1、第9章 直流變換電路 DC/DC變換分為兩類：直接式直流變換（直流斬波）；間接式直流變換，經(jīng)直-交-直兩個(gè)環(huán)節(jié)。 9.1 基本斬波電路 9.1.1 降壓式直流斬波電路(buck chopper) 主要應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)、蓄電池等反電勢(shì)負(fù)載，也常用于開(kāi)關(guān)電源（輸出端接C濾波）。 通常采用快速全控器件。在IGBT關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管VD為電感電流提供通路，以維持其連續(xù)性。 平波電感L值一般較大，減小電流脈動(dòng)。EM可有可無(wú)。 PWM占空比 =ton/T ，T為PWM開(kāi)關(guān)周期。,1. 電流連續(xù)模式 在ton 期間VT導(dǎo)通，uo=E，io 在電源E作用下指數(shù)上升（在=L/R很大時(shí)，近似直線變化） 。 在 t

2、off期間VT關(guān)斷，VD續(xù)流導(dǎo)通，使uo =0，io指數(shù)下降。 輸出電壓平均值Uo=Eton/T =E。由于1，故Uo E ，降壓斬波。電壓變換比 M=Uo/E= 。 輸入輸出功率平衡：EI1=UoIo（I1為電源電流平均值）。,輸出電流平均值 Io=(Uo-EM)/R , 當(dāng)L極大時(shí)， io 近恒流。,2. 電流斷續(xù)模式： 當(dāng)L較小或占空比很小時(shí)， io可能會(huì)斷續(xù)。 在斷續(xù)期間io=0 ，VT和VD均不導(dǎo)通，uo=EM 。,3. 分段線性分析（自學(xué)） 帶LC濾波的降壓斬波電路 輸出電壓uc在穩(wěn)態(tài)下近似無(wú)任何脈動(dòng)，保持Uc不變。電感電流波形由原來(lái)的指數(shù)規(guī)律上升和下降，變?yōu)橹本€升降。無(wú)論是電流連

3、續(xù)還是斷續(xù)模式，在二極管VD導(dǎo)通續(xù)流期間，作用于電感L兩端的電壓為 Uc，電感電流iL以-Uc/L的負(fù)斜率直線減小。,圖9-4 采用LC濾波的降壓斬波電路,在電流斷續(xù)模式對(duì)應(yīng)的波形中，當(dāng)電感電流下降到零的t2時(shí)刻之后，二極管的端電壓不再是EM而是等于Uc。 正是電感端電壓波形的正負(fù)變化決定了其電流的直線上升和下降。,9.1.2 升壓式斬波電路（boost chopper) 1. 電流連續(xù)模式 電感L一般較大，起著貯能作用；C值很大，使uo近似恒定。 在VT導(dǎo)通期間，VD關(guān)斷，L端電壓uL=E ，存貯能量，i1直線上升，上升率為E/L（ Ldi1/dt=E）。,在VT關(guān)斷時(shí)， i1的減小會(huì)產(chǎn)生較

4、高的自感電勢(shì)，左負(fù)右正，使VD迅速導(dǎo)通，為C充電并為負(fù)載提供電能。由于自感電勢(shì)的作用，uo通常比E高（升壓）。,在VT關(guān)斷期間，L端電壓uL=E-Uo0，故iL下降，負(fù)變化率為(E-Uo)/L 。 求輸出直流電壓及電壓變換比: 利用電感穩(wěn)態(tài)伏-秒平衡原理： Eton + (E-Uo)toff =0 兩邊同除以T得： E +(E-Uo)(1- )=0 Uo=E/(1- ) 電壓變換比: M=Uo/E=1/(1- )1 （升壓式） 功率平衡：EI1=UoIo （I1為電源電流平均值）。 2. 電流斷續(xù)模式 在L較小、開(kāi)關(guān)頻率較低、負(fù)載較輕（R大）或占空比較小，均會(huì)造成電流斷續(xù)。 在斷續(xù)期間 iL=

5、0 ，VT、VD均不導(dǎo)通，VT端電壓uT= E 。,I1,9.3 單端間接式直流變換電路 間接直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直-交-直變換電路。 采用直交直變換結(jié)構(gòu)的原因：輸出端與輸入端需要隔離；需要相互隔離的多路輸出；輸出電壓與輸入電壓的比例遠(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、電容的體積和重量。通常，工作頻率應(yīng)高于20kHz這一人耳的聽(tīng)覺(jué)極限。,圖 9-13 間接式直流變換電路的結(jié)構(gòu),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(guò)的是單方向的直流脈動(dòng)電流，而雙端電路中，變壓

6、器中的電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流。 9.3.1 單端正激式直流變換電路 采用單開(kāi)關(guān)構(gòu)成的單端正激式直流變換器（Single-Ended Forword DC Converter）典型電路。 開(kāi)關(guān)S開(kāi)通后，變壓器原邊繞組兩端的電壓為上正下負(fù)，N2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。VD1和S同時(shí)導(dǎo)通，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)。 S關(guān)斷后，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，濾波器輸入電壓為零，L的電流逐漸下降。可見(jiàn)，副邊繞組相當(dāng)于聯(lián)接了一個(gè)帶LC濾波的降壓式直流斬波電路。,圖 9-15 單端正激電路的理想化波形,S關(guān)斷后，變壓器原邊繞組N1的自感電勢(shì)上負(fù)下正，從而N3繞組的感應(yīng)電勢(shì)上正下負(fù)，使變壓

7、器勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源。此時(shí)N1繞組兩端自感電壓uN1的大小由uN3決定，由于uN3=Ui，所以N1繞組的感應(yīng)電勢(shì)被箝位于 所以開(kāi)關(guān)S兩端承受的電壓為,S關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通的一段時(shí)間內(nèi)，必須設(shè)法使勵(lì)磁電流及磁通降回到零，磁通復(fù)位，否則下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，激磁電流及磁通將在本周期結(jié)束時(shí)的剩余值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開(kāi)關(guān)周期中依次累積起來(lái)，變得越來(lái)越大，從而導(dǎo)致變壓器的鐵芯飽和。,在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，即每周期S開(kāi)通時(shí)電感L的電流不為零，輸出電壓為 電壓變換比： 通常取N3=N1，不超過(guò)0.5，以保證鐵芯能可靠地磁通復(fù)位。,雙管箝位單端正激變換電路，亦稱作混合橋單端正激

8、變換電路（Hybrid-Bridge Single-Ended Forword Converter） 在S1、S2同時(shí)導(dǎo)通期間，二極管D3導(dǎo)通，向負(fù)載傳遞能量；在S1、S2同時(shí)關(guān)斷期間，勵(lì)磁電流經(jīng)D1、D2流回電源，變壓器原邊電壓被箝位于 -Ui，使磁通復(fù)位。占空比不宜超過(guò)0.5。,圖9-17 雙管箝位單端正激變換電路,9.3.2 單端反激式直流變換電路 反激式直流變換器又稱回掃變換器（Flyback Converter） 反激電路的變壓器與正激電路的要求不同，正激電路的變壓器要求勵(lì)磁電感盡可能大以減小勵(lì)磁電流，近似于理想變壓器，而反激電路變壓器的勵(lì)磁電感必須根據(jù)儲(chǔ)能大小的要求而進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)

9、選擇，因此通常被稱為儲(chǔ)能變壓器。 反激式直流變換電路的變壓器副邊N2的同名端極性相反，二極管VD總是在開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通。在S阻斷期間，變壓器的勵(lì)磁電感儲(chǔ)能通過(guò)副邊轉(zhuǎn)移到輸出而得以釋放，毋需專門設(shè)置磁通復(fù)位電路。因此電路比較簡(jiǎn)單。 輸出直流電壓及電壓變換比：（可由法拉第定律推得）,單端反激電路的理想化波形,9.4 雙端間接式直流變換電路 9.4.1 半橋直流變換電路 由兩個(gè)逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成半橋電路。通過(guò)半橋式逆變電路將直流逆變?yōu)榻涣鞣讲?，在高頻變壓器副邊采用快恢復(fù)二極管全波整流成直流。 S1、S2的PWM占空比調(diào)節(jié)范圍：050%。 通過(guò)改變PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓平均值Uo 的大小。 適用于半橋P

10、WM控制的 IC常用SG3524、C3525、TL494等。 定量計(jì)算：（設(shè)L足夠大，電感電流連續(xù)）,電壓變換比： （ =050%）,9.4.2 全橋直流變換電路 由兩個(gè)半橋組成（逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)），互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)的半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通。 將直流電壓逆變成幅值為Ui的交流方波電壓u1，加在變壓器原邊。 在變壓器副邊通過(guò)快恢復(fù)二極管橋式整流將交流變換為直流。 定量分析：（設(shè)電感電流連續(xù)）,電壓變換比：,9.4.3 全橋直流變換電路的移相控制 由兩個(gè)半橋組成，逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)。 同一個(gè)半橋的上下兩橋臂開(kāi)關(guān)不能同時(shí)開(kāi)通，每一個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間，以保證上下兩開(kāi)關(guān)“先斷后通”（采用

11、開(kāi)通延時(shí)控制），這樣一來(lái)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間都略小于T/2 ，而關(guān)斷時(shí)間都略大于T/2。 互為對(duì)角的兩對(duì)開(kāi)關(guān) S1,4和 S2,3 的開(kāi)關(guān)函數(shù)控制波形：S1的波形比S4 超前 角，故S1、S2為超前橋臂（左半橋） S3、S4為滯后橋臂（右半橋）。 角的移相范圍： =01800。,uAB為正負(fù)對(duì)稱的交流方波，其脈寬隨角的增大而減小， =0時(shí)= 180 ， =180時(shí)， = 0 。對(duì)角兩開(kāi)關(guān)S1,4 通時(shí)， uAB=Ui ； S2,3通時(shí)， uAB=-Ui ，上側(cè)或下側(cè)兩開(kāi)關(guān) S1,3或S2,4 同時(shí)通，則uAB=0。 可見(jiàn)其波形通過(guò)移相控制脈寬（PWM）。 變壓器副邊經(jīng)全波整流（快恢復(fù)二極管）得ud 波形，其脈沖幅值： 由于電流iL的連續(xù)性（近恒流），在原邊電壓 uAB=0期間，VD1,2 同時(shí)導(dǎo)通（續(xù)流），由于流過(guò) N2和N3兩副繞組的電流反向，相互抵消磁勢(shì)，故磁勢(shì)自平衡。,在實(shí)際應(yīng)用中，通常在原邊串入一個(gè)小電感Lr，四只IGBT的C-E間存在等效結(jié)電容，與Lr構(gòu)成諧振電路，使4個(gè)開(kāi)關(guān)器件在零電壓條件下開(kāi)通（需要反并聯(lián)的二極管的配合）。這種軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)比其它ZVS、ZCS簡(jiǎn)單得多。這得益于其獨(dú)特的控制方法。 移相式PWM專用IC芯片UC3875，開(kāi)通延時(shí)時(shí)間可靈活設(shè)置。,本 章 要 點(diǎn) 直接式基本斬波電路： 1） buck、boost電