直流开关电源---CUK变换器

2024年2月7日发(作者：)

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前言

什么是电源？佷难用一句话概括。但是，现代人谁能离得开电源？贪食住行离不开电源，文化娱乐、办工学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通讯、宇宙探索等等，哪一样能少得了电源？只要用电就离不了电源。绝大部分的电是由发电厂生产发送的，称为市电。白炽灯、电炉、交流电动机等只要接通市电就行；计算机、电视机、X光机等虽然也是打开开关就能工作，但是这些机器里面都已经做了电能变换处理，将正弦的交流市电转换成各自需要的直流电、高压电、脉冲电在无法提供市电的岛屿、车船上，可以用蓄电池经过电能变换获得跟市电一样的交流电，让计算机、仪器设备等工作起来；进入太空的的卫星、飞行器，把太阳能收集起来，再经过电能变换获是需要的各种电能来维持长期运行，电能是宝贵的资源，需要珍惜和节约。

近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统和航空航天领域。如今，笨重型、低效的电源装置己经被轻小型，高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现开关管的软开关，为此先后有人提出了谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电流开关PWM变器和零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器等等。本次设计将设计直流开关电源CUK变换器让大家了解它的工作原理及其它性能。

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第一部分 概述

一、开关电源的分类

现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类,前者输出质量较高的直流电,后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可分为四种类型：直流-直流变换器，它是一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；逆变器，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；整流器，是将交流电转换为直流电的电能变换器；交交变频器，是将一频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。这四类变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。单向电能变换器只能将电能从一个方向输入，经变换后从另一个方向输出；双向电能变换器可实现电能的双向流动。

二、直流变换器的分类

直流变换按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为不隔离的直

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流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。

不隔离的直流变换器按所用有源功率器的个数，可分为单管、双管、和四管三类。单管直流变换器有六，即降压式（BUCK）变换器、升降压式（BOOST）变换器、升降压式（BUCK/BOOST）变换器、CUK变换器、ZETA变换器和SEPIC变换器等。在这六种单管变换器中，降压式和升降式变换器是最基础的，另处四种是从中派生的。双管直流变换器有双管串接的升降压式（BUCK/BOOST）变换器。全桥直流变换器（FULL-BRIDGE CONVERTER）是常用的四管直流变换器。

有隔离的直流变换器也可按所用有源功率器件数量来分类。单管的有正激式（FOR-WARD）和反FLYBACK）两种。双管有双管正激（DOUBLE TRANSISTOR FORWARD CONVERTER）、双管反激（DOUBLE TRANSISTOR FLYBACK CONVERTER）、推挽（PUSH-PULL CONVERTER）和半桥（HALF-BRIDGE CONVERTER）等四种。四管直流变换器就是全桥直流变换器（FULL-BRIDGE

CONVERTER）。

有隔离的变换器可以实现输入与输出间电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。

在功率开关管电压和电流定额相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率—小。

没有隔离的变换器和有隔离的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。

按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。具有双向功能的充电器在电源正常时向电池充电，一旦电源中断，它可以将电池电能返回电网，向电网短时间应急供电。直流电动机控制用变换器也是双向的，电动机工作时将电能从电源传递到电动机，制动时将电机电能回馈给电源。

直流变换器也可分为自激式和他控式。借助于变换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的变换器叫做自激式变换器，洛耶尔变换器是一种典型的推挽自激式变换器。他控式直流变换器中的开关器件控制信号由专门的控制电路产生。

按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关和软开关两种，硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗。变换器工作状态一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗越大。同时，开关过程中还会激起电路分布

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电感和寄生电容的震荡，带来附加损耗，因而硬开关直流变换器的开关频率不能太高。

软开关直流变压器的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关，这种开关方式显著地减少了开关损耗和开关过程中引起的震荡，可以大幅度地提高开关频率，为变换器的小型化的模块化创造了条件。功率场效应管是多子器件，有高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容．

它关断时，在外电压作用下其寄生电容充满电，如果在它开通前不将这部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减少以致消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式，绝缘栅双极性晶体管（Insulated gate bipolar transistor,IGBT）是一种复合器件，关断时的电流降为零，则可以显著降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流关断方式。IGBT在零电压条件下关断，同样也能减少关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通并不能减少容性开关损耗。谐振变换器RC、准谐振变换器QRC、多谐振变换器MRC零电压开关PWM变换器、零电流开关变换器、零电压转换ZVT变换器和零电流变换器等均属于软开关直流变换器。电力电子器件和零开关变换器电路拓扑的发展，促使了高频电力电子的诞生。

三、直流开关电源及其应用

直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电源，其输入为直流电，也可以是交流电。直流开关电源部分或全部句哟以下特征：1、电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内变化。2、输入与输出间有好的电气隔离。3、可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。直流开关电源与直流线性电源相比有：1、电力电子器件在开关状态工作，电源内部损耗小，效率高。2、开关频率高，电源体积和重量小。开关电源主要用于向模拟或数字电子设备供电。直流电动机速度或位置控制器实际上也是开关电源，由于电动机有电动和制动两种工作状态，故使用双向变换器，通常称为电动机控制器，很少称为开关电源。通常的直流开关电源不包括直流电动机控制器。

现代家用电子电器（如电视机、录象机、VCD等），个人计算机，测试仪器（如示波器

信号发生器、波形分析仪等）和生物医学仪器都采用开关电源。直流开头电源还在工业装置、大型计算机、通信系统、航空航天和交通运输等各个方面使用。大型计算机、通信系统、航空航天器中的电源是分布式电源系统，包括三个部分：第一部分为发电系统，第二部分是一次电源，第三个部分是二次电源。发电系统是将其他能量转化为电能的设备，

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例如人造卫星和空间站中的硅太阳电池阵，飞机上的由航空发动机传动的无刷发电机，通信电源的50Hz地面电源或柴油发电机等。一次电源用于将变化范围较大的输入电压转变为所需的输出电压，如人造卫星中的蓄电池充电放电器和并联调节器，飞机变速恒频电源中的变换器，通信电源中的开关整流器。二次电源则直接面向用电设备，如电子设备、通信设备中印制板上的模块电源等。分布式电源系统的发电系统、一次电源和部分二次电源为多冗余度电源，电源间互相并联，电源模块内有运行状态监控电路，可准确判断电源故障，并切除故障电源，因而有较高的可靠性。同时，一次电源和输出都并有蓄电池，从而防止发电系统或个别一次电源故障引起的汇流条电压中断，实现了不间断供电。因此，分布式电源系统是高可靠和不间断供电系统，目前只有直流供电系统才能实现完善的不间断供电。

四、对直流开关电源和要求

电源是电子设备正常工作的基础部件，有很高的要求，包括使用要求和电气性能要求。使用要求是：高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格及使用费用和好的电气性能。

平均故障间隔时间MTBF是衡量开关电源和其他设备可靠性的重要标志，某些电源模块的MTBF已大于50万小时。减小损耗、提高效率和改善散热条件，从而减小电源的温度升高，是提高可靠性的基本方法。加强生产过程质量控制，保证好的电气绝缘和机械强度等也十分和重要。

对于中大型开关电源，改善可维修性十分重要。及时诊断故障部位，不用专用工夹具即能排除故障是可维修性好坏的衡量标志。或者说，不需要熟练工人而能在较短时间内排除故障的电源就具有好和可维修性。因此这些开关电源必须有计算机故障检测、保护、诊断和故障记忆与报警电路。可维修性包括现场维修和车间维修两个方面。现场维修要求在电源系统运行情况下快速卸下故障电源模块，更换新模块，并有新模块方便地投入系统运行。车间维修是对故障电源本身的修理。对于小功率电源模块则一般不再修理。

随着芯片集成的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。直接装在印制板上的模块电源，还要求薄型化。对于为电子设备配套的电源，即使它并不在电子设备内部，也要求有小的体积和重量。提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。提高开关频率要求发展高速电力电子器件和高频损耗的磁芯及电容

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器，发展高强度、高绝缘性能和高导热性的绝缘材料，发展新型的零开关损耗电路拓扑和相应的电源结构与工艺方法。

降低开关电源生产成本和使用费是提高市场竞争力的主要条件。

电源的电气性能对于电子设备的工作有重要影响，电子设备的发展对开关电源和电气性能要求也不断提高。开关电源在家用电子电器和个人计算机中的应用，对安全性提出了更高的要求，就防止电源故障危害人身安全

直流开关电源的电气性能包括输入特性、输出特性、附加功能、电磁兼容性和噪声容限。

直流开关电源的输入电源有两种：直流电源和交流电源。交流输入时，交流电压往往要先经整滤波变换成直流电压后，再通过直流变换器转变为所需的直流电压。使用直流电源时，电源电压额定值及其变化范围，输入电流额定值及其变化范围。输入冲击电流，输入电压的突然下降或瞬时断电，输入漏电流等是必须考虑的因素。输入为交流时还必须考虑输入电压相数，电源额定频率用项变动范围，输入电流波形和输入功率因数等要求。

输出参数有额定输出电压、电流，输出电压可变范围，输出电流变化范围和输出电压的纹波。输出电压稳压精度是直流开关电源的重要技术指标，输入电压的变化、负载电流的变化、工作环境温度的变化和工作时间的增长都会使电源输出电压变化。稳压精度包括负载效应（负载调整率）和源效应（电网调整率）。负载将就是指当负载在0~ 100%额定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压整定值的比值。源效应是指当电网电压在规定的范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压整定值的比值。

开关电源还应有输出过压、欠压、过流和过热等保护功能，以免损坏用电设备。在构成电源系统时，开关电源还应有遥控、遥测和遥信功能。

开关电源应有电能转换效率、低的噪音、好的电磁兼容性和绝缘性能等。

直流开关电源的发展

高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关发展方向。高频化是小型化和模块基础化的基础，目前开关频率为娄百KHZ的开关电源已有使用。功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，50W（）的开关电源早已上市，目前已向120（）发展。模块化与小型化分不开，同时模块化可显著提高电源的可行性和使用灵活性，简化生产和使用。模块电源的并联、串联和级联即便于用户使用，便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等等都 要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。

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直流变换器的工作原理，包括BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK（）BOOST变换器、CUK变换器、ZETA变换器和SEPIC变换器等六种不隔离的直流变换器，以及FORWARD变换器、FLYBACK变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器等五种有隔离的直流变换器。这将为后面讨论这些直流变换器的软开关技术打下基础

第二部分CUK变换器

一、主电路拓扑和控制方式

由于BUCK/BOOST变换器的Lf在BUCK/BOOST变换器的这个缺点，美国加州理工学院SLOBODAN CUK教授提出了单管CUK变换器，该变换器在输入端和输出端均有电感，从而显著地减小了输入和输出电流的脉动，其主电路见图一（A）。和BUCK或BOOST相比，CUK电路有两个电感，输入是电感L1和输出电感L2，另外还增加了一个电容C1。它的输出电压Vo极性和输入电压Vin相反，与BUCK/BOOST是相同。另一个与BOOCK/BOOST的相同点是输出电压Vo也可低于、等于或高于输入电压Vin。开关管Q也是采用PWM控制方式。

图一

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图一（续）

CUK变换器也有电流连续和断续两种工作方式。但与前三种变换器不同，这里不是指电感电流的断续，而是指流过二极管的电流连续或断续。在一开关周期中开关管Q的截止时间（1-Dy）TS内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在t=Ts时刚降为零，则为临界连续工作方式。图一（B）和（C）分别给出了电流连续和断续时的主要波形图。图二给出了CUK变换器在不同开关模态时的等效电路。当电感电流连续时，CUK变换器存在两种开关模态，如图二

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（A）和（B）所示；而当电感电流断续时，CUK变换器存在三种开关模态，如图二（A）、（B）和（C）所示。CUK变换器中有两个电感，这两个电感之间可以没有耦合，也可以有耦合，耦合电感可进一步减小电流脉动量。

图二 不同开关模态下的等效电路

图二（续）

二、电流连续时CUK变换器的工作原理和基本关系

1、 工作原理

在分析之前，这里给出了一个假设，电容C1容量很大，变换器在稳态工作时，C1的电压基本保持恒定，为VC1。

（１） 开关模态１［0，Ton］［参考图一（Ａ）］

在t=0时，开关管Q导通，CUK变换器以Q为界分为左右两个回路。左回路中电源电压Vin全部加到电感L1上，电感电流iL1线性增长。右回路电容C1经负载和L2放电。D在VC1作用下反偏截止。L1和L2的电流全部流经Q。

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diL1dtVin （1）

L1diL2dtVC1LVo2 （2）

当t=Ton时，iL1达到最大值IL1max，iL2达到最大值IL2max，在Q导通期间，iL1和iL2的增长量iL1()和iL2()分别为：

VinVin

（3） =iL1()TonDyTsiL2()=LVVL1C12L1OTon=VC1LVO2DyTS

(4)

（２） 开关模态势2［Ton，Ts］［参考一（Ｂ）］

在t=Ton时刻，Ｑ判断，Ｄ续流，形成以Ｄ为边界的左右两个回路。L1和L2的电流全部流经Ｄ。左回路中电源电压Vin和L1串接给C1充电，因C1容量较大，充电时电压VC1增加不多，但电感储能因向C1转移而使iL1下降；右边回路中电感电流iL2在输出电压VO作用下下降。两个电感电流的下降率分别为：

didiL1dtL2VC1L2Vin1

(5)dtVoL

（6）

当t=Ts时，iL1达到最大值IL1max，iL2达到最大值IL2max，在Ｑ导通期间，iL1和iL2的减小量iL1()和iL2()分别为：

iL1()V=C1L2VIN1(TSTinV)=C1LVIN1(1－Dy)Ts （7）

Vo()VO(1)

（8）

iL2()TsTonDyTsLL2在t=Ts时，Q又导通，开始另一个开关周期。

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由此可见，CUK变换器中电源能量经过三次变换才到负载，第一次是Q导通，电感L1储能增长，电能转换为磁储能；第二次是Q截止，L1的磁能转移为C1的电能存储着；第三次是Q导通，C1的电能转移到负载的输出 回路的电感L2和电容Cf。实际上，第一、三两个转换是同时进行的。

2、基本关系

稳态工作时，Q导通期间电感L1和L2的电流的增长量iL1()和iL2()分别等于在Q截止期间的减小量iL1()和iL2()。那么从式（3）、（4）、（7）和（8）可得：

VVVIIoinD1Dy （9）

yC1VinVo （10）

假定变换器的损耗为零，可得：

ioD1Dy （11）

Y

开关管和二极管在截止时所承受的电压为：

VC1VinVo （12）

电感L1和L2平均电流分别为IL1和IL2，那么输入和输出电流为：

IIiL1 （13）

IoIL2 （14）

开关管Q和二极管D在导通期间的平均电流分别为IQ、ID，即

IL2IDIL1IL2IIioI1Do （15）

y将式（12）代入式（4）和（5），并且将（11）和（6）重写于此，则有：

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diL1dtVLin1 （16）

diL2dtVLVLin2

（17）

diL1dto （18）

1

diL2dtVo

（19）

L2

从式（16）-----（19）可以看出，CUK变换器中两电感电流增长率和下降率仅与Vin、Vo和自身电感大小有关。电感确定后，两电流增长增率只由Vin大小决定，下降率只与Vo有关。若L1=L2，则Q导通时，

diL1diL2dtdt电感电流的变化率相同。

VLin1；D导通时，diL1diL2dtdtVLo，即两1三、电流断续时CUK变换器的工作原理和基本关系

若减小负载电流Io，相应地Ii也减小，因为不计损耗时VoIoVinIi。Io小到一定值时，iL1的最小值IL1min=0，但因IL2min0，故二极管电流的最小值

IDmin0，变换器仍处于电流连续工作方式。在进一步减小Io时，iL1波形出现负值，如图一（C）所示。若iL1的负值的最大值IL1min的绝对值正好和iL2的最小值IL2min相等，则在t=Ts时，iD正好为零，此即为CUK变换器的电流临界连续工作方式。iL1波形有负值表示L1中电流反向流动国，这是由C1储能导致的。

若进一步减小负载电流Io，则CUK变换器进入电流断续工作状态。从iD波形可见，在t=Tdin~Ts期间，iD=0,TonToffTs在这段时间内，iL1保持不变，大小为同样,IL1min

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iL2也保持不变，大小为IL2min，但IL1min为负，IL2min为正，且IL1min=IL2min，故IL1min+IL2min=0。此时形成一个环流在Vin、L1、C1、L2和Cf与负载间流动，由于diL1=diL2=0，电感电流没有变化，也没有感应电动势。 +，故VC1VinVodtdt由电感L1上平均电压为零的原理，可以得到电流断续时输出电压Vo和输入电压Vin间关系为：

VVVDTLLin1C1ys1inDTs (20)

式中，VC1Vin+Vo，DTs为二极管续流时间，DTT(1Dy)。于是有：

soffVVoinDyD (21)

为了得到电流关系，先假定电感L1的电流有正负变化，即在Q导通时i1L和iL2的瞬时值为：

iVint(t)IL1min

（22）

L1L1

Vint(t)iL2IL2min

（23）

L2

因IL1min=IL1min=IL2min，故上式可写成：

Vint(t)iL1IL1min

（24）

L1

Vint(t)iL2IL2min

（25）

L2

Q导通期间电流i1L和iL2增加量i1L和iL2为：

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iL1VinDyTs

（26）

L1

ViniL2DyTs

（27）

L2

故i1L和iL2的平均值IL1和IL2分别为：

IL1IL21(D)ILmin （28）

2iL1Dy1(D)ILmin

（29）

2iL2Dy

设变换器损耗为零，VinIi=VoIo，将此式与式（21）、（28）和（29）联解，得到IL1min的表达式：

IL1minV2LLfin12DDy(sDL)LD12y

（30）

由此可见，若DyDLL120，则IL1min=0，电流断续工作时回路中没有环流，若0,L1中电流有负值的假定相符，则回路中有和iL2同向D，即，与IL0（）LD12yL1min的环流，而在DyDLL0时，回路中环流方向与i121L的正方向相同。利用式（21）和（30）可求得电流断续工作时，Vo与Vin、Dy及ILmin间的关系。

四、两电感有耦合的CUK变换器

如果电感L1和L2绕在同一铁芯上，则两个电感互相耦合，除自感之外还有互感M，通常用耦合系数kMLL1来表示耦合程度。

2设变换器在电流连续状态下工作，不计损耗，则在Q导通期间有下式：

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ViniLDT1yL1sMiDTyL2s （32）

VC1V0L2在Q截止期间有：

iDTyL1sMiDTyL2s

VVinL1C1L1yi(1D)TL1yMsi(1D)TL2ys

（33）

sVoL2i(1D)TMsi(1D)TL2y （34）

式中iL1和iL2是电感L1和L2中电流在Q导通或关断期间的变化量。

又有VC1＝Vin－Vo，将此式代入式（32），再与式（31）联解，得到：

iL1LMiML21L2

（35）

将上式代入式（31），消去iL2，得，

VinLe1iDTyL1s＝Le12iDTyL1s

（36）

式中Le1L1又有kr1k1kr，rLL12

ML，若krM2L21，则Le1，即可使iL10，使输入电流Ii的纹波显著减小。若将式（35）代入式（34）消去iL1，得到：

VoLe2i(1D)TL2ys－Le2i(1D)TL2y

（37）

s1k式中Le2＝L2

k1r而

2kMM，若1，则Le2，即可使iL20，使电感L2的电流纹波显著减小。rL1L115

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总的来讲，耦合电感可以进一步减小输入电流和输出电感电流的脉动。

结论

本设计力图按照直流开关电源软开关技术的发展过程来论述各类软开关技术的基本思路、概念和工作原理，使大家能从中得到一些有益的思路，并且举一反三，从而进一步丰富和发展直关电源软开关技术。特别是在高新技 术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境 方面都具有重要的意义。开关电源还应用在有输出过压、欠电压、过流和过热等保护功能，以免损坏用电设备。在构成电源系统时，开关电源还应有遥控、遥测和遥信功能。以及开关电

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源应有高的电能转换效率、低的噪音、好的电磁兼容性和绝缘性能等

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致谢

通过本次课程设计，使我对直流开关电源技术有了更进一步的了解。同时也使我深刻体会到自己在这方面知识的匮乏。因此，在刚开始做设计时，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。

很感谢电气工程系电力电子教研室各位老师的耐心辅导和同学们的帮助。特别是王巍老师的帮助最大，忠心的感谢您！

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参考文献 ：

1．张燕宾著，《SPWM变频调速应用技术》 机械工业出版社

2．朱震莲编，《现代交流调速系统》 西北工大出版社

3．吴铁坚译， 《现代交流调速 》 水利电力出版社

4．著 朱仁初译，《电力电子学与交流传动 》 西安交大出版社5、电力电子技术 邵丙衡 铁道出版社 第一版

6、半导体变流技术 黄 俊 机械工业出版社 第四版

7、现代电力电子技术 张 立 科学出版社 第一版

8、电力电子技术 周明宝 机械工业出版社 第一版

9、电力电子技术习题集 叶 斌 铁道出版社 第一版

10、现代电力电子技术原理与应用 张一工 科学出版社 第一版

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