第四章直流-直流变换器教学案例

(4-11)
18
2.输出电流与输入电流的关系
❖ 假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0 ❖ 其输入和输出功率分别为
Pi IiU d
Po
I oU o
U
2 o
R
❖ 从而有 IiU dIo U oIoU d
❖ 等式两边约去Ud，则有
Io
Ii
（4-12）
19
3.电感的纹波电流
❖ 由式（4-9）和式（4-10）可得
② 保 称持 为频开关率导调通制时或间调t频on不型变，改变开关周期T， ③ ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
❖ 其中脉宽调制方式应用最多，因为采用频 率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波 器设计也比较困难。
9
❖图4-2 带感性负载斩波电路 ❖当斩波器带感性负载时，应采用图4-2所示
电路。图4-1和图4-2都是降压斩波电路。
▪ 当α从0变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，输入电流的平均 值将是输出电流平均值的α倍。可以看出，输出到负载的电压平均 值UO与E及α有关，可以通过改变α来调节UO。
❖ 其输出电压有效值为
UT10Tuo2dt2 Ud
（4-2）
7
❖ 若认为斩波器（S）是无损的，则输入功率应与输出功率 相等，即
动画 25
1、工作模式1（0≤t≤t1=αT）
❖ 设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向 电感充电，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时 电容C上的电压向负载供电，电容上电压uC减小，电容上 电流iC=-IO（假设负载上的电流基本恒定），电路模式及 工作波形如图（4-6）所示。因此
21
❖ 从波形图可以看出，要使电感电流不出现断续，电流峰峰脉动值ΔI必须大于输出电流的一半。令ΔI=Io/2，可的电 感电流连续式电感量临界值
L2Uo(Ud Uo)T UdIo
（4-20）
❖ 显然，当输入输出电压确定时，负载电流越大，维持电流 连续所需电感量就越大，开关频率越高，电感量也可取得 小。当发生电感电流不连续时，输出电压的公式将与上面
动画 17
二、主要数量关系(连续 )
1.输出电压和输入电压的关系
❖ 由式（4-5）可得电感上的峰-峰脉动电流为
I
Ud
Uo L
t1
❖
由式（4-7）又可得
I
Uo L
t2
❖ 两者相等，故有 UdLUot1ULot2
❖ 将t1=αT，t2=（1-α）T代入上式，既整理得
Uo Ud
(4-8) (4-9) (4-10)
第四节 升降压斩波电路
一、升降压斩波 电路工作原理
二、主要数 量关系
33
一、升降压斩波电路工作原理
❖升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper） 主要用于：特殊的可调直流电源，这种电 源具有一个相对于输入电压公共端为负极 性的输出电压，此输出电压可以高于或低 于输入电压
❖升降压斩波电路原理图如图4-7（a）所示。 在电感电流连续时，升降压斩波电路工作 于如图4-7（b）所示的两种模式，同样指 每个周期由两个时段。
10
第二节 降压斩波电路
一、降 压斩波 电路工 作原理
二、主 要数量 关系
11
一、降压斩波电路工作原理
❖降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如图 4-3（a）所示。
▪ 该电路使用一个全控型器件V，图中所用为IGBT，也 可以是其它器件。若采用晶闸管，则需设置使晶闸管 关断的辅助电路。
为升压斩波电路，也称为Boost变换器（Boost
Converter）。
28
❖ 当α从0趋近于1时，输出电压从Ud变到任意大。（1-α）称 为升压比，调节其大小，可改变输出电压U0的大小。将升 压比的倒数记作β，则α+β=1
❖ 因此，式（4-26）可表示为
Uo
1
E 1 E
1
(4-27)
29
2.输出电流与输入电流的关系
❖ 图4-3（b）给出了该 电路的两种不同的电 路工作模式，一个周 期中其工作过程按时 间了分成两个时间段， 分别对应两个模式。
动画 13
t1
IL
Ud Uo
(1)工作模式1（0≤t≤t1=αT）
❖ 设t=0时刻，V管被激励导通，VD管要承受反压，故电 流IVD迅速下降，而V管电流迅速上升。
❖ 此过程开关时间很短，可认为瞬间完成。此时电路工作 于模式1，如图4-3（b）所示。
❖其中前两种是最基本的电路，本章将对这 两种电路作重点介绍，并在此基础上介绍 升降压斩波电路和Cuk斩波电路。
5
二、基本斩波电路的工作原理
❖ 最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。 ❖ 当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直
流电压加到负载R上，并持续ton时间。 ❖ 当开关（S）断开（即电力电子器件关断）时，负
❖ 由式（4-26）可得
t1
Uo Ud Uo f
❖ 将式（4-33）代入式（4-32）得
（4-33）
UC
Io(Uo Ud) CfU o
（4-34）
或
UC
I o
Cf
（4-35）
❖ 由源式电（压4E-，26其）主可要知有，两升个压原斩因波：电一路是的L输储出能电后压具U有0大使于电电压
泵升的作用，二是电容C值较大可将输出电压保持住。 32
❖假设此时电感电流io按直线规律下降，电感 释放能量。则有
Uo
LI t2
（4-7）
t2
(I )L Uo
（4-8）
动画 15
❖至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上 一个周期的过程。
❖为了使电流连续且脉动小通常使串联的电 感L值较大，电路工作在稳态时可使负载电 流在一个周期的初值和终值相等。电流连 续时波形如图4-3（c）所示。
❖ 在若假V管定接这通期的间t1U时o不间变内，，则V管电流感过L中的的电电流流就直是线电上感升电，流能， 量储存于电感中。则有
UdUoLI2t 1I1L t1I
t1
IL
Ud Uo
（4-5）
（4-6）
动画 14
（2）工作模式2（t1=αT≤t≤T）
❖设t =t1时刻，控制V关断，电感电流经二极 管VD续流，此时VD导通，电路工作于模式 2，如图4-3（b）所示。
Ud
LI2I1 t1
LI t1
（4-21）
或
t1
(I )L Ud
（4-22）
动画 26
2、工作模式2（t1=αT≤t≤T）
❖ 设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，Ud和L共 同向电容C充电，并向负载R提供能量。若假定在此期间 的电感电流仍按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uC 增加，电容上电流iC=iL-IO，电路模式及工作波形如图（46）所示。则有
t1
LI Ud U
o
❖ 因此开关及时间tT2 可 表LUo示I 为
❖
T1 f t1t2Uo ( (U I)dLU U do) （4-13）
❖ 由式（4-13）可得电感纹波电流表达式为
❖
I Uo(Ud Uo) （4-14）
fLUd
❖或
I Ud(1)
fL
（4-15）
20
4.输出纹波电压
❖
因 Δ时iL为间=Δi里Li=C，i。C+电因io容，为充若电电假容或定电放负流电载一的电周电流期荷i的o的量平脉为均动值电为流零很，小那而么可在忽t1略/2，+ t则2/2=T/2
动画 16
2.电感电流断续
❖ 若电路中L值较小或负载很轻或开关频率 很低时，会发生电感电流iL在一个周期结 束前就下降到零的情况。这样，每个周期 开始时，iL必然从零开始上升。这种情况 就是不连续导电模式。
❖ 在电流断续情况下，一个周期分三个时间 段。其三个时段的等效电路如图4-4所示。 电流不连续时工作波形如图4-5所示。
载波上电的路电 的压 工为 作零 周，期并，持其续输出toff波时形间如，图T＝4-to1n所+t示off为。斩
6
❖ 由波形图可得输出电压平均值为
UOT 10tonEdttT onEE
（4-1）
▪ ton为S闭合（导通）时间；toff为S断开（关断）时间；T＝ton+toff为 斩波电路的工作周期；α为导通占空比，简称占空比或导通比，α ＝ton/T
分析的结果大不相同。
22
第三节 升压斩波电路
1
3
❖应用场合举例：
▪ 在有些便携式设备中，如笔记本电脑，内部不 同元器件的工作电压可有多种，而供电电池电 压只能是一种规格，这就需要直流电压变换， 包括升压变换，以满足各元器件的工作电压要 求。
24
P iT 10 TuoidT 1 t 0 Tu R o 2d t U R d 2（4-3）
❖ 从直流电源侧看的等效电阻为
Ri
Ud Io
Ud
Ud
R
R
（4-4）
8
三种控制方式
❖ 据对输出电压平均值进行调制的方式不同， 斩波电路可以有三种控制方式。
① 保 称持 为脉开关冲周宽期度T调不制变（，P调uls节e开W关id导th通时间ton， Modulation，缩写为PWM）或脉冲调宽型。
❖ 假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0 ❖ 其输入和输出功率分别为
Pi IiU d
Po
I oU o
U
2 o
R
❖ 从而 IiUdIoUoIo1U d
❖ 有等式两边约去Ud，则有
IoI(1) （4-28）
30
3.电感的纹波电流
❖ 由式（4-22）和式（4-24）可得开关时间T可表示
T1 f t1t2Ud ( (U I)oL U U od)（4-29）