1、11 1、直流電壓變換電路、直流電壓變換電路： 利用電力開關器件周期性的開通與關斷來改變輸出電壓的大小，將直利用電力開關器件周期性的開通與關斷來改變輸出電壓的大小，將直流電能轉換為另一固定電壓或可調電壓的直流電能的電路稱為直流變換流電能轉換為另一固定電壓或可調電壓的直流電能的電路稱為直流變換電路。電路。(開關型開關型DC/DC變換電路變換電路/斬波器斬波器)。2 2、直流電壓變換電路的分類：、直流電壓變換電路的分類： 按穩壓控制方式按穩壓控制方式:脈沖寬度調制脈沖寬度調制(PWM)、脈沖頻率調制、脈沖頻率調制(PFM)直流變直流變換電路。換電路。 按變換器的功能按變換器的功能:降壓變換電路降壓

2、變換電路(Buck)、升壓變換電路、升壓變換電路(Boost)、升、升降壓變換電路降壓變換電路(Buck-Boost)、庫克變換電路、庫克變換電路(Cuk)和全橋直流變換電和全橋直流變換電路。路。 3 3、隔離方式：、隔離方式： 在直流開關穩壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實現電隔離，而在直流開關穩壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實現電隔離，而在直流電機的調速裝置中可不用變壓器隔離。在直流電機的調速裝置中可不用變壓器隔離。2 第第3章章 直流電壓變換電路直流電壓變換電路 3.1 直流變換電路的基本原理及控制方式直流變換電路的基本原理及控制方式 3.2 降壓直流電壓變換電路降壓直流電壓變換電

3、路 3.3 升壓直流電壓變換電路升壓直流電壓變換電路 3.4 直流變換直流變換降壓降壓-升壓復合型直流變換電路升壓復合型直流變換電路 3.5 庫克直流電壓變換電路庫克直流電壓變換電路 3.6 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術控制技術 3.7 直流開關電源的應用直流開關電源的應用33.1 3.1 直流電壓變換電路的基本原理及控制方式直流電壓變換電路的基本原理及控制方式v工作原理：工作原理：圖中圖中S是可控開關，是可控開關，UD是恒定直流電是恒定直流電壓電源壓電源 ，R為負載。當開關為負載。當開關S閉合時，閉合時，UO=UR=UD，并持續并持續ton時間。當開關切斷時，時間。當開關

4、切斷時， UO=UR=0，并持，并持續，由圖可得，直流變換電路輸出電壓的平均值為續，由圖可得，直流變換電路輸出電壓的平均值為vT為開關為開關S的工作周期的工作周期，ton為導通時間，為導通時間， toff為關斷為關斷時間。時間。v是變換是變換電路的工作頻率或開關的占空比電路的工作頻率或開關的占空比 輸出功率為輸出功率為v 圖圖3.1直流電壓變換電路原直流電壓變換電路原 理圖及輸出波形圖理圖及輸出波形圖 SonTtTDORUdtiuTP020013.1.1 3.1.1 直流電壓變換電路的基本原理直流電壓變換電路的基本原理輸出電壓平均值的改變：輸出電壓平均值的改變：因為因為是是01之間變化的系數，

5、因此在之間變化的系數，因此在的變化范的變化范圍內輸出電壓圍內輸出電壓UO總是小于輸入電壓總是小于輸入電壓UD，改變，改變值就可以改變其大小。值就可以改變其大小。占空比的改變：占空比的改變：通過改變通過改變ton 或或T來實現。來實現。 DonDonoffonDoUTtUtttUU43.1.2 3.1.2 直流電壓變換電路的控制方式直流電壓變換電路的控制方式v脈寬調制脈寬調制(PWM)工作方式：工作方式：v 即保持電路頻率即保持電路頻率f不變不變(f=1/T)，改變，改變ton。在這種調壓方式中，輸。在這種調壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得出電壓波形的周期是

6、不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得濾波器的設計容易。濾波器的設計容易。v脈沖頻率調制脈沖頻率調制(PFM)工作方式：工作方式：v 即保持即保持ton不變，改變不變，改變T(f)。在這種調壓方式中，由于輸出電壓波。在這種調壓方式中，由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設計比較困難，輸出諧波干擾嚴重，一般很少采用。器的設計比較困難，輸出諧波干擾嚴重，一般很少采用。v混合調制控制方式：混合調制控制方式：ton和和T都可調，使占空比改變。都可調，使占空比改變。 普遍采用的是脈寬調制控制方式。因為頻率

7、調制控制方式容易普遍采用的是脈寬調制控制方式。因為頻率調制控制方式容易產生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。產生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。 53.2 降壓直流電壓變換電路降壓直流電壓變換電路原理圖原理圖 續流二極管續流二極管全控型電全控型電力器件力器件輸入直輸入直流電壓流電壓濾波電感濾波電感濾波電容濾波電容負載負載6T圖圖3.23.2降壓變換電路及其波形圖降壓變換電路及其波形圖觸發脈沖在觸發脈沖在t=0時，使開時，使開關關S導通，在導通，在ton導通期導通期間電感間電感L中有電流流過，中有電流流過，電流按指數曲線緩慢上電流按指數曲線緩慢上升，其等效電路如圖升，其等效電路如圖3.2（

8、b）負載電壓等于電）負載電壓等于電源電壓源電壓UD。當觸發脈沖。當觸發脈沖在在t=T時刻使開關時刻使開關S斷斷開而處于開而處于toff期間，負載期間，負載電流經續流二極管電流經續流二極管VD釋釋能，輸出電壓近似為零，能，輸出電壓近似為零，負載電流呈指數曲線下負載電流呈指數曲線下降，其等效電路如圖降，其等效電路如圖3.2（c）所示。圖）所示。圖3.2（d）是各電量的工作波形圖。是各電量的工作波形圖。7圖圖3.3 電感電流波形圖電感電流波形圖v Buck變換器的運行情況：變換器的運行情況：電感電流連續模式電感電流連續模式電感電流臨界電感電流臨界連續狀態連續狀態電感電流斷流模式電感電流斷流模式v電感

9、中的電流電感中的電流i iL L是否連續，取決于開關頻率、濾波電感是否連續，取決于開關頻率、濾波電感L和電容和電容C的數值。的數值。8dtdiLuLL onLonODtILtIILUU12ODLonUULIt)(l1 1）電感電流）電感電流i iL L連續模式連續模式 ：在在t tonon期間期間: :電感上的電壓為電感上的電壓為 由于電感由于電感L和電容和電容C無損耗，因此無損耗，因此iL從從I1線性增長至線性增長至I2，上式，上式可以寫成可以寫成式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1為電感上電流的變化量，為電感上電流的變化量，U UO O為輸出電壓的平均值。為輸出電壓的平均值。9o

10、ffLOtILU OLoffUILt ）ODODLoffonUUULUIttfT(1fLUfLUUUUIDDODOL)1 ()(2120III )1 (201LTUIID在在toff期間期間:假設電感中的電流假設電感中的電流iL從從I2線性下降到線性下降到I1，則有，則有l根據上式可求出開關周期為根據上式可求出開關周期為l 上式中上式中IL為流過電感電流的峰峰值，最大為為流過電感電流的峰峰值，最大為I2，最小為，最小為I1。電。電感電流一周期內的平均值與負載電流感電流一周期內的平均值與負載電流IO相等，即將相等，即將IL和和I0式式IL= I2I1可得可得102 2）電感電流）電感電流iL臨界

11、連續狀態：臨界連續狀態：變換電路工作在臨界連續狀態時，即有變換電路工作在臨界連續狀態時，即有I1=0，由由可得維持電流臨界連續的電感值可得維持電流臨界連續的電感值L0為：為： 即電感電流臨界連續時的負載電流平均值為即電感電流臨界連續時的負載電流平均值為 ： 式中式中Iok為電感電流臨界連續時的負載電流平均值。為電感電流臨界連續時的負載電流平均值。 總結：總結：臨界負載電流臨界負載電流Iok與輸入電壓與輸入電壓UD、電感、電感L、開關頻率開關頻率f以及開關以及開關管管T的占空比的占空比都有關。都有關。 當實際負載電流當實際負載電流Io Iok時，電感電流連續；時，電感電流連續； 當實際負載電流當

12、實際負載電流Io = Iok時，電感電流處于連續（有斷流臨界點）時，電感電流處于連續（有斷流臨界點）; 當實際負載電流當實際負載電流Io Iok時，電感電流斷流；時，電感電流斷流；)1 (201LTUIID)1 (20KDoITUL)1 (2ODOKLTUI11v輸出紋波電壓：輸出紋波電壓： 在在Buck電路中，如果濾波電容電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓的容量足夠大，則輸出電壓U0為常數。為常數。然而在電容然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。電流連續時的輸出電壓紋波電流連續時的輸出電壓紋波為為 其中其中f為為b

13、uck電路的開關頻率，電路的開關頻率， fc為電路的截止頻率。為電路的截止頻率。 它表明通過選擇合適的它表明通過選擇合適的L、C值，當滿足值，當滿足fcf 時，可以限制輸出時，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負載無關。紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負載無關。22200)(1 (28)1 (ffLCfUUc12 3.3 升壓變換電路升壓變換電路v1)1)定義：定義：升壓型直流電壓變換電路用于將直流電源電壓變換為高于其值升壓型直流電壓變換電路用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實現能量從低壓向高壓側負載的傳遞，又稱的直流電壓，實現能量從低壓向高壓側負載的傳遞，又稱Bo

14、ost電路或電路或升壓斬波電路。升壓斬波電路。全控型電力全控型電力器件開關器件開關儲能儲能保持輸出電壓保持輸出電壓2 2）原理圖）原理圖13v3）工作原理：）工作原理：ton工作期間：工作期間：二極管反偏二極管反偏 截止，電感截止，電感L儲能，電容儲能，電容C 給負載給負載R提供能量。提供能量。toff工作期間：工作期間：二極管二極管VD 導通，電感導通，電感L經二極管經二極管VD給給 電容充電，并向負載電容充電，并向負載RL提提 供能量。供能量。v可得：可得：v v式中占空比式中占空比=ton/TS，當，當=0時，時，U0=Ud，但但不能不能為為1，因此在，因此在v01的變化范圍內的變化范圍

15、內 UoUin10DDoffoffonUUtttU 圖圖3.4 升壓變換電路及波形升壓變換電路及波形 144）Buck變換器的運行情況：變換器的運行情況： 根據在理想狀態下，電路的輸出功率等于輸入功率，參考降壓變根據在理想狀態下，電路的輸出功率等于輸入功率，參考降壓變換電路的計算方法，可得換電路的計算方法，可得電感電流臨界連續時的負載電流平均值電感電流臨界連續時的負載電流平均值為：為： 當實際負載電流當實際負載電流IoIok時，電感電流連續。時，電感電流連續。 當實際負載電流當實際負載電流Io = Iok時時,電感電流處于臨界連續電感電流處于臨界連續(有斷流臨界點有斷流臨界點)。 當實際負載電

16、流當實際負載電流IoIck時，電感電流斷流時，電感電流斷流。 DOOKULTI215 沒有電壓閉環調節的沒有電壓閉環調節的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下變換器不宜在輸出端開路情況下工作：因為穩態運行時，開關管工作：因為穩態運行時，開關管T導通期間導通期間 ( )電源輸入到電源輸入到電感電感L中的磁能，在中的磁能，在T截止期間通過二極管截止期間通過二極管D轉移到輸出端，如果轉移到輸出端，如果負載電流很小，就會出現電流斷流情況。如果負載電阻變得很大，負載電流很小，就會出現電流斷流情況。如果負載電阻變得很大，負載電流太小，這時若占空比負載電流太小，這時若占空比D仍不減小、仍不減小、t ton

17、on不變、電源輸入到不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。Tton小小 結：結： Boost電路對電源的輸人電流（也即通過二極管電路對電源的輸人電流（也即通過二極管D的的電流）就是升壓電感電流）就是升壓電感L電流，電流平均值為：電流，電流平均值為：I0=(I2-I1)/2。 實際中，選擇電感電流的增量實際中，選擇電感電流的增量IL時，應使電感的時，應使電感的峰值電流峰值電流Id+IL不大于最大平均直流輸入電流不大于最大平均直流輸入電流Id的的20%，以防止電感以防止電感L飽和失效。飽和失效。 Boost變換器的效率很高，一般可達變換器的效率很高，一般可

18、達92%以上。以上。163.4 直流變換降直流變換降-升壓復合型直流變換電路升壓復合型直流變換電路v 降升壓變換電路（又稱降升壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電壓平均值電路）的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其電路原理圖如圖電路原理圖如圖3.5(a)所示。所示。 v 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩壓電源。電壓的直流穩壓電源。17v2）工作原理：）工作原理：v ton期間，二極管期間，二極管D反反

19、偏而關斷，電感儲能，偏而關斷，電感儲能，濾波電容濾波電容C向負載提供能向負載提供能量。量。offLtILU 0onLondtILtIILU12 toff期間，當感應電期間，當感應電動勢大小超過輸出電壓動勢大小超過輸出電壓U0時，二極管時，二極管D導通，電導通，電感經感經D向向C和和RL反向放電，反向放電，使輸出電壓的極性與輸使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。入電壓相反。圖圖3.5 3.5 升降壓直流變換電路及工作圖升降壓直流變換電路及工作圖18v（續工作原理）續工作原理）在在ton期間電感電流的增加量等于期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，得：期間的減少量，得：offonDtLUtLU

20、0TtonTtoff)1 (DUU10由由 , 的關系，求出輸出電壓的平均值為：的關系，求出輸出電壓的平均值為：上式中，上式中，為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反相；當為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反相；當=0.5時，時，U0=UD；當；當0.5UD，為升壓變換；當，為升壓變換；當00.5時，時，U0Utri時，開關時，開關S1和和S4導通，導通，S2和和S3關斷。輸出電壓關斷。輸出電壓UO與電源電壓與電源電壓UD相等且極性相相等且極性相同，即同，即UOUD；（2）當）當UC0時，直流電源時，直流電源UD向向負載負載U0端傳送能量，在端傳送能量，在I00時，時，U0向向UD傳輸能量。傳輸能量

21、。cctrimDkUUUUU0小結：小結：302 .單極性電壓開關單極性電壓開關PWM控制方式控制方式圖3.7所示的全橋DC/DC變換電路，如果改變控制方法，使輸出電壓平均值具有單極性，其控制方法被稱為單極性電壓開關PWM控制。圖圖3.9 單極性電壓單極性電壓PWM控制方式的波形圖控制方式的波形圖電路工作過程中，保持S1導通，S3關斷。若UcUtri時，S2導通，S4關斷，UOUD；若Uc Utri 時， S2導通，S4關斷，UO 0；于是得到單極型電壓開關PWM控制方法的電壓電流波形。為31cctrimDDOkUUUUUU) 12(1采用與雙極型電壓開關PWM控制同樣的分析方法，得到輸出電壓

22、平均值UO： 上式中1是開關S1的占空比，Utrim是三角波的峰值，kUD/Utrim是比例系數。該式表明，在單極性電壓開關PWM控制方式中，輸出電壓平均值UO隨控制電壓Uc線性變化。不管輸出電流IO0或IO0，UO始終為正值。 必須注意的是，在單極、雙極性電壓開關控制兩種方法中，若開關頻率相同，則單極性控制方法中輸出電壓的諧波頻率是雙極性控制方式開關頻率的兩倍，因此其頻率響應好，交流紋波幅值小。323.73.7直流開關電源的應用直流開關電源的應用 直流開關電源常常需要滿足下面的要求：1）當輸入電壓和負載變化時，輸出電壓必須能在兼容范圍內保持不變或輸出電壓可調；2）輸出與輸入之間需要電氣隔離；

23、3）某些場合可能要求有多路輸出電壓，有些場合要求各輸出間也要電氣隔離； 331 1）能使變換器的輸入電源與負載之間實現電氣隔離，提高變換器運行的）能使變換器的輸入電源與負載之間實現電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性。安全可靠性和電磁兼容性。2 2）選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓）選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓U Ud d與負載所需的輸出電壓與負載所需的輸出電壓U Uo o ，能使能使直流變換器的占空比直流變換器的占空比D D數值適中而不至于接近于零或接近于數值適中而不至于接近于零或接近于l l。 3）能設置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的直流電壓。能設置多個二次繞組輸出幾個

24、電壓大小不同的直流電壓。 1 1、引入變壓器作用：、引入變壓器作用： 帶隔離變壓器的直流變換器主要應用于電子儀器的電源、電力電帶隔離變壓器的直流變換器主要應用于電子儀器的電源、電力電子系統或裝置的控制電源、計算機電源、通信電源與電力操作電源子系統或裝置的控制電源、計算機電源、通信電源與電力操作電源等領域。等領域。1）單端變換器：變換器只需一個開關管，變換器中變壓器的磁通只在單單端變換器：變換器只需一個開關管，變換器中變壓器的磁通只在單方向變化；方向變化；2 2）反激變換器：開關管導通時電源將電能轉為磁能儲存在電感中，當開）反激變換器：開關管導通時電源將電能轉為磁能儲存在電感中，當開關管阻斷時再

25、將磁能變為電能傳送到負載；關管阻斷時再將磁能變為電能傳送到負載；3 3）正激變換器：開關管導通時電源將能量直接傳送至負載；）正激變換器：開關管導通時電源將能量直接傳送至負載；2、分類：、分類：343.7.1帶有電氣隔離的直流帶有電氣隔離的直流-直流變換器直流變換器圖圖3.10 直流開關電源的組成框圖直流開關電源的組成框圖 直流-直流變換器把固定的直流電經脈寬調制變換成高頻脈沖電壓，然后通過隔離變換器副邊的整流和濾波電路得到直流電壓UO。由PWM控制器驅動直流直流變換器的開關管，通過反饋控制得到要求的直流輸出電壓。 圖3.10給出了帶電氣隔離的開關電源的組成框圖。輸入交流電經二極管整流器整流成不

26、可調的直流電壓。在輸入處用一個抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾。351.反勵式變換器反勵式變換器圖圖3.11 反勵式變換器電路與工作波形反勵式變換器電路與工作波形反勵式變換器電路如圖3.11（a）所示。圖中VT為開關管、Tr是隔離變壓器、VD為高頻二極管。當開關管VT導通，輸入電壓UD加到變壓器Tr一次側上，變壓器儲存能量，據變壓器同名端的極性，可得二次側中的感應電動勢為下正上負，二極管反偏。二次側中沒有電流流過。當開關管關斷，儲存在鐵心中的能量通過變壓器副邊的二極管VD流過副邊線組。在工作過程中變壓器起儲能電感的作用。圖3.11（b）為工作過程中輸出電壓和電流的波形圖。反激式變換器工作在輸

27、出電流連續的狀態下，反激式變換器工作在輸出電流連續的狀態下，輸出電壓輸出電壓U UO為：為：112NNUUDO一般情況下，反勵式變換器的工作占空比一般情況下，反勵式變換器的工作占空比要小于要小于0.5。362.正勵式變換器正勵式變換器正勵式變換器電路如圖3.12（a）所示，圖中VT是開關管，VD1、VD2是高頻二極管，VD3是續流二極管，Tr是隔離變壓器。該變換器的工作過程與降壓變換器的工作過程基本相同。 圖圖3.12 正勵式變換器電路正勵式變換器電路輸出電壓 12NNUUDO即輸出電壓僅決定于電源電壓、變壓器的變比和占空比，而和負載電阻無關。即輸出電壓僅決定于電源電壓、變壓器的變比和占空比，

28、而和負載電阻無關。373.全橋式變換電路全橋式變換電路全橋式變換電路如圖3.13所示，其中開關管VT1、VT4、VT2、VT3是作為分別導通/斷開的。二極管與開關管反并聯，是為了給原邊繞組的漏感儲存的能量提供電流通道。 圖圖3.13 全橋變換電路全橋變換電路工作原理：工作原理：當一對開關管導通時，處于截止狀態的另一對開關管上承受的電壓為電源電壓UD。開關管VT1、VT2、VT3和VT4的集電極與發射極之間反接有鉗位二極管VD1、VD2、VD3和VD4，由于這些鉗位二極管的作用，當開關管從導通到截止時，變壓器一次側磁化電流的能量以及漏感儲能引起的尖峰電壓的最高值不會超過電源電壓UD，同時還可將磁化電流的能量反饋給電源，從而提高整機的效率。 383.7.2直流電源的保護直流電源的保護UC1524A集成電路適用于推挽式和橋式PWM變換器，PWM互鎖電路確保了在任何時期只有一個開關管被觸發，并且Ct決定了0.5s到4s的邏輯延遲時間，防止兩個開關管同時觸發。圖圖3.14 UC1524A集成電路方框圖集成電路方框圖1.軟啟動：軟啟動：緩緩增加開關占空比緩