一、直流电机的励磁方式和磁场
矗流电机中有两种基本绕组即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式称为励磁方式不同励磁方式的直流电机，其特性有很大的差异故选择励磁方式是选择直流电机的重要依据。
直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四类如图1—19所示。
他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个不同的电源供电这两个电源的电流跟电压的关系可以相同，也可以不同如图1—19（a），励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电流跟电压的关系和励磁回路的电阻而与电机的电枢电流跟电压的关系大小及负载基本无关。鼡永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机
并励式直流电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电其接线图如图1—19（b）。励磁電流一般为额定电流的5%要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数所以并励绕组匝数多，导线较细并励式直流电动机一般用于恒压系統。中小型直流电动机多为并励式
励磁绕组与电枢绕组串联，如图1—19（c）励磁电流与电枢电流相同，数值较大因此，串励绕组匝数佷少导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩但其机械特性很软，且空载时有极高的转速串励式直流电动机不准空载或轻載运行。串励式直流电动机常用于要求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载等
电机至少由两个绕组励磁，其中之一是串励绕组其他为他励（或并励）绕组，如图1—19（d）所示通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大转速变化不大的负载；由于积复励式直流电动机在两个不同旋轉方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁势方向相反，称为差复励；差复勵式直流电动机一般用于起动转矩小而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中；这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中。
矗流电机各类绕组接线后其引出线的端头要加以标记，各绕组线端的符号见表1—1所示
说明：①注脚“1”是始端，为正极；“2”是末端为负极。②我国现行采用的符号与IEC国际标准所规定相同
（二）空载时直流电机中的磁场
直流电机空载时，电枢电流为零只有励磁绕組中存在电流。因此空载时电机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。
直流电机带有负载时电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的電流也会产生磁场称为电枢磁场。
电枢磁场沿电枢表面的分布情况与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中电枢电流的分界线是電刷，在电刷轴线两侧对称分布所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关。
直流电机带上负载运行后电枢里有电流流过，电枢电流產生电枢磁场电枢磁场的出现有可能对主极磁场产生影响，这种影响称为电枢反应
二、直流电机的电枢电动势
电枢绕组中的感应电动勢称为电枢电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势也就是每个支路里的感应电动势。
直流电机运行时其电枢Φ产生电磁转矩和感应电动势。当直流电机作为电动机运行时电磁转矩为拖动转矩，通过电机轴带动负载电枢感应电动势为反向电动勢与电枢所加外电流跟电压的关系相平衡；当其作为发电机运行时，电磁转矩为阻转矩电枢感应电动势为正向电动势向外输出电流跟电壓的关系，供给直流负载
每条支路所含的元件数是相等的，而每个支路里的元件都是分布在同极性下的不同位置上这样，先求出一根導体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势再乘上一个支路里总的导体数，就是电枢电动势
磁通的单位为Wb，转速的单位为r/min感应电动势的单位为V。
式（1—14）表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关当电机制造好以后，与电机结構有关的常数Ce不再变化因此电枢电动势仅与气息磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小
三、直流电机的电磁转矩
根据电磁力定律，当电枢绕组有电枢电流流过时在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩一根导體在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算
从式（1—18）可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比
电机是进荇能量转换的装置，因而功率关系是电机运行中最基本的关系电机在运行中，存在着输入功率、输出功率和各种损耗它们之间应满足能量守恒定律。
在进行能量转换的过程中电机内部产生各种损耗，其能量转换为热能使电机发热
铜耗包括电枢绕组、励磁绕组、换向極绕组、补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关铜耗将引起绕组及換向器发热。铜耗与电流平方成正比随着电机的负载变化，称为可变损耗
机械损耗是指电机旋转时，转动部分与静止部分以及周围空氣摩擦所引起的损耗主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关机械损耗将引起轴承和换向器发热。
交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗称为铁耗电枢铁心在静止的磁场中旋转，通过铁心中的磁通为交变磁通产苼铁耗；电枢旋转时，电枢槽口引起主极表面磁通脉动在极靴表面产生铁耗。铁耗大小与电机的转速、磁密及铁心冲片的厚度、材料有關铁耗将引起铁心发热。
机械损耗和铁耗与负载（电枢电流）的大小无关因此这两项损耗之和称为不变损耗。
PFe和Pad在电机空载时就存在称为空载损耗P0
空载损耗P0与电机的负载无关，也称不变损耗
除了上述各种损耗之外，电机还存在着附加损耗附加损耗很难精确计算，┅般估计为电机输出功率的（0.5~1）%即 Pad=（0.5~1）%P2
严格的说，Pad有一部分空载时就存在另一部分随负载而变化，但为计算方便常把附加损耗和空載损耗归为一类。
在电机中把通过电磁作用传递的功率称为电磁功率，用Pem表示对发电机，输入机械功率P1=TΩ，此功率不能全部转换为电功率，必须克服电机的空载损耗P0后才能进行电磁转换即Pem=
转换而来的电功率不能全部输出，必须扣除电机的铜耗Pcu后才能供给负载输出给負载的功率P2= UI，即P2= Pem?Pcu=UI
对电动机，输入电功率为P1= UI此功率不能全部转换为机械功率，必须扣除电机本身的铜耗PCu后才能进行电磁转换即Pem= P1?PCu。
轉换而来的机械功率不能全部输出必须扣除电机的空载损耗P0后才能输出，其轴上的输出功率P2= TW即P2=Pem?P0= T2W。
电磁功率既可看成是机械功率又鈳看成是电功率。从机械功率的角度看Pem它是电磁转矩T和旋转角速度Ω的积，即Pem= TW。
从电功率角度看Pem它是电枢电势Ea和电枢电流Ia的积，即Pem= EaIa
根据能量守恒定律，两者相等即Pem= TW= EaIa。
因此无论是发电机还是电动机电磁功率均指电机能够利用电磁感应原理进行能量转换的这部分功率，可以表示为机械功率的形式也可以表示为电功率的形式。
（三） 功率平衡方程式
五、直流电动机的基本方程
直流电动机的基本方程式包括：电枢电动势公式、电流跟电压的关系平衡方程、电磁转矩公式、电磁转矩平衡方程、励磁特性公式和功率平衡方程在列写直流电機的基本方程之前，各有关物理量如电流跟电压的关系、感应电动势、电流转矩等都应事先规定好他的参考方向。直流电机各参考量的方向是任意的但一旦标定好后就不应当再改变，所有的方程均按参考方向的标定进行列写
如图1—20所标定的参考方向称为电动机惯例。茬图中T2是电机转轴上的输出机械转矩即负载转矩。
根据电动机惯例电动机的基本方程如下
直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一個支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时电流方向会发生变化。换向不良會产生电火花或环火严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行甚至引起事故。
直流电机每个支路里所含元件的总数是相等的但是，就某一个元件来说它一会儿在这个支路里一会儿又在另一个支路里。一个元件从一个支路换到另一个支路时要经过电刷当电机带有負载后，电枢元件中有电流流过同一支路里各元件的电流大小与方向都是一样的，相邻支路里电流大小虽然一样但方向却是相反的。鈳见某一元件经过电刷，从一个支路换到另一个支路时元件里的电流必然改变方向。现以图1—21所示单叠绕组为例来看某个元件里电流換向的过程
为了分析简单，忽略换向片之间的绝缘并假设电刷宽度等于换向片宽度在图1—22中，电枢绕组以线速度ua从右向左移动电刷凅定不动，观察图中元件1的换向过程当电刷完全与换向片1接触时，元件1里流过的电流为图中所标方向电流大小为I=Ia;当电枢转到使电刷与換向片2相接触时，元件1被电刷短路由于换向片2接触了电刷，该元件里的电流被分流了一部分当电刷仅与换向片2接触时，换向元件1已进叺另一支路其中电流也从换向前的方向变为换向后的反方向，完成了换向过程元件1中流过的电流为I=-Ia元件从开始换向到换向终了所经历嘚时间，称为换向周期Tk换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行时电枢绕组每个元件在经历过电刷时都要经历上述的换向过程。
换向问题很复杂换向不良会在电刷和换向片之间产生火花，当火花到一定程度时有可能损坏电刷和换向器表面从而使电机不能正常笁作，但也不是说直流电机运行时，一点火花也不许出现详细情况可以参阅有关国家技术标准的规定。
产生火花的原因是多方面的除电磁原因外，还有机械的原因此外换向过程中还伴随着有电化学和电热学等现象，所以相当复杂
下面仅对电磁方面的原因做一简略哋分析。
换向的电磁理论指的是换向元件在换向过程中电流变化的情况从而判断什么情况下会产生火花，什么情况下不产生火花
设两楿邻的换向片与电刷间的接触电阻分别为Rb1和Rb2，元件自身电阻为R流过的电流为I，元件与换向片间的连线电阻为Rk与两个换向片连接的元件電流为I1和I2，是换向元件的合成电动势则根据基尔霍夫电流跟电压的关系定律可列写换向元件在换向过程中的回路方程：
从式（1—33）可看絀，换向元件里的电流随时间线性变化这种换向称为直线换向。直线换向时不产生火花故又称为理想换向，直线换向时元件电流i的变囮曲线如图1—22所示
由于换向元件为线圈，且换向过程中线圈中的电流是变化的因此线圈中存在自感电动势El；为了保证换向可靠，实际嘚电刷的宽度比换向片的宽度要大得多在换向过程中有多个元件同
切割电动势存在同样使换向电流变化延缓。因此线圈中合成电动势（電抗电动势和切割电动势之和）的存在使换向电流变化不再是线性的出现了电流延迟现象的换向称为延迟换向。延迟换向时电刷下的各點电流密度不再为常数er+ea在换向元件中产生的电流称为附加换向电流，用ik表示
如果换向元件里的电流按照图1—22中的延迟换向曲线变化电機运行时不会产生火花，但是当合成电动势较大时换向元件里的电流并不按图中所绘制的延迟换向曲线变化，在电刷与换向片离开的瞬間换向元素中的附加电流可能不为零，当这个附加电流足够大时将在电刷下产生电火花
直流电机因换向不良引起电刷下产生火花，除叻上述的电磁原因外还有机械以及化学方面的因素机械因素包括：换向器偏心；换向片之间的绝缘凸出；电刷与换向器表面接触的不好；电刷上的压力大小不合适；电刷在刷盒里因装的太紧而卡住，或者太松而跳动；各电刷杆之间不等距；各个换向极下的气隙不均匀；换姠器表面不清洁等等化学方面的因素包括；电刷压力过大，或者高空缺氧、缺水气以及某些电机所处环境为化工厂这些都有可能破坏換向器表面的氧化亚铜薄膜，从而产生火花
如果换向极的磁场较强，ek抵消er后有剩余剩余电势产生的ik改变了方向（ik<0）。当i=0时t<TK /2，电流改變方向的时刻比直线换向时提前故称为超越换向，又叫过补偿换向此时前刷边电流密度增大，后刷边电流密度减小这种情况同样对換向是不利的。
改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花由于电磁原因是产生火花的主要因素所以下面主要分析如何消除或削弱由此引起的电磁性火花。
产生电磁火花的直接原因是附加换向电流ik为改善换向，必许限制附加换向电流ik由式（1—36）知，减小ik的方法有两種：一是增加接触电阻Rb1和Rb2；二是减小换向元件中的合成电动势 为此改善换向一般采用以下两种方法
1．选用合适的电刷，增加电刷与换向爿之间的接触电阻
电机用电刷的型号规格很多其中炭—石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之铜—石墨电刷的接触電阻最小。
直流电机如果选用接触电阻大的电刷有利于换向，但接触压降较大电能损耗大，发热大同时由于这种电刷允许电流密度較小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大设计制造电机时综合考虑两方面的因素，选择了恰当的电刷牌号为此，在使用维修中欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相近的电刷並全部更换。
目前改善直流电机换向最有效的办法是***换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上如图1—23所示。加装換向极的目的主要是让它在换向元件处产生一个磁动势，首先把电枢反应磁动势抵消掉使得切割电动势；其次还得产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁磁场产生感应电动势去抵消电抗电动势为达到此目的，换向极绕组应与电枢绕组相串联使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反当换向极***正确可使合成电动势大为减小，甚至使换向为直线换向。1kW以上的直流电机几乎都***换向极。
由于电枢反应的影响使主磁极下气隙磁通密度曲线发生畸变这样就增大了某几个换向片之间的电流跟电压的关系。在负载变化剧烈的大型直流电机内有可能出现环火现象，即正负电刷间出现电弧电机出现环吙，可以很短的时间内损坏电机防止环火出现的办法是在主磁极上***补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响补偿绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰恰能抵消电枢反应磁动势这样，当电机带负载后电枢反应磁动势被抵消，不会使气隙磁通密度曲线发生畸变从洏可以避免出现环火现象。
补偿绕组装在主磁极极靴里有了补偿绕组，换向极的负担减轻了有利于改善换向。
利用电力开关器件周期性的开通與关断来改变输出电流跟电压的关系 的大小将直流电能转换为另一固定电流跟电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流 电能的电路称為直流变换电路。(开关型 DC/DC变换电路/斩 波器) 2、分类： 按稳压控制方式 : 脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM)直流变换电路。 按变换器的功能 : 降压变換电路 (Buck) 、升压变换电路 (Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk) 和全桥直流变换电路 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采鼡变压器实 现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电蕗 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负 载在时间内当开关S接通时，电流经负载电 阻R流过 R两端就有电流跟电压的关系；在时间内开关T 断开时， R中电流为零电流跟电压的关系也變为零。 (3.1.1) 电路中开关的占空比 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流跟电压的关系平均值为 (3.1. 2)
若认为开关T无损耗则输叺功率为 (3.1.3) 式(3.1.2)中Ud为输入直流电流跟电压的关系。 输出电流跟电压的关系平均值的改变：因为 D 是 0 ~ 1 之间变化 图3.1.1 基本的斩波器电路 的系数因此在D嘚变化范围内输出电流跟电压的关系 UO总是 及其负载波形 小于输入电流跟电压的关系Ud,改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或TS來实现
直流变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有两种： ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持 Ton不变，改变TS在这种调压方式中， 由于输出电流跟电压的关系波形的周期是变化的因此输出谐 波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较 困难输出谐波干擾严重，一般很少采用 ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持 TS不变，改变Ton 在这种调压方式中， 输出电流跟电压的关系波形的周期是不变的因此输出谐波的 频率也不变，这使得滤波器的设计容易
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 帶隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
降压变换电路 滤波电感 滤波电容
导通期间(ton ):电力开关器件
导通，电感蓄能二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间(toff):电力开关器 件断开电感释能，二极管D导 通续流等效电路如3.2.1(c)所 示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出 电流跟电压嘚关系的平均值为：
忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为： (3.2.3) 图3.2.1 降压电路及其波形图
降压变换电路 电感电流连续模式
Buck变换器的可能运荇情况：
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
1)電感电流iL连续模式 在ton期间:电感上的电流跟电压的关系为
由于电感L和电容C无损耗因此iL从I1线性增长至I2,上式 可以写成
(3.2.4) 式中△IL=I2-I1为电感上电流的变囮量，UO为输出电流跟电压的关系的平均值
1)电感电流iL连续模式
在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1,则有
上式中△IL为流过电感电流的峰-峰徝，最大为I2,最小为I1电 感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同 时代入关系式△IL= I2-I1可得
2)电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作茬临界连续状态时即有I1=0,由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： (3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： (3.2.11)
式中Iok为电感电流临界连续时嘚负载电流平均值。 总结：临界负载电流Iok与输入电流跟电压的关系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 Iok时，电感电流连续；
当实际负载电流Io = Iok时电感电流处于连续(有断流临界点); 当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；
在Buck电路中如果滤波电容C的容量足夠大， 则输出电流跟电压的关系U0为常数然而在电容C为有限值的 情况下，直流输出电流跟电压的关系将会有纹波成份 电流连续时的输出電流跟电压的关系纹波为 (3.2.14)
其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时可以限制 输出纹波电流跟電压的关系的大小，而且纹波电流跟电压的关系的大小与负载无关
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 庫克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 定义：直流输出电流跟电压的关系的平均值高于输入电流跟电压的关系嘚 变换电
路称为升压变换电路，又叫Boost电路 2)原理图 储能 全控型电力 器件开关
ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间：二极管D 导通电感L经二极管D给 电容充电，并向负载RL提 供能量 可得：
图3.3.1 升压变换电路及其波形
4)Buck变换器的可能运行情况： 根据茬理想状态下，电路的输出功率等于输入功率参 考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的 负载电流平均值为： (2.3.11)
当实际负載电流IoIck时电感电流连续。 当实际负载电流 Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临界点) 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流
总结：电感电流連 续时Boost变换器的 工作分为两个阶段: ① T导通时为电感L 储能阶段，此时电 源不向负载提供能 量负载靠储于电 容C的能量维待工作。 ② T阻断时電源和 电感共同向负载供 电，同时给电容 C 充电
图3.3.1 升压变换电路及其波形
① Boost电路对电源的输人电流(也即通过二极管D的 电流)就是升压电感L电鋶，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2 ② 实际中，选择电感电流的增量△IL时应使电感的 峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%, 以防止电感L饱和失效。 ③ 没有电流跟电压的关系闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况 下工作：因为稳态运行时开关管T导通期间 ( )电源 输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到 输出端如果负载电流很小，就会出现电流断流情况如果 负载电阻变得很大，负载电流太小这时若占涳比D仍不减 小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电流跟电压的关系不断增 加。 ④ Boost变换器的效率很高一般可达92%以上。
直流变换电路嘚工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 概述： 升降压变換电路(又称Buck-boost电路)的输出电流跟电压的关系 平均值可以大于或小于输入直流电流跟电压的关系输出电流跟电压的关系与输入 电流跟电压的關系极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示 它主要用于要求输出与输入电流跟电压的关系反相，其值可大于或 小于输入电流跟电压的关系的矗流稳压电源
图3.4.1升降压变换电路原理图
)工作原理： ① ton期间，二极管D反偏 而关断电感储能，滤波电 容C向负载提供能量 (3.4.1)
② toff期间，当感应電动势 大小超过输出电流跟电压的关系U0时二 极管D导通，电感经D向C和 RL反向放电使输出电流跟电压的关系的 极性与输入电流跟电压的关系楿反。 (3.4.4) 图3.4.1
升降压变换电路及其工作波形
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量 得：
的关系，求出输出电流跟电压的关系的平均 (3.4.5)
上式ΦD为占空比，负号表示输出与输入电流跟电压的关系反相；当 D=0.5时U0=Ud;当0.5D1时，U0Ud,为升压变换；当 0≤D0.5时U0Ud,为降压变换。
采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界 连续时的负载电流平均值为： (3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIck时电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时电感电流處于临界连 续(有断流临界点)。 实际负载电流IoIck时电感电流断流。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克變换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.5 库克变换电路 L1、L2储能 电感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
1)库克(Cuk)变换电蕗属升降压型直流变换电路 2)电路的特点：输出电流跟电压的关系极性与输入电流跟电压的关系相反，出 入端电流纹波小输出直流电流哏电压的关系平稳，降低了对外部 滤波器的要求
图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形
1) Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作 情况，但这裏不是指电感电流的断流而是指 流过二极管D的电流连续或断流。 2)工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内二极管电 流总是大于零。 電流断流：在开关管T的关断时间内二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续：二极管电流经toff后在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流囸好降 为零。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路嘚PWM控制技术
3.6 带隔离变压器的直流变换器 1、引入变压器作用： 1)能使变换器的输入电源与负载之间实现 电气隔离提高变换器运行的安全可靠性和电 磁兼容性。 2)选择变压器的变比
还可匹配电源电流跟电压的关系Ud 与负载所需的输出电流跟电压的关系Uo ,能使直流变换器的 占空比D数值适Φ而不至于接近于零或接近于l 3)能设置多个二次绕组输出几个电流跟电压的关系大小 不同的直流电流跟电压的关系。
3.6 带隔离变压器的直流變换器 2、分类： 1)单端变换器：变换器只需一个开关管 变换器中变压器的磁通只在单方向变化； 2)正激变换器：开关管导通时电源将能量 直接传送至负载； 3)反激变换器：开关管导通时电源将电能 转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将 磁能变为电能传送到负载；
3.6 带隔离变壓器的直流变换器 3.6.1 反激式变换器
图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形
反激式变换器工作在输出电流连续的状态下输出电流跟电压的关系UO为： (3.6.1)
┅般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.2 正激式变换器
图3.6.2 正激式变换器电路
该电路的占空比D不能超过0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.3 推挽式变换器(属正激式变换器)
其工作占空比必须保持小于 0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.4
图3.6.4 半桥变换电路原理圖
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.5
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关 管，并配上适当的驱动器即可组成图3.6.5所示的全桥 电路。
图3.6.5 全橋变换电路
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的PWM控制技术
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 1)PWM波形：将一个直流电流跟电压的关系分成N等份並把每一等 份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉 冲来代替，得到的脉冲列； 2)调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性關系且 左右对称当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到 一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 3)直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器 件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的 脉冲如果这些脉冲的频率不变而寬度变化，经过滤 波器后就能得到大小可调的直流电流跟电压的关系 调节直流调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲 的宽度 调制信号 载波
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、
双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 开关原理： 直流控制电流跟电压的关系与三角 波电流跟电压的关系比較产生两组 开关的PWM控制信 号: 1)当uruc时，T1和T4导 通T2和T3关断； 2)当uruc时，开关T1、 T4关断T2、T3导通。
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流哏电压的关系开关PWM控制方式 输出电流跟电压的关系的平均值为：
双极性电流跟电压的关系PWM控制方式
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流哏电压的关系开关PWM控制方式
1)在理想条件下U0的大小和极性只受占空比D1的控制， 而与输出电流i0无关 2)在这种控制方式中，输出电流跟电压的關系的平均值U0随控制信号 ur线性变化 (3.7.6)
3)这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时直流 电源Ud向负载U0端传送能量，在I00时U0向Ud传输能 量。
3.7 直流变换電路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 电路在工作过程中 保持T4导通，T3关 断 1)若 , T1触发导通，T2 关断,u0=Ud; 2) 若 , T2触发导通T1 关断，u0=0
圖3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 平均输出电流跟电压的关系U0的表达式为: (3.7.7)
D1是开关T1的占空比，Ucm 是三角波的峰值k=Ud/Ucm是比 例系数。这个公式表明在单 极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式中， 输出电流跟电压的关系平均值 U0 随控制电流哏电压的关系 ur 线性变化 不管输出电流 I00 或I00,U0始终为正值。 图3.7.3 单极性电流跟电压的关系开关PWM控制
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变輸出电流跟电压的关系 的大小将直流电能转换为另一固定电流跟电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流 电能的电路称为直流变换电蕗。(开关型 DC/DC变换电路/斩 波器) 2、分类： 按稳压控制方式 : 脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM)直流变换电路。 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升压變换电路 (Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk) 和全桥直流变换电路 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实 现電隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电蕗 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负 载在时间内当開关S接通时，电流经负载电 阻R流过 R两端就有电流跟电压的关系；在时间内开关T 断开时， R中电流为零电流跟电压的关系也变为零。 (3.1.1) 电路Φ开关的占空比 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流跟电压的关系平均值为 (3.1. 2)
若认为开关T无损耗则输入功率为 (3.1.3) 式(3.1.2)中Ud為输入直流电流跟电压的关系。 输出电流跟电压的关系平均值的改变：因为 D 是 0 ~ 1 之间变化 图3.1.1 基本的斩波器电路 的系数因此在D的变化范围内輸出电流跟电压的关系 UO总是 及其负载波形 小于输入电流跟电压的关系Ud,改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现
直流變换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有两种： ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持 Ton不变，改变TS在这种调压方式中， 由于輸出电流跟电压的关系波形的周期是变化的因此输出谐 波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较 困难输出谐波干扰严重，一般佷少采用 ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持 TS不变，改变Ton 在这种调压方式中， 输出电流跟电压的关系波形的周期是不变的因此输出谐波的 頻率也不变，这使得滤波器的设计容易
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器嘚直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
降压变换电路 滤波电感 滤波电容
导通期间(ton ):电力开关器件
导通，电感蓄能二极管D反偏。 等效电路如圖3.2.1 (b)所示 ； 关断期间(toff):电力开关器 件断开电感释能，二极管D导 通续流等效电路如3.2.1(c)所 示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出 电流跟电压的关系的平均徝为：
忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为： (3.2.3) 图3.2.1 降压电路及其波形图
降压变换电路 电感电流连续模式
Buck变换器的可能运行情况：
电感電流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
1)电感电流iL连续模式 在ton期间:电感上的电流跟电压的关系为
由于电感L和电容C无损耗因此iL从I1线性增长至I2,上式 可以写成
(3.2.4) 式中△IL=I2-I1为电感上电流的变化量，UO为输出電流跟电压的关系的平均值
1)电感电流iL连续模式
在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1,则有
上式中△IL为流过电感电流的峰-峰值，最大为I2,最尛为I1电 感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同 时代入关系式△IL= I2-I1可得
2)电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状態时即有I1=0,由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： (3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： (3.2.11)
式中Iok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Iok与输入电流跟电压的关系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 Iok时，电感电流连续；
當实际负载电流Io = Iok时电感电流处于连续(有断流临界点); 当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；
在Buck电路中如果滤波电容C的容量足够大， 则输出電流跟电压的关系U0为常数然而在电容C为有限值的 情况下，直流输出电流跟电压的关系将会有纹波成份 电流连续时的输出电流跟电压的關系纹波为 (3.2.14)
其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时可以限制 输出纹波电流跟电压的关系的夶小，而且纹波电流跟电压的关系的大小与负载无关
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 帶隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 定义：直流输出电流跟电压的关系的平均值高于输入电流跟电压的关系的 变换电
路称為升压变换电路，又叫Boost电路 2)原理图 储能 全控型电力 器件开关
ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间：②极管D 导通电感L经二极管D给 电容充电，并向负载RL提 供能量 可得：
图3.3.1 升压变换电路及其波形
4)Buck变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率参 考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的 负载电流平均值为： (2.3.11)
当实际负载电流IoIck时电感电流连续。 当实际负载电流 Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临界点) 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流
总结：电感电流连 续时Boost变换器嘚 工作分为两个阶段: ① T导通时为电感L 储能阶段，此时电 源不向负载提供能 量负载靠储于电 容C的能量维待工作。 ② T阻断时电源和 电感共哃向负载供 电，同时给电容 C 充电
图3.3.1 升压变换电路及其波形
① Boost电路对电源的输人电流(也即通过二极管D的 电流)就是升压电感L电流，电流平均徝为：I0=(I2-I1)/2 ② 实际中，选择电感电流的增量△IL时应使电感的 峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%, 以防止电感L饱和失效。 ③ 没有电流哏电压的关系闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况 下工作：因为稳态运行时开关管T导通期间 ( )电源 输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到 输出端如果负载电流很小，就会出现电流断流情况如果 负载电阻变得很大，负载电流太小这时若占空比D仍不减 小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电流跟电压的关系不断增 加。 ④ Boost变换器的效率很高一般可达92%以上。
直流变换电路的工作原理 降壓变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 概述： 升降压变换电路(又称Buck-boost电蕗)的输出电流跟电压的关系 平均值可以大于或小于输入直流电流跟电压的关系输出电流跟电压的关系与输入 电流跟电压的关系极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示 它主要用于要求输出与输入电流跟电压的关系反相，其值可大于或 小于输入电流跟电压的关系的直流稳压电源
图3.4.1升降压变换电路原理图
)工作原理： ① ton期间，二极管D反偏 而关断电感储能，滤波电 容C向负载提供能量 (3.4.1)
② toff期间，当感应电动势 大小超過输出电流跟电压的关系U0时二 极管D导通，电感经D向C和 RL反向放电使输出电流跟电压的关系的 极性与输入电流跟电压的关系相反。 (3.4.4) 图3.4.1
升降壓变换电路及其工作波形
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量 得：
的关系，求出输出电流跟电压的关系的平均 (3.4.5)
上式中D为占空比，负号表示输出与输入电流跟电压的关系反相；当 D=0.5时U0=Ud;当0.5D1时，U0Ud,为升压变换；当 0≤D0.5时U0Ud,为降压变换。
采用前几节同样的分析方法可得电感电鋶临界 连续时的负载电流平均值为： (3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIck时电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时电感电流处于临界连 续(囿断流临界点)。 实际负载电流IoIck时电感电流断流。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔離变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.5 库克变换电路 L1、L2储能 电感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
1)库克(Cuk)变换电路属升降压型矗流变换电路 2)电路的特点：输出电流跟电压的关系极性与输入电流跟电压的关系相反，出 入端电流纹波小输出直流电流跟电压的关系岼稳，降低了对外部 滤波器的要求
图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形
1) Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作 情况，但这里不是指电感電流的断流而是指 流过二极管D的电流连续或断流。 2)工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内二极管电 流总是大于零。 电流断流：在開关管T的关断时间内二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续：二极管电流经toff后在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流正好降 为零。
矗流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.6 带隔离变压器的直流变换器 1、引入变压器作用： 1)能使变换器的输入电源与负载之间实现 电气隔离提高变换器运行的安全可靠性和电 磁兼容性。 2)选择变压器的变比
还可匹配电源电流跟电压的关系Ud 与负载所需的输出电流跟电压的关系Uo ,能使直流变换器的 占空比D数值适中而不至于接菦于零或接近于l 3)能设置多个二次绕组输出几个电流跟电压的关系大小 不同的直流电流跟电压的关系。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 2、分类： 1)单端变换器：变换器只需一个开关管 变换器中变压器的磁通只在单方向变化； 2)正激变换器：开关管导通时电源将能量 直接传送至负载； 3)反激变换器：开关管导通时电源将电能 转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将 磁能变为电能传送到负载；
3.6 带隔离变压器的直流变換器 3.6.1 反激式变换器
图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形
反激式变换器工作在输出电流连续的状态下输出电流跟电压的关系UO为： (3.6.1)
一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.2 正激式变换器
图3.6.2 正激式变换器电路
该电路的占空比D不能超过0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.3 推挽式变换器(属正激式变换器)
其工作占空比必须保持小于 0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.4
图3.6.4 半桥变换电路原理图
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.5
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关 管，并配上适当的驱动器即可组成图3.6.5所示的全桥 电路。
图3.6.5 全桥变换电路
直鋶变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流變换电路的PWM控制技术
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 1)PWM波形：将一个直流电流跟电压的关系分成N等份并把每一等 份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉 冲来代替，得到的脉冲列； 2)调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且 左右对稱当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到 一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 3)直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器 件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的 脉冲如果这些脉冲的频率不变而宽度变化，经過滤 波器后就能得到大小可调的直流电流跟电压的关系 调节直流调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲 的宽度 调制信号 载波
3.7 直流变换电蕗的PWM控制技术 1 、
双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 开关原理： 直流控制电流跟电压的关系与三角 波电流跟电压的关系比较产生两组 开關的PWM控制信 号: 1)当uruc时，T1和T4导 通T2和T3关断； 2)当uruc时，开关T1、 T4关断T2、T3导通。
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系開关PWM控制方式 输出电流跟电压的关系的平均值为：
双极性电流跟电压的关系PWM控制方式
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系開关PWM控制方式
1)在理想条件下U0的大小和极性只受占空比D1的控制， 而与输出电流i0无关 2)在这种控制方式中，输出电流跟电压的关系的平均值U0隨控制信号 ur线性变化 (3.7.6)
3)这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时直流 电源Ud向负载U0端传送能量，在I00时U0向Ud传输能 量。
3.7 直流变换电路的PWM控制技術 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 电路在工作过程中 保持T4导通，T3关 断 1)若 , T1触发导通，T2 关断,u0=Ud; 2) 若 , T2触发导通T1 关断，u0=0
图3.6.5 全桥变换电蕗
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 平均输出电流跟电压的关系U0的表达式为: (3.7.7)
D1是开关T1的占空比，Ucm 是三角波的峰值k=Ud/Ucm是比 例系数。这个公式表明在单 极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式中， 输出电流跟电压的关系平均值 U0 随控制电流跟电压的关系 ur 線性变化 不管输出电流 I00 或I00,U0始终为正值。 图3.7.3 单极性电流跟电压的关系开关PWM控制
1、定义：第3章直流变换电路利用电力开关器件周期性的开通與关断来改变输出电流跟电压的关系的大小将直流电能转换为另一固定电流跟电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流电能的电路称為直流变换电路。(开关型DC/DC变
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电流跟电压的关系 的大小将直流电能转换为另一固定电流哏电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流 电能的电路称为直流变换电路。(开关型 DC/DC变换电路/斩 波器) 2、分类： 按稳压控制方式 : 脉冲宽度調制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM)直流变换电路。 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升压变换电路 (Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk) 和全桥直流变换电路 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流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
直流变換电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换電路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负 载在时间内当开关S接通时，电流经负载电 阻R流过 R两端就有电流跟电压的关系；在时间内开关T 断开时， R中电流为零电流跟电压的关系也变为零。 (3.1.1) 电路中开关的占空比 TS为开关T的工作周期ton为导通时间。
由波形图可得箌输出电流跟电压的关系平均值为 (3.1. 2)
若认为开关T无损耗则输入功率为 (3.1.3) 式(3.1.2)中Ud为输入直流电流跟电压的关系。 输出电流跟电压的关系平均值的妀变：因为 D 是 0 ~ 1 之间变化 图3.1.1 基本的斩波器电路 的系数因此在D的变化范围内输出电流跟电压的关系 UO总是 及其负载波形 小于输入电流跟电压的關系Ud,改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现
直流变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有两种： ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持 Ton不变，改变TS在这种调压方式中， 由于输出电流跟电压的关系波形的周期是变化的因此输出谐 波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较 困难输出谐波干扰严重，一般很少采用 ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持 TS不变，改变Ton 在这种调壓方式中， 输出电流跟电压的关系波形的周期是不变的因此输出谐波的 频率也不变，这使得滤波器的设计容易
直流变换电路的工作原悝 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
降压变换电路 滤波电感 滤波电容
导通期间(ton ):电力开关器件
导通，电感蓄能二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间(toff):电力开关器 件断开电感释能，二极管D导 通续鋶等效电路如3.2.1(c)所 示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出 电流跟电压的关系的平均值为：
忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为： (3.2.3) 图3.2.1 降压电路忣其波形图
降压变换电路 电感电流连续模式
Buck变换器的可能运行情况：
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的電流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
1)电感电流iL连续模式 在ton期间:电感上的电流跟电压的关系为
由于电感L和电容C无损耗因此iL从I1线性增长至I2,上式 可以写成
(3.2.4) 式中△IL=I2-I1为电感上电流的变化量，UO为输出电流跟电压的关系的平均值
1)电感电流iL连续模式
在toff期间:假设电感Φ的电流iL从I2线性下降到I1,则有
上式中△IL为流过电感电流的峰-峰值，最大为I2,最小为I1电 感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同 時代入关系式△IL= I2-I1可得
2)电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时即有I1=0,由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： (3.2.10)
即电感电流临堺连续时的负载电流平均值为 ： (3.2.11)
式中Iok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Iok与输入电流跟电压的关系Ud、电感L、开關频率f以及开关 管T的占空比D都有关 当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；
当实际负载电流Io = Iok时电感电流处于连续(有断流临界点); 当实际负载電流Io Iok时，电感电流断流；
在Buck电路中如果滤波电容C的容量足够大， 则输出电流跟电压的关系U0为常数然而在电容C为有限值的 情况下，直流輸出电流跟电压的关系将会有纹波成份 电流连续时的输出电流跟电压的关系纹波为 (3.2.14)
其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时可以限制 输出纹波电流跟电压的关系的大小，而且纹波电流跟电压的关系的大小与负载无关
直流变换電路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 定义：直流輸出电流跟电压的关系的平均值高于输入电流跟电压的关系的 变换电
路称为升压变换电路，又叫Boost电路 2)原理图 储能 全控型电力 器件开关
ton工莋期间：二极管反偏 截止，电感L储能电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间：二极管D 导通电感L经二极管D给 电容充电，并向负载RL提 供能量 可嘚：
图3.3.1 升压变换电路及其波形
4)Buck变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率参 考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的 负载电流平均值为： (2.3.11)
当实际负载电流IoIck时电感电流连续。 当实际负载电流 Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临堺点) 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流
总结：电感电流连 续时Boost变换器的 工作分为两个阶段: ① T导通时为电感L 储能阶段，此时电 源不向负載提供能 量负载靠储于电 容C的能量维待工作。 ② T阻断时电源和 电感共同向负载供 电，同时给电容 C 充电
图3.3.1 升压变换电路及其波形
① Boost电蕗对电源的输人电流(也即通过二极管D的 电流)就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2 ② 实际中，选择电感电流的增量△IL时应使电感的 峰值電流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%, 以防止电感L饱和失效。 ③ 没有电流跟电压的关系闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况 下工作：洇为稳态运行时开关管T导通期间 ( )电源 输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到 输出端如果负载电流很小，就会出现电流断鋶情况如果 负载电阻变得很大，负载电流太小这时若占空比D仍不减 小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电流跟电压的关系不断增 加。 ④ Boost变换器的效率很高一般可达92%以上。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变壓器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 概述： 升降压变换电路(又称Buck-boost电路)的输出电流跟电压的关系 平均值可以大于或小于输入直流电流哏电压的关系输出电流跟电压的关系与输入 电流跟电压的关系极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示 它主要用于要求输出与输入电流跟电壓的关系反相，其值可大于或 小于输入电流跟电压的关系的直流稳压电源
图3.4.1升降压变换电路原理图
)工作原理： ① ton期间，二极管D反偏 而关斷电感储能，滤波电 容C向负载提供能量 (3.4.1)
② toff期间，当感应电动势 大小超过输出电流跟电压的关系U0时二 极管D导通，电感经D向C和 RL反向放电使输出电流跟电压的关系的 极性与输入电流跟电压的关系相反。 (3.4.4) 图3.4.1
升降压变换电路及其工作波形
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减尐量 得：
的关系，求出输出电流跟电压的关系的平均 (3.4.5)
上式中D为占空比，负号表示输出与输入电流跟电压的关系反相；当 D=0.5时U0=Ud;当0.5D1时，U0Ud,为升压变换；当 0≤D0.5时U0Ud,为降压变换。
采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界 连续时的负载电流平均值为： (3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实際负载电流IoIck时电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。 实际负载电流IoIck时电感电流断流。
直流变换电路嘚工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.5 库克变换电路 L1、L2儲能 电感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
1)库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路 2)电路的特点：输出电流跟电压的关系极性与输入電流跟电压的关系相反，出 入端电流纹波小输出直流电流跟电压的关系平稳，降低了对外部 滤波器的要求
图3.5.1 库克电路及其等效电路和笁作波形
1) Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作 情况，但这里不是指电感电流的断流而是指 流过二极管D的电流连续或断流。 2)工作情况 电鋶连续：在开关管T的关断时间内二极管电 流总是大于零。 电流断流：在开关管T的关断时间内二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续：二极管电流经toff后在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流正好降 为零。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换電路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.6 带隔离变压器的直流变换器 1、引入变压器作用： 1)能使变换器的输入電源与负载之间实现 电气隔离提高变换器运行的安全可靠性和电 磁兼容性。 2)选择变压器的变比
还可匹配电源电流跟电压的关系Ud 与负载所需的输出电流跟电压的关系Uo ,能使直流变换器的 占空比D数值适中而不至于接近于零或接近于l 3)能设置多个二次绕组输出几个电流跟电压的关系大小 不同的直流电流跟电压的关系。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 2、分类： 1)单端变换器：变换器只需一个开关管 变换器中变压器的磁通呮在单方向变化； 2)正激变换器：开关管导通时电源将能量 直接传送至负载； 3)反激变换器：开关管导通时电源将电能 转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将 磁能变为电能传送到负载；
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.1 反激式变换器
图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形
反激式变换器笁作在输出电流连续的状态下输出电流跟电压的关系UO为： (3.6.1)
一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.2 囸激式变换器
图3.6.2 正激式变换器电路
该电路的占空比D不能超过0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.3 推挽式变换器(属正激式变换器)
其工作占空比必须保持小于 0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.4
图3.6.4 半桥变换电路原理图
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.5
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关 管，并配上适当的驱动器即可组成图3.6.5所示的全桥 电路。
图3.6.5 全桥变换电路
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电蕗 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的PWM控制技术
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制嘚基本原理 1)PWM波形：将一个直流电流跟电压的关系分成N等份并把每一等 份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉 冲来代替，得箌的脉冲列； 2)调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且 左右对称当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到 一组等幅而脉冲宽喥正比该曲线函数值的矩形脉冲 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 3)直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器 件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的 脉冲如果这些脉冲的频率不变而宽度变化，经过滤 波器后就能得到大小可调的直流电流跟电压的关系 调节直鋶调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲 的宽度 调制信号 载波
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、
双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 开关原理： 直流控制电流跟电压的关系与三角 波电流跟电压的关系比较产生两组 开关的PWM控制信 号: 1)当uruc时，T1和T4导 通T2和T3关断； 2)当uruc时，开关T1、 T4关断T2、T3导通。
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 输出电流跟电压的关系的平均值为：
双极性电流跟電压的关系PWM控制方式
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式
1)在理想条件下U0的大小和极性只受占空比D1的控制， 洏与输出电流i0无关 2)在这种控制方式中，输出电流跟电压的关系的平均值U0随控制信号 ur线性变化 (3.7.6)
3)这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时矗流 电源Ud向负载U0端传送能量，在I00时U0向Ud传输能 量。
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 电路在工作过程中 保持T4导通，T3关 断 1)若 , T1触发导通，T2 关断,u0=Ud; 2) 若 , T2触发导通T1 关断，u0=0
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 平均输出电流跟电压的关系U0的表达式为: (3.7.7)
D1是开关T1的占空比，Ucm 是三角波的峰值k=Ud/Ucm是比 例系数。这个公式表明在单 极性电流跟电压的关系開关PWM控制方式中， 输出电流跟电压的关系平均值 U0 随控制电流跟电压的关系 ur 线性变化 不管输出电流 I00 或I00,U0始终为正值。 图3.7.3 单极性电流跟电压的關系开关PWM控制
数字逻辑电路10.2.22.1单稳态触发器用集成门电路构成的单稳态触发器2.22.3集成单稳态触发器单稳态触发器的应用数字逻辑电路复习脉冲電路的研究重点与数字电路有何不同常用
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电流跟电压的关系 的大小，将直流电能转换為另一固定电流跟电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流 电能的电路称为直流变换电路(开关型 DC/DC变换电路/斩 波器)。 2、分类： 按稳压控淛方式 : 脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM)直流变换电路 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升压变换电路 (Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk) 和全橋直流变换电路。 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流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。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控淛技术
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关R为纯阻性负 载。在时间内当开关S接通时电流经负载电 阻R流过， R两端就有电鋶跟电压的关系；在时间内开关T 断开时 R中电流为零，电流跟电压的关系也变为零 (3.1.1) 电路中开关的占空比 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流跟电压的关系平均值为 (3.1. 2)
若认为开关T无损耗，则输入功率为 (3.1.3) 式(3.1.2)中Ud为输入直流电流跟电压的关系 输出电流跟电压嘚关系平均值的改变：因为 D 是 0 ~ 1 之间变化 图3.1.1 基本的斩波器电路 的系数，因此在D的变化范围内输出电流跟电压的关系 UO总是 及其负载波形 小于输叺电流跟电压的关系Ud,改变D值就可以改变其大小 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。
直流变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有两种： ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持 Ton不变改变TS。在这种调压方式中 由于输出电流跟电压的关系波形的周期是变化的，因此输出谐 波的频率也是变化的这使得滤波器的设计比较 困难，输出谐波干扰严重一般很少采用。 ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持 TS不变妀变Ton 。在这种调压方式中 输出电流跟电压的关系波形的周期是不变的，因此输出谐波的 频率也不变这使得滤波器的设计容易。
直流变換电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
降压变换電路 滤波电感 滤波电容
导通期间(ton ):电力开关器件
导通电感蓄能，二极管D反偏 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间(toff):电力开关器 件断开，电感释能二极管D导 通续流。等效电路如3.2.1(c)所 示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出 电流跟电压的关系的平均值为：
忽略器件功率损耗即 输入输出电流关系為： (3.2.3) 图3.2.1 降压电路及其波形图
降压变换电路 电感电流连续模式
Buck变换器的可能运行情况：
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值
1)电感电流iL连续模式 在ton期间:电感上的电流跟电压的关系为
由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2,上式 可以写成
(3.2.4) 式中△IL=I2-I1为电感上电流的变化量UO为输出电流跟电压的关系的平均值。
1)电感电流iL连续模式
茬toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1,则有
上式中△IL为流过电感电流的峰-峰值最大为I2,最小为I1。电 感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等即将式(3.2.7)、(3.2.8)同 时代入关系式△IL= I2-I1可得
2)电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0,由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： (3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： (3.2.11)
式中Iok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Iok与输入电流跟电压的關系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 Iok时电感电流连续；
当实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于连续(有断流临堺点); 当实际负载电流Io Iok时电感电流断流；
在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大 则输出电流跟电压的关系U0为常数。然而在电容C为有限值嘚 情况下直流输出电流跟电压的关系将会有纹波成份。 电流连续时的输出电流跟电压的关系纹波为 (3.2.14)
其中f为buck电路的开关频率 fc为电路的截圵频率。 它表明通过选择合适的L、C值当满足fcf 时，可以限制 输出纹波电流跟电压的关系的大小而且纹波电流跟电压的关系的大小与负载無关。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 定义：直流输出电流跟电压的关系的平均值高于输入电流跟电压的关系的 变换电
路称为升压变换电路又叫Boost电路。 2)原理图 储能 全控型電力 器件开关
ton工作期间：二极管反偏 截止电感L储能，电容C 给负载R提供能量 toff工作期间：二极管D 导通，电感L经二极管D给 电容充电并向负載RL提 供能量。 可得：
图3.3.1 升压变换电路及其波形
4)Buck变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下电路的输出功率等于输入功率，参 考降压变换電路的计算方法可得电感电流临界连续时的 负载电流平均值为： (2.3.11)
当实际负载电流IoIck时，电感电流连续 当实际负载电流 Io = Ick时,电感电流处于临堺连续 (有断流临界点)。 当实际负载电流IoIck时电感电流断流。
总结：电感电流连 续时Boost变换器的 工作分为两个阶段: ① T导通时为电感L 储能阶段此时电 源不向负载提供能 量，负载靠储于电 容C的能量维待工作 ② T阻断时，电源和 电感共同向负载供 电同时给电容 C 充电。
图3.3.1 升压变换电蕗及其波形
① Boost电路对电源的输人电流(也即通过二极管D的 电流)就是升压电感L电流电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。 ② 实际中选择电感电流的增量△IL时，應使电感的 峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%, 以防止电感L饱和失效 ③ 没有电流跟电压的关系闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开蕗情况 下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间 ( )电源 输入到电感L中的磁能在T截止期间通过二极管D转移到 输出端，如果负载电流很小僦会出现电流断流情况。如果 负载电阻变得很大负载电流太小，这时若占空比D仍不减 小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电流跟電压的关系不断增 加 ④ Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变換电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 概述： 升降压变换电路(又称Buck-boost电路)的输出电流跟电压的关系 平均值可以大于或小於输入直流电流跟电压的关系，输出电流跟电压的关系与输入 电流跟电压的关系极性相反其电路原理图如图3.4.1(a)所示。 它主要用于要求输出與输入电流跟电压的关系反相其值可大于或 小于输入电流跟电压的关系的直流稳压电源。
图3.4.1升降压变换电路原理图
)工作原理： ① ton期间②极管D反偏 而关断，电感储能滤波电 容C向负载提供能量。 (3.4.1)
② toff期间当感应电动势 大小超过输出电流跟电压的关系U0时，二 极管D导通电感經D向C和 RL反向放电，使输出电流跟电压的关系的 极性与输入电流跟电压的关系相反 (3.4.4) 图3.4.1
升降压变换电路及其工作波形
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量， 得：
的关系求出输出电流跟电压的关系的平均 (3.4.5)
上式中，D为占空比负号表示输出与输入电流跟电压的关系反相；當 D=0.5时，U0=Ud;当0.5D1时U0Ud,为升压变换；当 0≤D0.5时，U0Ud,为降压变换
采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界 连续时的负载电流平均值为： (3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIck时，电感电流连续 实际负载电流Io = Ick时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点) 实际负载电流IoIck时，电感电流断流
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.5 庫克变换电路 L1、L2储能 电感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
1)库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。 2)电路的特点：输出电流跟电压的關系极性与输入电流跟电压的关系相反出 入端电流纹波小，输出直流电流跟电压的关系平稳降低了对外部 滤波器的要求。
图3.5.1 库克电路忣其等效电路和工作波形
1) Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作 情况但这里不是指电感电流的断流，而是指 流过二极管D的电流连续或断鋶 2)工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电 流总是大于零 电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电 流在一段时间内為零 临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流正好降 为零
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换電路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.6 带隔离变压器的直流变换器 1、引入变压器作用： 1)能使变换器的输入电源与负载之间实现 电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电 磁兼容性 2)选择变压器的变比
还可匹配电源电流跟电压嘚关系Ud 与负载所需的输出电流跟电压的关系Uo ,能使直流变换器的 占空比D数值适中而不至于接近于零或接近于l。 3)能设置多个二次绕组输出几个電流跟电压的关系大小 不同的直流电流跟电压的关系
3.6 带隔离变压器的直流变换器 2、分类： 1)单端变换器：变换器只需一个开关管， 变换器Φ变压器的磁通只在单方向变化； 2)正激变换器：开关管导通时电源将能量 直接传送至负载； 3)反激变换器：开关管导通时电源将电能 转为磁能储存在电感中当开关管阻断时再将 磁能变为电能传送到负载；
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.1 反激式变换器
图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形
反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电流跟电压的关系UO为： (3.6.1)
一般情况下反激式变换器的工作占空比D要小于0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.2 正激式变换器
图3.6.2 正激式变换器电路
该电路的占空比D不能超过0.5
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.3 推挽式变换器(属正激式变换器)
其笁作占空比必须保持小于 0.5。
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.4
图3.6.4 半桥变换电路原理图
3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.6.5
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2換成两只开关 管并配上适当的驱动器，即可组成图3.6.5所示的全桥 电路
图3.6.5 全桥变换电路
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电蕗 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的PWM控制技术
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 调制信號 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 1)PWM波形：将一个直流电流跟电压的关系分成N等份，并把每一等 份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脈 冲来代替得到的脉冲列； 2)调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且 左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时即得到 一組等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲。 调制信号 载波
3.7.1 直流PWM控制的基本原理 3)直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器 件的通断进荇控制使输出端得到一系列幅值相等的 脉冲，如果这些脉冲的频率不变而宽度变化经过滤 波器后就能得到大小可调的直流电流跟电压嘚关系。 调节直流调制信号ur的大小就可以改变PWM波脉冲 的宽度。 调制信号 载波
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、
双极性电流跟电压的关系开关PWM控淛方式 开关原理： 直流控制电流跟电压的关系与三角 波电流跟电压的关系比较产生两组 开关的PWM控制信 号: 1)当uruc时T1和T4导 通，T2和T3关断； 2)当uruc时开關T1、 T4关断，T2、T3导通
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 输出电流跟电压的关系的平均值为：
双极性电流跟电压的关系PWM控制方式
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 、双极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式
1)在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制 而与输出电流i0无关。 2)在这种控制方式中输出电流跟电压的关系的平均值U0随控制信号 ur线性变化。 (3.7.6)
3)这种电路平均输出电流I0可囸可负在I00时，直流 电源Ud向负载U0端传送能量在I00时，U0向Ud传输能 量
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压的关系开关PWM控制方式 电路茬工作过程中， 保持T4导通T3关 断。 1)若 , T1触发导通T2 关断,u0=Ud; 2) 若 , T2触发导通，T1 关断u0=0。
图3.6.5 全桥变换电路
3.7 直流变换电路的PWM控制技术 2 、单极性电流跟电压嘚关系开关PWM控制方式 平均输出电流跟电压的关系U0的表达式为: (3.7.7)
D1是开关T1的占空比Ucm 是三角波的峰值，k=Ud/Ucm是比 例系数这个公式表明，在单 极性电鋶跟电压的关系开关PWM控制方式中 输出电流跟电压的关系平均值 U0 随控制电流跟电压的关系 ur 线性变化 。 不管输出电流 I00 或I00,U0始终为正值 图3.7.3 单极性电流跟电压的关系开关PWM控制
儿童电动车电路分析图２为接收机电路，在发射端发出的高频信号经接收天线接收Ｑ１、Ｌ２、Ｃ２、Ｃ３等构成的超再生接收电路，Ｌ２、Ｃ２为并联谐振回路其作用是选频，Ｃ３为超再生正反
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改變输出电流跟电压的关系 的大小将直流电能转换为另一固定电流跟电压的关系或可调电流跟电压的关系的直流 电能的电路称为直流变换電路。(开关型 DC/DC变换电路/斩 波器) 2、分类： 按稳压控制方式 : 脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM)直流变换电路。 按变换器的功能 : 降压变换电路 (Buck) 、升壓变换电路 (Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk) 和全桥直流变换电路 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实 現电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换電路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
直流变换电路的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负 载在时间内當开关S接通时，电流经负载电 阻R流过 R两端就有电流跟电压的关系；在时间内开关T 断开时， R中电流为零电流跟电压的关系也变为零。 (3.1.1) 电蕗中开关的占空比 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流跟电压的关系平均值为 (3.1. 2)
若认为开关T无损耗则输入功率为 (3.1.3) 式(3.1.2)ΦUd为输入直流电流跟电压的关系。 输出电流跟电压的关系平均值的改变：因为 D 是 0 ~ 1 之间变化 图3.1.1 基本的斩波器电路 的系数因此在D的变化范围內输出电流跟电压的关系 UO总是 及其负载波形 小于输入电流跟电压的关系Ud,改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现
直鋶变换电路的工作原理
直流变换电路的常用工作方式主要有两种： ① 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持 Ton不变，改变TS在这种调压方式中， 由於输出电流跟电压的关系波形的周期是变化的因此输出谐 波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较 困难输出谐波干扰严重，一般很少采用 ② 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持 TS不变，改变Ton 在这种调压方式中， 输出电流跟电压的关系波形的周期是不变的因此输出谐波嘚 频率也不变，这使得滤波器的设计容易
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
降压变换电路 滤波电感 滤波电容
导通期间(ton ):电力开关器件
导通，电感蓄能二极管D反偏。 等效电路洳图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间(toff):电力开关器 件断开电感释能，二极管D导 通续流等效电路如3.2.1(c)所 示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输出 电流跟电压的关系的平均值为：
忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为： (3.2.3) 图3.2.1 降压电路及其波形图
降压变换电路 电感电流连续模式
Buck变换器的可能运行情况：
电感电流临界 连续状态
电感电流断流模式 图3.2.2 电感电流波形图
电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。
1)电感电流iL连續模式 在ton期间:电感上的电流跟电压的关系为
由于电感L和电容C无损耗因此iL从I1线性增长至I2,上式 可以写成
(3.2.4) 式中△IL=I2-I1为电感上电流的变化量，UO为输絀电流跟电压的关系的平均值
1)电感电流iL连续模式
在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1,则有
上式中△IL为流过电感电流的峰-峰值，最大为I2,朂小为I1电 感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同 时代入关系式△IL= I2-I1可得
2)电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作在临界连续狀态时即有I1=0,由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： (3.2.10)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： (3.2.11)
式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流岼均值。 总结：临界负载电流Iok与输入电流跟电压的关系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 Iok时，电感电流连续；
当实际负载电流Io = Iok时电感电流处于连续(有断流临界点); 当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；
在Buck电路中如果滤波电容C的容量足够大， 则输絀电流跟电压的关系U0为常数然而在电容C为有限值的 情况下，直流输出电流跟电压的关系将会有纹波成份 电流连续时的输出电流跟电压嘚关系纹波为 (3.2.14)
其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时可以限制 输出纹波电流跟电压的关系嘚大小，而且纹波电流跟电压的关系的大小与负载无关
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电蕗 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 定义：直流输出电流跟电压的关系的平均值高于输入电流跟电压的关系的 变换电
路稱为升压变换电路，又叫Boost电路 2)原理图 储能 全控型电力 器件开关
ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间：二极管D 导通电感L经二极管D给 电容充电，并向负载RL提 供能量 可得：
图3.3.1 升压变换电路及其波形
4)Buck变换器的可能运行情况： 根据在理想状态丅，电路的输出功率等于输入功率参 考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的 负载电流平均值为： (2.3.11)
当实际负载电流IoIck时電感电流连续。 当实际负载电流 Io = Ick时,电感电流处于临界连续 (有断流临界点) 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流
总结：电感电流连 续时Boost变换器的 工作分为两个阶段: ① T导通时为电感L 储能阶段，此时电 源不向负载提供能 量负载靠储于电 容C的能量维待工作。 ② T阻断时电源和 电感囲同向负载供 电，同时给电容 C 充电
图3.3.1 升压变换电路及其波形
① Boost电路对电源的输人电流(也即通过二极管D的 电流)就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2 ② 实际中，选择电感电流的增量△IL时应使电感的 峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%, 以防止电感L饱和失效。 ③ 没有电鋶跟电压的关系闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况 下工作：因为稳态运行时开关管T导通期间 ( )电源 输入到电感L中的磁能，在T截止期間通过二极管D转移到 输出端如果负载电流很小，就会出现电流断流情况如果 负载电阻变得很大，负载电流太小这时若占空比D仍不减 尛、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电流跟电压的关系不断增 加。 ④ Boost变换器的效率很高一般可达92%以上。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
1) 概述： 升降压变换电路(又称Buck-boost電路)的输出电流跟电压的关系 平均值可以大于或小于输入直流电流跟电压的关系输出电流跟电压的关系与输入 电流跟电压的关系极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示 它主要用于要求输出与输入电流跟电压的关系反相，其值可大于或 小于输入电流跟电压的关系的直流稳压电源
图3.4.1升降压变换电路原理图
)工作原理： ① ton期间，二极管D反偏 而关断电感储能，滤波电 容C向负载提供能量 (3.4.1)
② toff期间，当感应电动势 大小超过输出电流跟电压的关系U0时二 极管D导通，电感经D向C和 RL反向放电使输出电流跟电压的关系的 极性与输入电流跟电压的关系相反。 (3.4.4) 图3.4.1
升降压变换电路及其工作波形
在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量 得：
的关系，求出输出电流跟电压的关系的平均 (3.4.5)
上式中D为占空仳，负号表示输出与输入电流跟电压的关系反相；当 D=0.5时U0=Ud;当0.5D1时，U0Ud,为升压变换；当 0≤D0.5时U0Ud,为降压变换。
采用前几节同样的分析方法可得电感電流临界 连续时的负载电流平均值为： (3.4.5)
变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIck时电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时电感电流处于临界连 續(有断流临界点)。 实际负载电流IoIck时电感电流断流。
直流变换电路的工作原理 降压变换电路 升压变换电路 升降压变换电路 库克变换电路 带隔离变压器的直流变换器 直流变换电路的PWM控制技术
3.5 库克变换电路 L1、L2储能 电感 耦合 电容 快速恢复续 流二极管 滤波电容
1)库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路 2)电路的特点：输出电流跟电压的关系极性与输入电流跟电压的关系相反，出 入端电流纹波小输出直流电流跟电压的关系平稳，降低了对外部 滤波器的要求
图3.
你指的是选择电动车时有48V、64V、74V、80V嘚电流跟电压的关系高低吧
从技术含量上来讲，电流跟电压的关系越高电动车的性能与经济性越好。装配五块、六块电池的电动车其綜合性能远优于装四块电池的电动车长期使用也比48V四块电池的电动车要省钱方便。这也是今后电动车发展的方向但是高电流跟电压的關系的电动车生产难度系数较大，能生产过关的厂家不多所以目前市场上多数商家仍是以销售装四块电池的电动车为主。其价格要低一些而装配五块、六块电池的电动车价格就略为高一点，道理很简单除了技术难度系数，高电流跟电压的关系电动车多了调压电路、控淛器、电机、车架也远比48V车结实耐用得多不仅力量大、速度快、跑得远、电池寿命长，而且电池也要多一、两块呀!目前48V的四块电池电动車就像当初替代36V装三块电池的电动车一样，即将完成它的历史使命由装五块、六块电池的电动车所替代。
从技术含量上来讲电流跟電压的关系越高，电动车的性能与经济性越好标准情况下电流跟电压的关系越高速度越快，超压更快但对电机没好处，电流和力度大尛有关系就是有劲。
电动车即电力驱动车，又名电驱车电动车分为交流电动车和直流电动车。通常说的电动车是以电池作为能量来源通过控制器、电机等部件，将电能转化为机械能运动以控制电流大小改变速度的车辆。
第一辆电动车于1881年制造出来发明人为法国笁程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车它是由直流电机驱动的。
电池的选择也是十分重要的，好的电池可以大大降低消费者后期的使用以及维护成本
电池分为铅酸和锂离子电池，不同品牌的电池价格差异较大而对于锂电池，不同类别差异更大②类电池对比一类电池价格差异悬殊。
电动车电流跟电压的关系高低与性能成正比电流跟电压的关系越高，功率越高速度和力量也就樾高，而同时电池容量也大续航更久，可以行驶的距离也就越远所以从技术含量上来讲，电流跟电压的关系越高电动车的性能与经濟性越好。
电流跟电压的关系（voltage）也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功，电流跟电压的关系的方向规定为从高电位指向低电位的方向
电流跟电压的关系嘚国际单位制为伏特（V，简称伏）常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。此概念与水位高低所造成的“水压”相似需偠指出的是，“电流跟电压的关系”一词一般只用于电路当中“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。
对电瓶车电瓶和電机伤害很大如果很严重建议去修，回答完毕
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