直流电压变换电路课件.ppt

1、第5章 直流电压变换电路 第5章 直流电压变换电路 5.1 5.1 直流电压变换电路的基本工作原理及其分类直流电压变换电路的基本工作原理及其分类 5.2 5.2 由普通晶闸管构成的直流电压变换电路由普通晶闸管构成的直流电压变换电路 5.3 5.3 单象限直流电压变换电路单象限直流电压变换电路 5.4 5.4 二象限直流电压变换电路二象限直流电压变换电路 习题及思考题习题及思考题 第5章 直流电压变换电路 5.1 5.1 直流电压变换电路的基本工作原理及其分类直流电压变换电路的基本工作原理及其分类 5.1.1 5.1.1 直流电压变换电路的工作原理直流电压变换电路的工作原理 图 5-1 直流电压

2、变换电路原理图及输出波形图(a)原理图；(b)输出电压 LRuVDUDS(a)(b)0utonttoffUAVT第5章 直流电压变换电路 由图5-1(a)可见，该电路就是通过开关S的接通和断开，将负载与电源接通继而又断开，它能将恒定输入的直流电压经过斩波后形成可调的负载电压。图5-1（b）表示出了变换电路的输出电压u的波形。在ton期间，开关S接通，则直流电源电压UD与负载接通，变换电路输出电压u UD；在toff期间，开关S断开，变换电路输出电压u0。直流变换电路输出电压的平均值为 DonDonoffonDAVDUTtUtttUU（5-1）第5章 直流电压变换电路 式中:ton 开关S的导通

3、时间；toff 开关S的关断时间；Ttontoff 变换电路周期；D 变换电路的工作率或占空比。第5章 直流电压变换电路 由式（5-1）可见，变换电路的输出电压的平均值UAV受电路工作率D（又称为占空比）的控制，通过改变D的值即可改变电路的输出电压平均值。欲改变电路的占空比，可以采用以下三种方法。1）脉冲宽度调制（PWM）脉冲宽度调制也称定频调宽式,保持电路频率f1/T不变，即工作周期T恒定，只改变开关S的导通时间ton。2）频率调制（PFM）频率调制也称定宽调频式,保持开关S的导通时间ton不变，改变电路周期T（即改变电路的频率）。第5章 直流电压变换电路 3）混合调制 脉冲宽度（即ton）

4、与脉冲周期T同时改变，采取这种调制方法，输出直流平均电压UAV的可调范围较宽，但控制电路较复杂。在这三种方法中，除在输出电压调节范围要求较宽时采用混合调制外，一般都采用频率调制或脉宽调制，由于当输出电压的调节范围要求较大时，如果采用频率调制，则势必要求频率在一个较宽的范围内变化，这就使得后续滤波器电路的设计比较困难，如果负载是直流电动机，在输出电压较低的情况下，较长的关断时间会使流过电机的电流断续，使直流电动机的运转性能变差，因此在直流变换电路中，比较常用的还是脉冲宽度调制。第5章 直流电压变换电路 直流电压变换电路按照上述稳压控制方式可分为脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）直流变

5、换电路;按变换电路的功能分类有降压变换电路（Buck）、升压变换电路（Boost）、升降压变换电路（BuckBoost）、库克变换电路（Cuk）和全桥直流变换电路;按直流电源和负载交换能量的形式又可分为单象限直流电压变换电路和二象限直流电压变换电路。必须注意的是，在直流开关稳压电源中，直流电压变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离，本章只讲无隔离的DC/DC变换电路。5.1.2 直流电压变换电路的分类直流电压变换电路的分类第5章 直流电压变换电路 5.2.1 5.2.1 电路的工作原理电路的工作原理 图5-2（a）所示是由普通晶闸管构成的直流电压变换电路。该

6、电路由一个晶闸管V作为变换电路的开关器件，电容C和电感L组成振荡电路，实现晶闸管的换流和自行关断。VD为续流二极管，负载为带足够大平波电抗器LG的直流电动机。5.2 由普通晶闸管构成的直流电压变换电路由普通晶闸管构成的直流电压变换电路第5章 直流电压变换电路 图 5-2 由晶闸管构成的直流电压变换电路(a)电路；(b)输出电压、电流 LGMVDiLCVuUD(a)(b)00ttT2T3Tuii2i0i1第5章 直流电压变换电路 当晶闸管V导通时，直流电源UD向负载电机输送能量，变换电路的输出电压uUD，续流二极管反向偏置，负载电流i由于平波电抗器LG的作用，滞后电压UD的变化，在电感LG足够大

7、的情况下，其波形如图5-2（b）所示，即电流的变化滞后电压的变化。当晶闸管阻断时，原储存在平波电抗器LG中的能量经二极管D对负载续流，变换电路输出电压u0，负载电流i逐渐减少，但由于平波电抗电感LG足够大，因此在阻断时电流仍然连续。第二个周期则重复前述过程。在此情况下，电动机工作于正向电动运行状态，表现出负载电压与负载电流方向相同且都为正值，因此这种电路又被称为单象限直流电压变换电路。第5章 直流电压变换电路 5.2.2 5.2.2 晶闸管的换流原理晶闸管的换流原理 由于晶闸管是在直流电源下工作的，电源无自然换相点且本身无关断能力，因而晶闸管的关断是实现本电路工作原理的关键。晶闸管的关断由图5

8、-3中的L、C组成的串联振荡电路实现。当晶闸管V未加触发脉冲阻断时，电源UD通过L、LG和直流电动机对电容C充电。当充电结束时，电容中的电流iC0，两端的电压极性为左正右负。同时，负载经续流二极管D续流，负载电流iID，如图5-3（a）所示。第5章 直流电压变换电路 图 5-3 晶闸管换流原理(a)电容正向充电结束；(b)电容正向放电及反向充电；(c)电容反向充电结束；(d)电容反向放电及正向充电 LGMV DiVLCVUD(a)iIDiC0LGMV DiVLCVUDiID(b)iC+LGMV DiVLCVUD(c)iIDiC0LGMV DiVLCVUDiID(d)iC+第5章 直流电压变换电

9、路 给晶闸管加上触发脉冲，因承受正向电压而导通，续流二极管D反向偏置。此时电容C通过电感L、晶闸管放电。在此过程中电感L储能，流过的电流i为电容的放电电流iC与负载电流之和，即iiCI。如图5-3（b）所示，当电容放电到最大值时，电容两端电压uC0，放电结束，此后电感L释放能量对电容进行反向充电，电流iC逐渐减小。当充电结束时,电容中的电流iC0，两端的电压极性变成左负右正，如图5-3（c）所示。由于负载电流基本保持不变，因此晶闸管继续导通。第5章 直流电压变换电路 此后电容又通过电感L、晶闸管V反向放电，此时流过晶闸管的电流iV为负载电流与电容的放电电流iC之差，即iVID-iC 如图5-3

10、（d）所示。由于放电电流iC逐渐增大，而负载电流基本保持不变，当放电到最大值时，放电电流正好等于负载电流，即iC ID，流过晶闸管电流等于零，即iV0，此时晶闸管关断。此时电容两端电压uC0，放电结束。电源UD又通过L、LG和直流电动机对电容C充电，充电电流iC 逐渐减小，当iC 0时，充电结束，电容两端的电压极性为左正右负，如图5-3（a）所示,开始下一周期的晶闸管的导通和关断。第5章 直流电压变换电路 5.3.1 5.3.1 降压直流电压变换电路降压直流电压变换电路 降压直流变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路，又叫Buck型变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机调

11、速中。降压直流电压变换电路的基本形式如图5-4（a）所示。图中开关S可以是各种全控型电力器件；VD为续流二极管，其开关速度应和S同等级，常用快恢复二极管；L、C为滤波电感和电容，组成低通滤波器；R为负载。为了简化分析，作如下假设：S、D是无损耗的理想开关，输入直流电源UD是恒压源，其内阻为零，L、C中的损耗可忽略，R为电阻性负载。5.3 单象限直流电压变换电路单象限直流电压变换电路 第5章 直流电压变换电路 图 5-4 降压直流电压变换电路及其波形图(a)电路；(b)开关导通；(c)开关断开；(d)波形 ioRuoCuCiCLVDuVDSiUD(a)ioRuoCuCiCLi iLUD(b)io

12、RuoCuCiCL(c)VD(d)0UDDTTtttttuVD0ILI2I1iLIL0iCI2 io0UCuCuoioIo0iLI1 iotontoff第5章 直流电压变换电路 在图5-4所示的电路中，当触发脉冲使开关S导通时，即在ton期间，电感L中有电流流过，二极管VD反向偏置，导致电感两端呈现正电压uLUD-uo，在该电压作用下电感中的电流iL线性增长，同时直流电源对电容C进行充电，两端电压uC（负载R的端电压uo与之相同）也呈线性增加。其等效电路如图5-4（b）所示,图中电流iL、iC、io均呈线性增加。在开关S断开期间，即在toff期间，由于电感已储存了能量，VD导通，iL经VD续流

13、，此时由电感对电容和负载提供充电电流iC和负载电流io，其等效电路如图5-4（c）所示。由于电感L中的电流因释放能量而呈线性衰减，因此图中电流iL、iC、io也呈线性减小。图5-4（d）是各电量的波形图。第5章 直流电压变换电路 在toff期间，电容电流由图5-4（c）可知为iCiL-io，当iLio时，iC 0，方向为图示方向，电感L继续对电容C进行充电；当iL io时，iC 0，充电结束；当iL io时，iC0，实际方向与图示方向相反，电容对负载进行放电，io逐渐增大。当再次接通开关S时，由于电感上的电流iL不能突变，刚接通S时，iL不变化，因此电容电流、负载电流均不发生变化，三者的关系仍

14、然为iCiL-io，且iLio，电容继续通过负载放电，因为电感电流iL逐渐增大，所以iC的绝对值减小，直到iLio后，电源重又对电容进行充电，重复以上过程。第5章 直流电压变换电路 在ton期间，开关S导通，根据等效电路5-4（b），电感上的电压为 dtdiLuLL 在这期间由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1（最小值）线性增长至I2（最大值），则电感上电压的平均值由上式可写成oDLononLonoDUULIttILtIILUU)(21式中IL为电感上电流在ton期间的变化量，Uo为输出电压的平均值。(5-2)第5章 直流电压变换电路 在toff期间，S关断，VD导通续流。电感上的电压平均

15、值与输出电压平均值相同，依据假设条件，电感中的电流iL从I2线性下降至I1，则有 offLotILUoLoffUILt(5-3)同时考虑式（5-2）和式（5-3）可得 DDonDoffononooffoonoDDUUTtUtttUtUtUU)(第5章 直流电压变换电路 式中D为变换电路的占空比，改变D值就可以改变输出电压的平均值Uo。由于D值在0之间变化，因此输出电压的平均值总是小于输入电压UD，因而称其为降压直流变换电路。若忽略所有元器件的损耗，则在图5-1（a）所示的电路中，输入功率等于输出功率，即 ooDDoDIUIUPP亦即 因此输出电流Io与输入电流ID的关系为 DDoDoIDIUU

16、I1第5章 直流电压变换电路 电感L中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值大小。下面讨论电感L中的电流iL连续时的情况。根据式（5-2）、（5-3）可求出开关周期T为)(1oDoDLoffonUUULUIttfT由上式可得电感上电流的变化量为 fLDDUfLUUUUIDDoDoL)1()(5-8)第5章 直流电压变换电路 在一个周期T内，由图5-4（b）可知，电感L的电流iL，电容C的电流iC以及负载R的电流io三者间瞬时值的关系为iLiCio，由于电容电流在一个周期T内，T/2时间为正值，T/2时间为负值，且正、负半周电流值相同，因此其平均电流为零，如图5-4（d）所

17、示。因此电感电流的平均值与负载电流的平均值相等，即 212IIIILo将式（5-8）、（5-9）同时代入关系式IL=I2-I1可得)1(21DDLTUIIDo(5-9)(5-10)第5章 直流电压变换电路 当电感上的电流处于临界连续状态时，应有电感电流的最小值为零，即I1=0，将此式代入上式可求出维持电流临界连续的电感值L0为)1(20DDITULoD 在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压Uo为常数。然而在电容为有限的值情况下，直流输出电压将会有交流纹波成分。第5章 直流电压变换电路 由图5-4（d）中，电容电流iC的波形可知，在一个周期内电流的平均值为零，那么在T/2时间

18、内，电容充电或放电的电荷量可用波形图中的阴影面积求解，即 LLITIDTTDTQ822221（5-12）由此输出电压的变化量Uo为 CQUo将式（5-12）代入得 fCITCIULLo88第5章 直流电压变换电路 再将式（5-8）代入可得 2228)1(8)1(8)(LCfDULCfDDUULCfUUUUooDoDoo因此电流连续时的输出电压纹波为 222)1(28)1(ffDLCfDUUcoo式中f=1/T是Buck电路的开关频率，是电路的截止频率。式(5-14)表明，通过选择合适的L、C值，在满足fcf的条件下，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。)2(1LCfc第5

19、章 直流电压变换电路 输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升压直流变换电路的基本形式如图5-5（a）所示。图中S为全控型电力器件组成的开关，D是快恢复二极管。在理想条件下，当电感L中的电流iL连续时，电路的工作波形如图5-5（d）所示。5.3.2 5.3.2 升压直流电压变换电路升压直流电压变换电路第5章 直流电压变换电路 ioRuoCuViCLV DSUD(a)(b)(c)iiLioRuoCiCLUDiLuCioRuoCiCLV DUDiiLuC(d)0uVUDD TTtontofft0iLI2IoI1t0iC

20、I2iotio0uouCUC0ioIott图 5-5 升压直流变换电路及其波形图(a)电路；(b)开关导通；(c)开关断开；(d)波形第5章 直流电压变换电路 当开关S在驱动信号的作用下导通时，电路处于ton工作期间，二极管承受反偏电压而截止。一方面，电能从直流电源输入并储存到电感L中，使电感电流iL从I1（最小值）线性增加至I2（最大值）；另一方面，负载R由电容C提供能量，即在此期间将C中储存的能量传送给负载R，使电容C上的电压uC线性减小，放电电流iC、负载电流线性减小，二者的绝对值相等。由于电容放电电流的方向如图5-2（b）所示，与图5-2（a）中所示的参考方向相反，因此为负值。很明显，

21、L中的感应电动势的平均值与UD相等，即 onLonDLTILtIILUU12第5章 直流电压变换电路 或 LDonIULt上式中IL为电感L中电流的变化量。当S断开时，电路处在toff工作期间，二极管D导通，由于电感中的电流不能突变产生感应电动势阻止电流减小，因此在断开S的瞬间iL保持不变，此后电感中储存的能量经二极管给电容充电，同时也向负载R提供能量，所以电感电流iL线性减小。(5-16)第5章 直流电压变换电路 由于电容两端的电压不能突变，在S断开瞬间保持电压不变，而电流iC因电感L对其充电，方向与图5-2（a）所示的方向相同，因而在S关断时变为正电，大小随电感电流iL的减小而线性下降，电

22、容端电压uC则随其充电而线性增大，从而使负载电流也线性增加。在无损耗的前提下，电感电流iL从I1线性下降到I2，等效电路如图5-5（c）所示。容易得出电感上电压的平均值UL为 offLDoLtILUUU（5-17）或 LDooffIUULt（5-18）第5章 直流电压变换电路 同时考虑式（5-15）、式（5-17）可得 offDoonDtLUULtU即 DUUtttUDDoffoffono1上式中占空比Dton/T。当D0时，UoUD，但D不能为零，因此在D的变化范围内，输出电压总是大于或等于输入电压。（5-19）第5章 直流电压变换电路 在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，即PoP，即

23、UoIoUDI，将式（5-19）代入可得 DIIoD1（5-20）从式（5-16）、（5-18）可知 fLDUfLUUUUIIUUULUttTDoDoDLLDoDooffon)()(第5章 直流电压变换电路 因输出电流的平均值为Io（I2I1）/2，很显然 DoULDTII21（5-23）当电流处于临界连续状态时，I10，则可求出电流临界连续时的电感值为 DoUIDTL20（5-24）经分析可知，输出电压的交流纹波为三角波，假定二极管电流iVD中所有纹波分量流过电容器，其平均电流流过负载电阻，图5-5（d）中波形的阴影部分面积反映了一个周期内电容C中电荷的泄放量。因此电压纹波的峰值变化量为 第

24、5章 直流电压变换电路 CDTRUDTCItCIdtiCdtiCCQUUooonototCCoonon0011（5-25）所以 TDRCDTUUoo（5-26）式中RC为时间常数。由此可看出，只要适当地增大值就可以减小输出电压的纹波成分。Boost直流变换电路的效率很高，一般可达92以上。第5章 直流电压变换电路 前面两种直流变换电路都具有直流电压变换功能，但输出与输入端都含有较大的交流纹波，尤其是在电流不能连续的情况下，电路输出端的电流是脉动的。谐波会使电路的变换效率降低，大电流的高次谐波还会产生辐射，干扰周围电子设备的正常工作。库克（Cuk）电路属升降压型直流电压变换电路，即输出电压的平均

25、值既能高于输出电压，又能低于输入电压。电路形式如图5-6（a）所示,该图中L1和L2为储能电感，VD是快速恢复续流二极管，C1是传送能量的耦合电容，C2为滤波电容。这种电路的特点是：输出电压极性与输入电压相反，输出端电流的交流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。在忽略所有元器件损耗的前提下，电路的工作波形如图5-6（d）所示。5.3.3 5.3.3 库克直流电压变换电路库克直流电压变换电路第5章 直流电压变换电路 在ton期间，开关S导通，由于电容C1上的电压uC1使二极管VD反偏而截止，输入直流电压UD向电感L1输送能量，电感L1中的电流iL1线性增长。与此同时，原来储存在C

26、1中的能量向负载和C2、L2释放，负载获得反极性电压，其等效电路如图5-6（b）所示。此时电感L2上的电流iL2、负载电流线性增长，电容C2中的电流iC2iL2-io，S接通初始阶段，由于iL2io，iC20，电容C2通过负载放电，放电电流iC2的实际方向与图示方向相反，所以为负值，其绝对值线性减小。当iL2 io时，iC20，之后iL2io，电感L2既对负载提供电流，又重新对电容C2充电，因此负载电流i线性减小，而输出电压uo、电容C2电压u2的绝对值随之线性减小。第5章 直流电压变换电路 在toff期间，开关S关断，L1中的感应电动势改变方向，使二极管VD正偏而导通，L1经C1、VD对C1

27、充电储能，所以其电流iL1线性减小，而对电容充电的电流iC1方向与图5-6（a）所示的参考方向相反，因此iC1突变为负值。在此期间，L2向负载释放能量，其电流iL2也呈线性下降，电容C2中的电流仍为iC2iL2-io，当iL2io时，电感L2既对负载提供电流，又对电容C2充电，因此负载电流继续线性减小，而输出电压uo、电容C2电压uC2的绝对值随之线性减小。iL2io时，iC20，之后，由于iL2io，电容C2通过负载放电，放电电流iC2 的实际方向与图示方向相反，所以为负值，其绝对值线性增加，负载电流、输出电压uo也随之增加直到S再次接通。第5章 直流电压变换电路 图 5-6 库克电路及其波

28、形图(a)电路；(b)开关导通；(c)开关断开；(d)波形 RuoioC2uC2iC2L2iL2uVDV DSuVC1uC1L1iL1UD(a)RioC2iC2L2iL2C1uC1L1iL1UD(b)iC1RioC2iC2L2iL2uVDV DC1uC1L1UD(c)(d)iVD0UDD TTuVt0uot0iL1iL12iL110iL2iL22iL210iC20uC2uoUo0iC10ioIottttttiC1第5章 直流电压变换电路 通过上述分析可知，在整个周期Ttontoff中，电容C1从输入端向输出端传递能量，只要L1、L2和C1足够大，就可保证输入、输出电流是平稳的。在ton期间，电

29、感L1、L2上电压的平均值为 onLoCLonLDLtILUUUtILUU2212111所以有 11LDonIULt（5-27）第5章 直流电压变换电路 和 212LoConIUULt（5-28）在toff期间，电感L1、L2上电压的平均值为 offLCDLtILUUU1111offLoLtILUU222因此有 111LCDoffIUULt（5-29）第5章 直流电压变换电路 和 22LooffIULt（5-30）以上各式中的tonDT，toff(1-D)T，代入式（5-27）、（5-28）、（5-29）、（5-30）整理可得 oCDCUDUUDU11111（5-31）（5-32）由式（5-3

30、1）、（5-32），考虑到输出电压与输入电压的极性相反可得出 DoUDDU1（5-33）第5章 直流电压变换电路 在不计器件损耗时，输出功率等于电路输入功率，即PoPD，容易得出 oDIDDI1 由式（5-33）可知，通过改变D值，既可以使输出电压高于输入值，也可以使其低于输入电压值。在此电路中，只要电容C1足够大，输入、输出电流都是连续平滑的，有效地降低了交流纹波，降低了对滤波电路的要求，使其得到了广泛的应用。第5章 直流电压变换电路 图 5-7 全桥DC/DC变换电路 VD2VD4ioRLuoS2S4VD1VD3S1S3UD5.4 5.4 二象限直流电压变换电路二象限直流电压变换电路 第5

31、章 直流电压变换电路 在双极性电压PWM控制方式中，开关S1、S4和S2、S3分为两组，各组都具有相同的驱动脉冲，在理想条件下，同一桥臂上的开关（S1、S3和S2、S4）互补导通。即S1、S4导通时，S2、S3关断；S2、S3导通时，S1、S4关断。在控制电路中产生一个控制电压uc和一个三角波电压utri，控制电压uc与三角波电压utri比较就可产生两组开关的PWM驱动信号，波形如图5-8（a）所示。当控制电压大于三角波电压,即uc utri时，S1和S4导通，S2和S3关断，输出电压uo与电源电压UD相等且极性相同，即uoUD；当控制电压小于三角波电压,即uc utri 时，开关S1和S4关

32、断，S2、S3导通，输出电压与输入电压极性相反，但大小相等，即uo-UD。5.4.1 双极性电压开关双极性电压开关PWM控制方式控制方式第5章 直流电压变换电路 在输出电压uo0期间，电源为负载提供电能，电感L开始储能，负载电流线性增加，io的实际方向从电源流向负载，io0，所以电路工作在第一象限。当uo 0时，由于电感L要产生电动势阻止电流io的变化，io不能突变，只能线性减小，在电感释放电能未结束之前，io的方向是不改变的，即io 0，此时电路电压uo0，所以此时电路工作在二象限，负载将电能送回给电源。如果电感L足够大或uo0的时间较短，则电感L上的能量在uo 0的整个期间是不会释放完全的

33、，保持io0，波形如图5-8（b）所示。可以看出，在一个周期T内，负载电流的平均值Io0。第5章 直流电压变换电路 图 5-8 双极性电压PWM控制方式 0UtrimutriuctItI0TuoUDttt0ioIo0tIoioIo 0Io 0(a)(b)(c)u第5章 直流电压变换电路 但如果电感L较小，或uo0的时间较长，则电感L上的能量则会在较短的时间内释放结束，即出现io0，此后电源又向负载提供反向电能，电感L重又开始储能，负载电流反向即io 0且线性增加，如图5-8（c）所示。这样，当输出电压重又为正值即uo0时，电感L先要释放其储存的能量，即io线性减小，但方向不变，io0，所以此时

34、电路工作于第二象限，负载向电源释放电能直到io 0后结束。此后电源再向负载提供电能，重复上述过程。这样，在一个周期T内，负载电流的平均值Io0。第5章 直流电压变换电路 由图5-8（a）可知，uo是以UD为幅值的方波。因此，输出电压的平均值为 DonDonDonoUTtUTtTUTtU12上式中D1ton/T是第一组开关的占空比。容易看出，当tonT/2时，D1 1/2变换电路的输出电压的平均值Uo为零；当ton T/2时，Uo为负值；当ton T/2时，Uo为正值。也就是说，这种变换电路的输出电压的平均值可在-UD到 UD之间变化。在理想条件下，Uo的大小和极性只受占空比D的控制，而与输出电

35、流无关。在直流电机的驱动中，可方便地实现可逆调速。另一方面，从图5-8可写出三角波的表达式 第5章 直流电压变换电路)4/0(4/TtTtUutrimtri当tt1时，utriuc，故上式可写成 221Ttuon4/1TtUutrimc观察波形图可知，第一组开关S1、S4开通的时间ton为 考虑到式（5-37）和式（5-38）可得第一组开关的占空比为 trimconUuTtD1211(5-37)(5-38)(5-39)第5章 直流电压变换电路 将式（5-39）代入式（5-35）可得 cctrimDokuuUUU(5-40)式中k=UD/Utrim为常数，很明显，在这种控制方式中，输出电压的平均

36、值Uo随控制信号uc线性变化。值得注意的是，这种电路的平均输出电流Io可正可负。在Io 0时，直流电源向负载端传送能量；在Io 0时，输出负载端向电源端传输能量。第5章 直流电压变换电路 在理想开关条件下，我们认为同一桥臂的两个开关互补导通，即不存在两个开关同时断开、同时导通的现象,这时输出电流将是连续的。但实际中，同一桥臂的两个开关应有短时的同时关断期，为防止开关通断转换中两开关同时导通造成直流短路，此时电流的连续靠二极管的续流来实现。第5章 直流电压变换电路 对于图5-7所示的全桥型DC/DC变换电路，如果改变控制方式，使输出电压的平均值具有单极性，其控制方法被称为单极性电压开关PWM控制

37、。由分析可知，如果控制信号使开关S1和S2同时接通，或者S3和S4同时接通，则不管输出电流io的方向如何，输出电压uo始终为零。利用这一特点，将三角波电压utri与控制电压uc和-uc作比较，以确定桥臂S1、S3和S2、S4的驱动信号,如图5-9所示。5.4.2 单极性电压开关单极性电压开关PWM控制方式控制方式第5章 直流电压变换电路 图5-9 单极性电压PWM控制方式的波形图 0ucuc0uoutri0Io 0tttioio0tIo 0t1t1t1u第5章 直流电压变换电路 在utri的正半周，保持S1导通、S3关断。当ucutri 时，S4导通、S2关断，uoUD；当ucutri时，S2

38、导通，S4关断，S1仍导通，即S1、S2同时导通，uo0。在utri的负半周，保持S4导通、S2关断。当|-uc|utri|时，S1导通，S3关断，uoUD；当|-uc|utri|时，S1关断、S3导通，S4仍导通，即S3、S4同时导通，uo0。于是得到单极性电压开关PWM控制方法的电压电流波形。采用与双极性电压开关PWM控制同样的分析方法，可以得到平均输出电压Uo的表达式为 cctrimDDokuuUUUDU)12(1第5章 直流电压变换电路 上式中D1是开关S1的占空比，Utrim是三角波的峰值，kUD/Utrim是比例系数。这个公式表明，在单极性电压开关PWM控制方式中，输出电压的平均值

39、Uo随控制电压uc线性变化。不管输出电流Io0或Io0，Uo始终为正值。必须注意的是，在单极、双极性电压开关控制两种方法中，若开关频率相同，则单极性控制方法中输出电压的谐波频率是双极性控制方式开关频率的两倍，因此其频率响应好，交流纹波幅值小。第5章 直流电压变换电路 1.如果保持直流变换电路的频率不变，只改变开关器件的导通时间ton，试画出当占空比D分别为25%、75%时，变换电路输出的理想电压波形。2.开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？试比较Buck电路和Boost电路的开关损耗的大小。习题及思考题习题及思考题 第5章 直流电压变换电路 3.有一开关频率为50 Hz的Buck变换电路，工

40、作在电感电流连续的情况下，L=0.05 mH，输入电压UD=15 V，输出电压Uo=10 V。（1）求占空比D的大小；（2）求电感中电流的峰值I2；（3）若允许输出电压的纹波Uo/Uo=5%，求滤波电容C的最小值。第5章 直流电压变换电路 4.图5-10所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件S的开关频率为100 kHz，电路输入电压为220 V，当R=30，两端的电压为150 V时：（1）求占空比的大小；（2）当R=40 时，求维持电感电流连续的临界电感值；（3）若允许输出电压纹波系数为0.01，求滤波电容C的最小值。第5章 直流电压变换电路 图 5-10 题4图 220 VC1SLVDCR第5章 直流电压变换电路 5.有一开关频率为50 kHz的库克电路，其中L1=L2=1 mH，C1=5 F。假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略。若输入电压UD=10 V，输出电压Uo调节为5 V不变，输出功率等于5 W，试求电容器C1两端的电压uC1和电感电流iL1、iL2为恒定值时的百分比误差。