔiL
0
DTs
Vg V L
v (t )dt (V V ) DT (V ) (1 D)T
Ts 0 L g s
s
因此，平均值为
v
L
T
(V V ) D (V ) (1 D)
g
s
所以：
0 (V V ) D (V ) (1 D)
g
解得： V DV
图示电路结构被 称为Buck变换器， 其输出电压为：
Vg
L
1
+
2
+
C R v(t)
vs(t)
V DVg Vg
置入低通滤波器的开关电源
-
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
三种基本的直流-直流变换器
(a)
L
1
2
1
Vg
M(D)
Buck
iL(t)
C R
+
v
0.8
M(D)=D
0.6
0.4
1 v T
s
Ts
0
v (t )dt
s
s
这个积分值等于曲线下面的面积
vs
电源变换基础及应用
DTs Vg ，平均值为
1 DTsV g DVg Ts
第1章电源变换器稳态分析原理
Buck变换器
假设右图（a）的开关器件 为理想器件，则负载R上的 输出电压为：
(a)
1
+
2
+
R
v(t)
Vg
v(t ) vs DVs
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
1.2电感伏秒平衡、电容安秒平衡及小扰动近似
L
1 2
实际的电压输出波形如 右图，其表达式为
v(t ) V vripple (t )
iL(t) + vL(t) iC(t) R
+
v(t)
Vg
C
Buck变换器电路 v(t) V 实际波形 v(t)=V+vripple(t)
第 部分 电源变换器稳态特性 第1章 电源变换器稳态分析原理
1.1 引言 1.2 电感伏秒平衡、电容安秒平衡及小扰动近似
1.3 典型Boost变换器
1.4 典型Cuk变换器
1.5 输出电压扰动估计
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
1.1 引言
输出电压周期平均值
输出电压 Vs 的直流成分等于其一个周期的平均值 Vs ，即
其中，vripple (t ) 是开关谐 波通过低通滤波器后的 交流分量。 由于 | vripple | V ，通常忽 略不计，认为输出电压
v(t ) V
电源变换基础及应用
直流分量 V
0 输出电压波形
t
第1章电源变换器稳态分析原理
Buck变换器分析
L
1 2
iL(t) + vL(t) iC(t) R
则：
vL (t ) Vg V
L
iL(t) + vL(t) Vg C iC(t) R
由电感知识可得
di (t ) vL (t ) L L dt
+
v(t)
那么：
diL (t ) v L (t ) Vg V dt L L
-
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
电感电压和电流：开关拨到位置2
Ts
t
根据电流曲线的斜率可得峰峰值为：
2iL DTs
从而解出扰动电流为：
iL Vg V 2L DTs 则 L Vg V 2iL DT
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
Buck变换器开通瞬间电感电流波形
iL(t)
iL(nTs)
iL((n+1)Ts)
iL(Ts)
图（b）为输出电压波形 占空比D
(b) vs(t) Vg DTs 0
开关位置:
vs(t)
-
-
0 D 1
通常也记作
D´ Ts
0 DTs 1
2
D' 1 D
Ts
1Байду номын сангаас
t
理想开关降压型模型及输出电压
电源变换基础及应用
第1章电源变换器稳态分析原理
置入低通滤波器的开关电源
插上一个由电感和电容组成的低通滤波器，用于消除 由于开关产生的开关谐波，仅保留 v s 的直流成分。