1、內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動化系電力電子技術(shù)Power Electronic Technology 5.1 根本斬波電路 5.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路 5.3 帶隔離的直流直流變流電路 第5章 直流直流變流電路直流變換問題的提出直流調(diào)速：需要可變的直流電壓直流供電電壓一定，而負(fù)載需要不同電壓直流升壓：太陽能電池輸出電壓較低，需要變換到較高電壓再變換為直流引言第5章 直流直流變流電路引言直流-直流變流電路DC/DC Converter包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 直接直流變流電路 也稱斬波電路DC Chopper。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為

2、直流-直流變換器DC/DC Converter 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。 6種根本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。 5.1.1 降壓斬波電路圖5-1 降壓斬波電路的原理圖降壓斬波電路Buck Chopper 電路分析 使用一個全控型器件V，圖中為IGBT。 設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道。 主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直

3、流電動機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。3.1.1 降壓斬波電路2) 工作原理t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接較大電感L。圖5-1 降壓斬波電路的原理圖及波形a電路圖 b電流連續(xù)時的波形 c電流斷續(xù)時的波形5.1.1 降壓斬波電路 負(fù)載電壓的平均值為 負(fù)載電流平均值為 式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?電流斷續(xù)

4、時，負(fù)載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 (5-1)(5-2)電流連續(xù)時根本的數(shù)量關(guān)系5.1.1 降壓斬波電路斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation PWM ：T不變，改變ton。 頻率調(diào)制：ton不變，改變T。 混合型：ton和T都可調(diào)，改變占空比此種方式應(yīng)用最多電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時段線性電路?；凇胺侄尉€性的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)5.1.1 降壓斬波電路對降壓斬波電路進(jìn)行解析 基于分時段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。

5、 電流連續(xù)時得出式中， ， ， ， ，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。 把式5-9和式5-10用泰勒級數(shù)近似，可得 平波電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)3.1.1 降壓斬波電路同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo) 由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為 在整個周期T中，負(fù)載消耗的能量為一周期中，忽略損耗，那么電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。假設(shè)電源電流平均值為I1，那么有 其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得 即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。(5-1

6、4)(5-15)5.1.1 降壓斬波電路電流斷續(xù)時有I10=0，且t=ton+tx時，i2=0，可以得出 電流斷續(xù)時，tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路,也稱之為boost變換器。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和a的關(guān)系：因此，上式可表示為 3) 數(shù)量關(guān)系5.1.2 升壓斬波電路5.1.2 升壓斬波電路電壓升高的原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，那么由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即 ： 。 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。輸出電流的平均值Io為：電源電流的平均值Io為：5.1.2 升壓斬波電路例5-3 在圖5

7、-2a所示的升壓斬波電路中，E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40s，ton=25s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。輸出電流平均值為：解：輸出電壓平均值為： 升壓斬波電路一是用于直流電動機(jī)傳動二是用作單相功率因數(shù)校正PFC電路三是用于其他交直流電源中4)升壓斬波電路典型應(yīng)用5.1.3升降壓斬波電路(buck -boost Chopper) 5.1 根本斬波電路1) 電路結(jié)構(gòu)圖5-4 升降壓斬波電路V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下

8、正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。2) 工作原理5.1.3 升降壓斬波電路設(shè)L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uo根本為恒值。otb)oti1i2tontoffILILa)圖5-4 升降壓斬波電路及其波形a電路圖 b波形 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即所以輸出電壓為：V處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uo3.1.3 升降壓斬波電路3) 數(shù)量關(guān)系由電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：由上式得： 結(jié)論當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電

9、路。也有稱之為buck-boost 變換器。其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。3.1.3 升降壓斬波電路5.1.3.2 Cuk斬波電路圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路a 電路圖 b 等效電路 Cuk斬波電路 工作原理 V導(dǎo)通時，EL1V回路和RL2CV回路分別流過電流。 V關(guān)斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。 V處于通態(tài)的時間ton，那么電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間toff，那么電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：3) 數(shù)量關(guān)系5.1.3.2 Cuk

10、斬波電路 由L1和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系 (5-48)與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路Sepic斬波電路 工作原理 V導(dǎo)通時，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。 V關(guān)斷時，EL1C1VD負(fù)載回路及L2VD負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時也向C1充電C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移。 輸入輸出關(guān)系 圖5-6 a)Sepic斬波電路 (5-49)5.1.4 Sepic斬波

11、電路和Zeta斬波電路Zeta斬波電路 工作原理 V導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。 V關(guān)斷時，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。 輸入輸出關(guān)系為 兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負(fù)載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。 圖5-6 b Zeta斬波電路 (5-50)5.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路 5.2.1 電流可逆斬波電路 5.2.2 橋式可逆斬波電路 5.2.3 多相多重斬波電路5.2 復(fù)合斬波電路和多相多

12、重斬波電路電流可逆斬波電路 橋式可逆斬波電路多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)的根本斬波電路組合構(gòu)成 斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，常要使電動機(jī)既可電動運(yùn)行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。5.2.1 電流可逆斬波電路5.2.1 電流可逆斬波電路a)圖5-7 電流可逆斬波電路及其波形a 電路圖 b 波形 電路結(jié)構(gòu) V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動機(jī)

13、為電動運(yùn)行，工作于第1象限。 V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路。工作過程 兩種工作情況：只作降壓斬波器運(yùn)行和只作升壓斬波器運(yùn)行。 第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。 第3種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)電樞回路總有電流流過。 一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。 5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機(jī)提供正向和反向電壓，使電動機(jī)可以4象限運(yùn)行。 工作過程 V4導(dǎo)通時，等效為

14、圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機(jī)工作于第1、2象限。 V2導(dǎo)通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動機(jī)工作于第3、4象限。圖5-8 橋式可逆斬波電路 5.2.3 多相多重斬波電路根本概念多相多重斬波電路在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的根本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重數(shù)負(fù)載電流脈波數(shù)5.2.3 多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)圖5-9 多相多重斬波電路及其波形a電路圖 b波形 3相3重降壓斬波電路 電路及波形分析 相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并

15、聯(lián)而成。 總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。 總輸出電流最大脈動率電流脈動幅值與電流平均值之比與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，所需平波電抗器總重量大為減輕。5.2.3 多相多重斬波電路 當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個獨(dú)立負(fù)載時，那么為3相1重斬波電路，當(dāng)電源為3個獨(dú)立電源，向一個負(fù)載供電時，那么為1相3重斬波電路。 電源電流的諧波分量比單個斬波電路時顯著減小。多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，萬一某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運(yùn)行，使得總體的可靠性提高。直流斬波電路小結(jié)直流傳

16、動是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而開關(guān)電源那么是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域，前者的應(yīng)用在逐漸萎縮，而后者的應(yīng)用是電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。5.3 帶隔離的直流直流變流電路 5.3.1 正激電路 5.3.2 反激電路 5.3.3 半橋電路 5.3.4 全橋電路 5.3.5 推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流 5.3.7 開關(guān)電源5.3 帶隔離的直流直流變流電路引言圖 5-10 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直交直電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。 某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的

17、比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾 波電容的體積和重量。間接直流變流電路分為單端(Single End)和雙端(Double End)電路兩大類，在單端電路中，變壓器中流過的是直流脈動電流，而雙端電路中，變壓器中的電流為正負(fù)對稱的交流電流，正激電路和反激電路屬于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 如果將變壓器插入在P-P位置，即得正激變換器主電路。 降壓變換電路正激變換器問題:電源與負(fù)載不隔離5.3.1 正激電路1 正激電路單端正激變換器的提出5.3.1 正激電路SuSiLiSOttttUiOOO圖 5-11 正激電路的原理圖圖 5-1

18、2 正激電路的理想化波形正激電路(Forward) 工作過程 開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長。 S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為 。5.3.1 正激電路BRBSBHO圖 5-13 磁心復(fù)位過程變壓器的磁心復(fù)位 開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。 必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 變壓器

19、的磁心復(fù)位所需的時間為輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的極限情況下 (5-51)(5-52)5.3.2 反激電路單端反激變換器拓?fù)渫蒲?從BUCK-BOOST到Flyback變換器BUCK-BOOST變換器電感用兩個并聯(lián)線圈代替改進(jìn)？反激變換器電路原理圖5.3.2 反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 5-14 反激電路原理圖圖 5-15 反激電路的理想化波形反激電路 工作過程 S開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加。 S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放，電壓為 S開通

20、前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零，那么稱工作于電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于5-53的計算值，在負(fù)載為零的極限情況下， ， 所以應(yīng)該防止負(fù)載開路狀態(tài)。工作模式 當(dāng)S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到零，那么稱工作于電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關(guān)系為5-535.3.3 半橋電路圖 5-16 半橋電路原理圖圖 5-17 半橋電路的理想化波形半橋電路 工作過程 S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組

21、N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。 S1或S2導(dǎo)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。 5.3.3 半橋電路 由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。輸出電壓 濾波電感L的電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式5-54的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下(5-54)5.3.4 全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2Uii

22、LiLOOOOOOOO圖 5-18 全橋電路原理圖 圖 5-19 全橋電路的理想化波形全橋電路 工作過程 全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 當(dāng)S2與S3開通后，VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。5.3.4 全橋電路 如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，那么交流電壓uT中將含有直

23、流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意防止電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。 為防止同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過50%，還應(yīng)留有裕量。 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式5-55的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 (5-55)輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時 5.3.5 推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 5-20 推挽電路原理圖圖 5-21 推挽電路的理想化波形推挽電路 工作過程 推挽電路中兩個

24、開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓。 S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。 當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。 5.3.5 推挽電路 如果S1和S2同時導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)防止兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)各自的占空比不能超過50%，還要留有死區(qū)。 輸出電壓 當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式5-56的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 (5-5

25、6)電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁