电力电子技术：第四章 直流-直流(DC-DC)变换
电力电子技术_第四章直流—直流变换..
I0 1 ton 1 t1 U C iC dt I 0 dt ton C 0 C 0 C U0 E 因ton = T = ,则 U0 f I 0 (U 0 E ) I 0 U C = fCU 0 fC
24
DC-DC
南华大学电气学院电子工程系
-电力电子技术-
4、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper) L和C很大 电感电流iL和负载电压uo基本为恒值 工作原理 ： V通时 E经V向L供电使其贮能，电流为i1 C维持输出电压恒定向负载供电 V断时 L的能量向负载释放，电流为i2 负载电压上负下正 稳态时
-电力电子技术-
（3） 滤波器的设计 为了获得平直的直流输出电压U0，应设计好输出低通滤波 器，可以通过对电流连续时输出电容电压UC纹波的计算来 估算L、C值。 按照电路拓扑，iL=i0+iC，电感电 流的脉动成分ΔiL全部流入电容， 即ΔIC=ΔIL，稳定运行时流经电 容电流的平均值应为0。因而可 从图上可以看到半周期内(1/2)T 内电容电量的变化为
3
DC-DC
南华大学电气学院电子工程系
-电力电子技术-
DC－DC变换电路的控制原理
一、 基本控制方式
1、时间比控制 脉宽控制、 频率控制、 混合控制
t 1 T U 0 udt on E E T 0 T
4 DC-DC
南华大学电气学院电子工程系
-电力电子技术-
2、瞬时值控制
5
DC-DC
1）电感上电流纹波；
2）输出电压纹波比值 解： 1）斩波周期 1 1
T f
3
Uc Uo
。
20 10 U 5 导通比 = O 0.417 E 12 U 5 I L O (1 )T (1 0.417) 5 105 0.0729 A 3 L 2 10 Uc 1 1 2) (1 )T 2 (1 0.417) (5 105 ) 2 3 6 Uo 8 LC 8 (2 10 ) (220 10 ) 4 104 0.04%
电力电子报告 DC-DC变换
《电力电子电路的计算机仿真》综合训练报告班级姓名学号专业电气工程及其自动化指导教师陈伟2011年 12 月 26 日前言电力电子技术是综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科的知识，是一门实践性和应用性很强的课程。
由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来的了一定的复杂性和困难，因此一般常用波形分析的方法来研究。
本文就基于MATLAB软件，利用MATLAB软件中的Simulink库具有模拟、数字混合仿真功能、具备大量的模拟功能模型和系统分析的能力，进行方波逆变电路的计算机仿真分析，设计了DC-DC变换电路，实现升压，降压功能。
设计一降压变换器，输入电压为200V，输出电压可调，负载电阻为20欧姆，开关器件选用MOSFET。
设计一升压变换器，输入电压为3-6V，负载电阻为10欧姆，开关器件选用MOSFET，开关频率40kHz,要求电流连续。
完成上述DC-DC变换电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压、电流波形、系统输入电压、电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。
关键词：DC-DC变换器 Mosfet开关器件 MATLAB计算机仿真1目录第一章MATLAB仿真软件 (1)1.1 MATLAB简介 (1)1.2 Simulink简介 (3)1.2.1 Simulink的功能 (4)第二章 MOSFET开关器件简介 (4)2.1 MOSFET开关器件简介 (4)2.2 Mosfet的结构及工作原理 (5)第三章 DC-DC变换器的设计原理 (8)3.1 降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理 (8)3.2 升压斩波电路（Boost Chopper）工作原理 (9)第四章 DC-DC变换器的计算机仿真模型的建立 (10)4.1 降压变换器仿真 (10)4.1.1 降压变换器电路参数设计 (11)4.1.2 降压变换器仿真波形 (13)4.2升压变换器设计 (17)4.2.1 升压变换器电路参数设计 (17)4.1.2 升压变换器仿真波形 (18)第五章总结 (22)第六章心得体会 (22)参考文献： (23)第一章MATLAB仿真软件1.1 MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
dc-dc变换原理
dc-dc变换原理
DC-DC变换器是一种电子设备，用于将直流（DC）电压转换为另一种直流电压。
这种转换器在许多电子设备中都有广泛的应用，例如在电源适配器、电动汽车、太阳能系统和通信设备中都可以看到它们的身影。
DC-DC变换器的工作原理基于电感和电容的原理，通过精确控制开关管的导通和截止来实现输入电压到输出电压的变换。
DC-DC变换器的基本工作原理是利用电感和电容储存和释放能量，从而实现电压的升降。
当输入电压施加到变换器上时，开关管周期性地开关，这导致电感和电容中的能量储存和释放。
通过调整开关管的占空比和频率，可以实现对输出电压的精确控制。
在一个典型的升压型DC-DC变换器中，当开关管导通时，电流会通过电感和负载，从而储存能量。
当开关管截止时，电感中的储能会释放，从而提供给负载。
通过控制开关管的导通和截止时间，可以实现输出电压的精确控制。
相比于线性稳压器，DC-DC变换器具有更高的效率和更小的体积。
这使得它们在需要高效能转换和对电源体积要求严格的场合中
得到广泛应用。
总之，DC-DC变换器是一种非常重要的电子设备，它通过精确控制电感和电容的能量储存和释放，实现了输入电压到输出电压的精确变换。
在现代电子设备中，它们的应用已经变得非常普遍，为我们的生活带来了诸多便利。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
电力电子技术
电力电子技术（区分）电力电子器件按照控制特性分类：1）不可控型器件（不具有开关性能）：功率二极管；2）半控型器（只能控制导通不能控制其关断）：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件；3）全控型器件（既能控制导通又能控制其关断）：可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管等。
变换器按照电能变换功能分为：1）交流—直流变换器（AD-DC Converter）；2）直流—交流变换器（DC-AD Converter）；3）交流—交流变换器（AD-AD Converter）；4）直流—直流变换器（DC-DC Converter）。
晶闸管导通需要具备的条件：1）在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压（即在阳极加正向电压）；2）在晶闸管的门极与阴极之间加上正向电压和电流（即在门极加正控制信号）。
区分维持电流和擎住电流：1）维持电流I H：在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小阳极电流。
2）擎住电流I L：晶闸管从断态转换到通态时移去的触发信号之后，要保持器件维持通态所需要的最小阳极电流。
对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流为维持电流的（2~4）倍。
晶闸管的通态平均电流I T(AV)和正弦电流最大值I m之间的关系：I T(AV)= ;正弦半波电流的有效值I T：I T= 。
绝缘栅双极型晶体管IGBT兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性。
由栅极电压来控制IGBT的导通或关断。
晶闸管对驱动电路的基本要求：1）驱动信号可以是交流、直流或脉冲；2）驱动信号应有足够的功率；3）驱动信号应有足够的宽度和陡度。
晶闸管串联时必须解决其均压问题，均压包括静态均压和动态均压两种。
器件的容量从高到低的顺序：SCR、GTO、IGBT、BJT、功率MOSFET；器件的频率从高到低的顺序：功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR。
第二章：触发角a也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受电压开始到导通之间角度。
电力电子技术基础课件：DCDC变换——斩波器
Ton
Ton
V0 =
Vs =
Vs = DVs
✓ 负载电压平均值为：
Ton Toff
Ts
✓ 负载电流平均值为：
V0 - Em
I0 =
R
② 当电流断续时
负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
DC/DC变换——斩波器
2、降压斩波电路
iS
_
+ vL
V
iL
例题3-1
L
io
VG
如图所示的降压斩波电路，已知Vs=200V，R=10Ω，
vL
ic
VG
V
解：由于C值、L值极大，故负载电流连续，所以输出电压平均值为：
Ts
40
Vo =
Vs =
50= 133.3 (V )
Toff
40 25
输出电流平均值为：
V0
133.3
Io =
=
= 6.67 (A)
R
20
io
+
C
R
Vo
电力电子技术
DC/DC变换——斩波器
➢ 1. 概述
➢ 2. 基本斩波电路 -- 升压斩波电路的典型应用
升压斩波电路（Boost电路）
✓
升降压斩波电路
✓
Sepic电路
✓
Cuk电路
iS
+
vL
R
C
iVD
_
VD
io
iC
VG
Vo
Buck电路
L
VS
✓
VD
VS
V
+
C
Zeta电路
Boost电路
电力电子技术-第4章逆变电路
ON
VD
14
VD
VD b)
VD
固定180°移相方波控制方式
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？ ★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。 能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：
移相导电方式。
课程回顾
uo S 4
图5-1 i 从电源负极流出，经 S S3流回正极，负载电 2、负载和 o t1时刻断开 St 、 S ，合上 S 、 S ， u 变负，但 u 1 1前： 4 S1、S4通， 2 3 o 和i o o 均为正 io不能立刻 电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。 感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io 反向
负载提供能量。
VD V
2 2
• VD 1 或 VD 2 通时， i o 和 u o 反
a) uo Um O -Um io O t3 t4 t1 t 2 t5 t6 V1 V2 V1 V2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
向，负载电感中贮藏的能量
向直流侧反馈。
t
• 输出电压 uo 为矩形波，幅
• 全桥逆变电路
*导电方式一： V1,V4同时通断；
uo Um O
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180 ゜。
-Um
io O t3 t1 t 2 V 14 VD
14
t
t4 t5 t6 V 23
23
t
V2
23
ON
V 14
14
VD
VD b)
VD
思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
电力电子技术(第三版)(贺益康、潘再平著)PPT模板
03 第三章交流－直流变换
第三章交流 －直流变换
01 3 . 1 单 相可 控整流
电路
03 3 . 3 有 源逆 变电路
05 3 . 5 整 流电 路的谐
波及功率因数
02 3 . 2 三 相可 控整流
电路
04 3 . 4 电 容滤 波的不
可控整流电路
06 3 . 6 大 功率 整流电
路
第三章交流－直流 变换
电力电子技术（第三版）(贺益康、 潘再平著)
演讲人 2 0 2 X - 11 - 11
REPORT
01 第一章功率半导体器件
第一章功率半 导体器件
0 1
1.1概述
0 4
1.4大功率晶 体管
0 2
1.2大功率二 极管
0 5
1.5功率场效 应晶体管
0 3
1.3晶闸管
0 6
1.6绝缘栅双 极型晶体管
第一章功率半导体 器件
07 第七章谐振软开关技术
第七章谐振软开关 技术
7.1谐振软开关的基本概念 7.2典型谐振开关电路 本章小结 思考题与习题
08
第八章电力电子技术在电气 工程中的应用
在第 电八 气章 工电 程力 中电 的子 应技 用术
01
8.1晶闸管 －直流电动 机调速系统
04
8.4变速恒 频发电技术
电路
5.5逆变电 路的多重化 及多电平化
5.1逆变电 路概述
5.2负载谐 振式逆变电
路
5.3强迫换 流式逆变电
路
第五章直流－交流 变换
5.7PWM整流电路 本章小结 思考题与习题
06 第六章交流－交流变换
第六章交流－交流变换
电力电子技术课后习题答案
m
第四章 直流-直流变换技术
4-1 答：主要元器件有开关元件、电容器、电感器和快恢复二极管。基本原理是利用对电感的定时地间隙储能及 释放，实现电能的转移和变换。
2-2 答： 使晶闸管导通的条件是：晶闸管处于正向偏置电压时，给门极施加足够功率的触发电压；当晶闸管处于 导通状态时只要将导通的电流减小到小于维持电流，或者直接施加反向电压就可。 2-3 答： 1)
IdVT
IT ( AV )
2)
IdVT
4
IVT
1
i dt
2 4 0
相电压之间通过 VT3 及短路的 VT1 发生短路，从而又烧毁 VT3。
ww
3-12 答：设α=30º 1）单相半波：IdVT=Id=30A，IVT=kf*IdVT=1.606﹡30=48.2A。 2）单相桥式：IdVT=Id/2=15A，IVT=kf*IdVT=1.606﹡15=24.1A。 上述两题均可采用式 3-7（根号中的 sinα应为 sin2α）计算 Kf 3) 提示：三相半波电阻性负载时需要先推出一个晶闸管流过电流（1/3 周期）的有效值计算式和平均值计算 式，获得波形系数 Kf，然后根据一个晶闸管流过电流平均值（是负载电流的 1/3）计算有效值。
da
1/2
后 答
w.
3-11 答：一个晶闸管不能导通时，会导致输出波形缺波头。例如 VT1 不导通，则 输出将直接从
uCb 降为 0。一个晶闸管短路问题将十分严重，例如 VT
w.
uab,uac 的波头将失去，此处
VT3 时，会导致
1 短路，当触发
案 网
1）由 Ud 0.9U 2
1 cos 得: Ud=0.9*220(1+0.866)/2=184.7V 2
电力电子技术课件 10 DC-DC变换器
其中β为变压比的倒数。
4.1.3 Buck-Boost变换器
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。
4.1
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中 T是可控开关， R 为纯阻性负载。在时间 内当开关T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。
电路中开关的占空比
D
ton TS
TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。 由波形图可得到输出电压平均值为
U dTS D(1 D) 2L
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
I OB
U d TS D(1 D) 2 LO
式中IOB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 IOB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Io＞ IOB时，电感电流连续； 当实际负载电流Io = IOB时，电感电流处于连续（有断流临界点）;
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4.2 基本DC－DC变换器
1.电流连续时
9
4.2 基本DC－DC变换器
2.电流断续时
I LB
1 2 iLP
1 2
Eton L
1 2L
[(1
a)U
0
]
aT
U0T 2L
a(1 a)
10
4.2 基本DC－DC变换器
Boost-Buck(升降压型)变换器
11
4.2 基本DC－DC变换器
Boost-Buck(升降压型)变换器
)T
iL
ton 0
(E
U0 ) dt L
(E
U0 )ton L
，
ton
T
5
4.2 基本DC－DC变换器
2）断续时
I Lo
iLP
1
2
U0T 2L
(
1 )1
ET 2L
1
4ILB max1
U0 =
2
E +1 2 1 IL0
4 I LB max
1
=
4LLB
ILo
max
ILo =4ILB max1
6
4.2 基本DC－DC变换器
3.滤波器设计
UC
QC C
1 8C
I LT
L IL toff
L IL (1 a)T
U0
UC
U0 8LC
(1 a)T 2
I L
U0 L
(1 a)T
7
4.2 基本DC－DC变换器
Boost(升压型)变换器
输出电压的平均值U0要大于输入电压E 主要用于开关稳压电源、直流电机能量回馈制动
I1 ton
ton
L1I1 ， E
toff
-L1
E
I1 UC1
I1
Eton L1
（- E－UC）toff L1
E
U C1
1 a
注：ton = aT ， toff =（1 - a）T
L2中电流变化
U C1
U0
L2
I I L22L21ton来自L2I2 ton
ton
L2L2 ， UC1 U0
toff
2）当V1断、 V2通时，电机工作 于再生制动状态（II象限）， V2、 VD1 (及L)构成的Boost变换电路，将制动时 电机产生的电能回馈到电源；
3）在一个周期内变换器交替工作 于降压斩波（Buck电路）与升压斩波 （Boost电路），两种电路的切换可在 开关电流过零时实现。
（a）典型电路
（b）工作波形
o ug2
t
(3)
触通VT2，C经VT2与L1形成谐振，C放 电并反向充电,上(-)下(+),负载仍有电压 ，
o uLR
t1
t2
t
如图（c） 。 (4)uc=-E时，，ic=0，VT2断，uc经VD1反压
o uC
t3 t4
t
加至VT1，VT1关断，如图（d）。
o
t
(5)VT1断后，VD2通，C经L1、VD1、L2、
-L2
I 2 U0
U C1
U0 a
U0 I a E I0 1 a
15
4.3 晶闸管斩波器
1. 降压斩波器
t1~t2
t2~t3
t3~t’3
T’3→t4
16
4.3 晶闸管斩波器
(1)VT1，VT2均不通 , E经L1、VD1 ,L1,R对C ug1
充电，如图（a）。
(2)触通VT1，负载上有电压，VD1截至，C 无放电回路，如图（b） 。
uC下降； (2)VT关断时，iL方向不变，则其感应电势和E叠加后向负载供电，同时
向C充电， uC上升，且有： 储存在L中的能量=转储到C中的能量+负载消耗的能量
18
4.3 晶闸管斩波器
电感中的能量∶
VT通：Win E IL ton
VT断 :Wout (Ud E) IL toff
输入-输出电压关系∶
直流－直流（DC－DC）变换
用途∶降压、升压、调阻等
调节方式： 时间比控制 1）脉宽控制：
T不变，改变tonαU0
特点：滤波器设计容易
2）频率控制：
ton不变，T改变αU0
特点：滤波电路设计困难
3）混合控制：
T、ton均可改变αU0
特点：提升U0值，但滤波困难
1
4.1 DC－DC变换的基本控制方式
由Win Wout，可得
Ud
ton toff toff
E T toff
E E
1
19
3．斩波变阻
4.3 晶闸管斩波器
斩波器断∶ R=Rd+Rex 斩波器通∶ R=Rd
R (Rd Rex ) toff Rd ton Rd (toff ton ) Rextoff
T
T
Rd
Rex
toff T
1.直流连续时
（E U0 )ton U t0 off 0
U0 ton ton
E ton toff T
EI U0I0
I0 E 1
I U0 = I U0
I0 E
4
4.2 基本DC－DC变换器
2.电流断续时
1）临界断续
I LB
1 2
iLP
1 2
(E U0 )ton L
1 2L
(
E
U0
Rd Rex (1 )
20
4.4 双向DC-DC变换器
通过DC-DC变换器控制直流 电机调速运行，可让其工作在电动 机状态，或再生制动（能量回馈到 电源）状态，从而提高效率。
DC-DC变换器典型电路如右 图，其有三种工作方式：
1）当V1通、 V2断时，电机工作 于电动机状态（I象限），电源E经V1 、 VD2 (及L)构成的Buck变换电路向电机 M降压供电供电，通过调压实现调速；
iC
VD2回路谐振，uc由 -E上升到E，uc=E时， ic=0，停止向负载输出，如图（e） 。
o iT1
t
(6)电源停止输出后，负载电流经VDF续流， 如图（f） 。
o
t
17
4.3 晶闸管斩波器
2 升压斩波器 利用电感中的储能释放时产生的电压来提高输出来提高输出电压
工作原理： (1) VT导通时，E加至L，L开始储能，iL上升；C向负载放电，并关断VD，
瞬时值控制
特点：输出恒压（恒流）；开关器件频率高且不恒定，开关损耗大； 谐波成分丰富，但以高频为主，可高通滤波。
2
4.2 基本DC－DC变换器
Buck（降压型）变换器
输出电压平均值U0恒小于输入电压E 主要应用于开关稳压电源，直流电机速度控制及需要直流降压变换的环节
3
4.2 基本DC－DC变换器
u0
II象限 III象限
I象限 i0
IV象限
21
4.4桥式可逆斩波器
22
4.4桥式可逆斩波器
单极性脉宽调制
特点：“H”桥中一同相桥臂上下阀交替通断， 另一同相桥臂上阀常断、下阀常通。
Eton U0toff 0
U0 ton E toff 1- I0 1 I
12
4.2 基本DC－DC变换器
CÚ K变换器
13
4.2 基本DC－DC变换器
CÚ K变换器
U0 E 1- I0 1 I
14
4.2 基本DC－DC变换器
L1中电流变化
E
L1
I I L12
L11
ton
L1