(精品)电源设计讲座经典讲座第二章：直流变换电路.ppt

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1、第一节：概述定义DC-DC：只对直流参数进行变换的电路一般结构：直流电源DC-DC主电路负载控制电路一.直流变换电路的分类1.换流过程分为:电压换流电流换流2.降压电路升压电路升降压电路 或1 单向限电路双向限电路四象限电路3.均为一个方向和 其中之一改变方向 均改变方向4.单相电路:只有一个电路m相电路:有m个基本电路,采用时分复用的方法二.理想直流变换应具备的性能1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制能力强4.高效率小型化23.1.Driving:电车,地铁,电动汽车,火车3.2.直流电机调速系统,3.3.照明,氙灯ballast3.4.sw

2、itching power supply,Eg.Adapter,VRM四.Typical topologies:Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk三.Application3第二节:单象限降压型电路一.电路T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当 时,T导通D:续流二极管L0和C0组成LPF45二.工作原理当 时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,向C0充电当 时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持三.假设:1.T,D均为理想器件2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态6四

3、.电路各点的波形7五.电路分析1.电感电流iL表达式当储能(1)当 时,达到最大值,(2)当 时,放能(3)当 时,达到最小值(4)由于电路达到了稳态,8所以(2)式改写为:(5)2.伏秒平衡定律的证明：电流增量：由式（4）得到：（6）所以有得：这就是电感的伏秒平衡，实际是对 的积分，即平均值为零平均电流(7)(8)(9)93.输出电压增益输出电压平均值输入电压平均值由(8)式得:(10)当D改变,U0改变4.输入电流平均值Id输入功率电流输出电压输出电流105.输出电压纹波分析当 但 为有限值电感电流电容电流负载电流情况1:C充电情况2:C放电11当 时,电容充电,其电荷量为Q实际上就是图

4、中的阴影部分的面积在 时,阴影部分的面积为:在 时,阴影部分的面积为:12把式(7)代入上式得:所以当 与 给定后当 最大时,用 ,的最大值 为136.保持电流连续的临界电感值由 的图形可知,由(7)式可知当 时,电流处于临界连续状态当 取最大值时,当 时,处于连续状态14六.电流断续时的状况1.求Av根据伏秒平衡律:2.求Dp平均电流:DTTDTDpT15解得:16七、Typical ApplicationsBuckThree PhasesInvertersAC motor交流调速系统BuckSignal PhasesInvertersHid LampilluminingsystemBuck

5、Low v/high ILoadSwitching power supplesystem 二次电源BuckHigh V/Low ILoadSwitching power supplesystem一次电源17作业1，比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。2，试述CCM和DCM工作的优缺点。3，试述伏秒平衡和电荷平衡定律。4，画出电容器高频等效电路，并说明其频率特性。18第三节:单象限升压型直流变换电路一.电路二.工作原理当三.连续模型分析1.直流增益Av根据伏秒平衡律:19说明:1)所以 是升压电路 2)可以调压Two Modes:能量的传输Mode1:0tDT,T

6、 is on D is off,the current iL increase,the equivalent circuitMode2:DTt112.输入电流脉动输入电流增量:输入电感电流的最大值:由无耗性可知:273.输出电压的脉动值当VTon,VD off时,电容C0放电维持输出电压选大电容可以消除U0的脉动4.考虑rL的影响若 的纹波很小时,平均值与有效值相等28在求均值时,电感短路,电容开路,所以:作业：计算T和D的耐压。29第五节:单象限的CUK电路一.CUK电路的特点:1.输入,输出电流皆没有脉动,只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波2.电压增益3.开关晶体管发射极接地4

7、.输入输出电压反向二.CUK电路30三.工作原理:这个电路的关键是靠C1传输能量在 期间,VT/off,Vd/on,输入电路:把L1中的存能送给C1,给C1充电,L1,L2中的能量均是减小的输出电路:靠L2,C2中的存能维持输出电压基本不变在 期间,VT/on,Vd/off,输入电路:Ud给L1充磁,输出电路:Uc1给L2充磁L1,L2中的能量均是增加的VToff,VDon 等效电路VTon,VDoff 等效电路31四.电路分析(连续模型)1.均值等效电路所以电感两端的均值电压为0,相当于虚短所以电容中的电流的均值为0,相当于虚断322.CUK均值等效电路3.电压增益L1电压的瞬时值:若C1,

8、C2较大,认为电压恒定即:所以:33L2电压的瞬态值:（3）结论:如果（4）根据伏秒平衡律:(5)34CUK:Boost:Buck:所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与 Boost增益的积电流增益:(6)4.输出，入端电流脉动入端:出端:(7)(8)35上式说明:如果 如果式（7)和式(8)相除得:上式再次证明了 的结论输入电流的最大值:输出电流的最大值:(9)(10)VT电流最大值,36注意:的最大值发生在 与 的最大值同时发生5.波形(自己画)376.考虑L1,L2内阻的分析均值等效电路令38第六节:双象限直流电压变换电路一.双象限电路的分类输出电流平均值I0极性可变原理:当

9、 ,当输出电流:负载等效电压:输出电压:恒大于零应用:负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统正转(减速运行)正转制动力39典型电路:1)Buck与Boost组合电路,工作在Buck电路时,电源向负载传输能量,工作在Boost电路时,负载向电源反馈能量2)双向CUK电路分析输出电压均用正向传输电路;分析输出电流 输出电压U0极性可变电路原理:靠改变占空比改变U0的极性应用负载为电机时,构成可逆调速系统正转反转制动典型电路:双管正激电路电机负载下输出电压和输出电流的分析方法401.等效电路:2.求E值.在稳态时,令3.求 的均值U0是根据开关电路决定4.求 的表达式令R=0,根据 的

10、瞬态表达式+-41第七节:四象限桥式直流变换电路一.四象限桥式直流变换电路概述1.应用具有摩擦负载的可逆直流调速系统2.优点:以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高,响应速度快3.分类:全桥电路半桥电路单极性电路双极性电路同频电路倍频电路4.双极性电路:指在一个斩波周期内,输出电压 只有一个极性变换 的电路42的平均值由上式可知:U0随D改变而改变特点:电流脉动大,但不会出现断续情况5.单极性电路:在一个斩波周期内,输出电压仅有幅度变化而无极性 变化当0当043平均值:特点:电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况6.同频电路:输出电压的斩波频率为f,开关元件的开关频率为fs同频电路:f=fs倍频电路:f=2fs7.电机调速系统的工作正转反转制动正转制动反转二.双级性全桥电路控制电压的分布(与普通的全桥电路相同)同相,脉宽为DT同相,脉宽为D0T44三种情况:时区A,D0.5,I00,时区B,D=0.5,I0=0,时区C,D0.5,I00,控制信号与占空比D的关系最大控制电压45工作过程分析:只讨论D=0.5因为不能on,而VD1与VD3on,当但当46(三)直流增益:双极性桥式直流变换器,实质上是一个线性放大器四.电流脉动计算(5-178)47