1、第5章 直流-直流變流電路,5.1 基本斬波電路 5.2 復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 本章小結,第5章 直流-直流變流電路引言,直接直流變流電路 也稱斬波電路（DC Chopper） 。 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 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。,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。,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現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。,5.1 基本斬波電路,5.1.1 降壓

2、斬波電路 5.1.2 升壓斬波電路 5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,5.1.1 降壓斬波電路,電路結構,全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關斷電路。,續(xù)流二極管,負載出現(xiàn)的反電動勢,典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。,降壓斬波電路（Buck Chopper),5.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖5-1 降壓斬波電路得原理圖及波形,t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。 t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。 通常串接較大電感L

3、使負載電流連續(xù)且脈動小。,5.1.1 降壓斬波電路,數(shù)量關系,電流連續(xù),負載電壓平均值：,（5-1）,（5-2）,tonV通的時間 toffV斷的時間 a-導通占空比,電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。,負載電流平均值：,5.1.1 降壓斬波電路,根據(jù)對輸出電壓的平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。,此種方式應用最多,第3章3.1節(jié)介紹過：電力電子電路的實質上是分時段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。 分V處于通態(tài)和處于斷態(tài) 初始條件分電

4、流連續(xù)和斷續(xù),5.1.1 降壓斬波電路,同樣可以從能量傳遞關系出發(fā)進行的推導,由于L為無窮大，故負載電流維持為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，負載消耗的能量為,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。,一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。,5.1.1 降壓斬波電路,負載電流斷續(xù)的情況：,I10=0，且t= ton +tx時， i2=0,（5-16）,電流斷續(xù)的條件：,（5-17）,5.1.2 升壓斬波電路,升壓斬波電路（Boost Chopper）,保持輸出電壓,儲存電能,電路結構,1) 升壓斬波電路的基本原理,5.1.2 升壓

5、斬波電路,工作原理,假設L和C值很大。 V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。 V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。,圖5-2 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,5.1.2 升壓斬波電路,數(shù)量關系,設V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為 設V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：,（5-21）,（5-20）,化簡得：,T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。,5.1.2 升壓斬波電路,電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作

6、用 電容C可將輸出電壓保持住,如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 ： 。 （5-24） 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：,(5-25),電源電流的平均值I1為：,(5-26),5.1.2 升壓斬波電路,2) 升壓斬波電路典型應用,一是用于直流電動機傳動 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,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時 c） 電

7、流斷續(xù)時,用于直流電動機傳動 再生制動時把電能回饋給直流電源。 電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。,5.1.2 升壓斬波電路,數(shù)量關系,該式表明，以電動機一側為基準看，可將直流電源電壓看作是被降低到了 。,5.1.2 升壓斬波電路,如圖5-3c，當電樞電流斷續(xù)時：,當t=0時刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20，進而可寫出 i2的表達式。 另外，當t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即,圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形,-電流斷續(xù)的條件,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,升降壓

8、斬波電路 (buck -boost Chopper),電路結構,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a),圖5-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形,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載R供電。 V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,數(shù)量關系,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,（5-39）,V處于通態(tài) uL = E,V處于斷態(tài) uL = - uo,5.1.3升降壓斬波電路和C

9、uk斬波電路,圖5-4b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有：,（5-42）,由上式得：,（5-43）,結論,當0a 1/2時為降壓，當1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。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。,（5-44）,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,2) Cuk斬波電路,V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。 V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 電路相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。,圖5-5 Cuk斬

10、波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,同理：,數(shù)量關系,（5-45）,（5-46）,（5-48）,優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）： 輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進行濾波。,5.2復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,5.2.1 電流可逆斬波電路,復合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成 多相多重斬波電路相同結構的基本斬波電路組合構成,斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。 降壓斬波

11、電路能使電動機工作于第1象限。 升壓斬波電路能使電動機工作于第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。此電路電動機的電樞電流可正可負，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。,電流可逆斬波電路,5.2.1 電流可逆斬波電路,電路結構,a) 電路圖,V1和VD1構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。 V2和VD2構成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。,工作過程（三種工作方式),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。 當一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個

12、斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。 電路響應很快。,圖5-7 電流可逆斬波電路及波形,5.2.2 橋式可逆斬波電路,橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。,圖5-8 橋式可逆斬波電路,使V4保持通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。 使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。,直流V-M調(diào)速和脈寬調(diào)速區(qū)別：,主電路線路簡單，需要的功率元件少； 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機損耗和發(fā)熱都

13、很小； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬； 系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗干擾能力強； 主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率高； 直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。,直流V-M調(diào)速和脈寬調(diào)速區(qū)別：,5.2.3 多相多重斬波電路,基本概念,多相多重斬波電路,在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成,相數(shù),一個控制周期中電源側的電流脈波數(shù),重數(shù),負載電流脈波數(shù),5.2.3 多相多重斬波電路,3相3重降壓斬波電路,電路結構：相當于由3個降壓斬波電路單元并聯(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。

14、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。 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。,圖5-9 3相3重斬波電路及其波形,5.2.3 多相多重斬波電路,當上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相1重斬波電路。 而當電源為3個獨立電源，向一個負載供電時，則為1相3重斬波電路。 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)運行，使得總體的可靠性提高。,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

15、.5 推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流 5.3.7 開關電源,5.3 帶隔離的直流-直流變流電路,變壓器簡化模型 a）原理符號 b）包含勵磁電感和理想變壓器的等效電路,假設變壓器匝比N1：N2：N3，模型假定繞組之間完全耦合并忽略損耗，與理想變壓器并聯(lián)的電感LM稱為勵磁電感。,5.3 帶隔離的直流-直流變流電路,理想變壓器的存在如下關系：,右圖為變壓器磁心的B-H（磁場密度-磁場強度）特性。勵磁電流與變壓器磁心的磁場成比例，如果勵磁電流太大，則磁場增大引起磁心飽和，勵磁電感值變得很小，使變壓器輸出短路。,5.3 帶隔離的直流-直流變流電路,根據(jù)模型電路，一次電壓施加在LM上，其表達式為

16、：,由此可見勵磁電流由施加繞組電壓的積分決定。根據(jù)電感伏秒平衡原理：當變流器工作于穩(wěn)態(tài)時，加在勵磁電感上的電壓的直流分量必須為零。 由于勵磁電流與施加繞組電壓積分成正比，因此要使此電壓直流分量為零。否則，在每個開關周期勵磁電流會凈上升，最后導致非常大的電流和變壓器飽和。,5.3 帶隔離的直流直流變流電路引言,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。 采用這種結構較為復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。 某些應用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于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

17、波電容的體積和重量。,5.3 帶隔離的直流直流變流電路引言,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。,單端電路：在單管變換器中變壓器的磁通只在單方向變化，變壓器中流過的是直流脈動電流。常用于小功率電源變換。,雙端電路：在多管變換器中變壓器的磁通可在正、反兩個方向變化，變壓器中的電流為正負對稱的交流電流。鐵芯的利用率高，常用于大功率領域。,5.3.1 正激電路,開關S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長； S關斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)

18、N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為 。,1）正激電路(Forward)的工作過程,5.3.1 正激電路,2）變壓器的磁心復位,開關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關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關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位。 變壓器的磁心復位時間為,5.3.2 反激電路,1）工作過程：,圖 5-15 反激電路的理想化波形,圖 5-14 反激電路原理圖,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

19、放。,5.3.2 反激電路,2）反激電路的工作模式：,圖 5-15 反激電路的理想化波形,O,圖 5-14 反激電路原理圖,5.3.3 半橋電路,S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài); 當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。 S1或S2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，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。,1）工作過程,圖 5-1

20、6 半橋電路原理圖,5.3.3 半橋電路,2）數(shù)量關系,由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側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。,5.3.4 全橋電路,全橋電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升； S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當4個開關都關斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。S1和S

21、2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。,1）工作過程,5.3.4 全橋電路,如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。,2）數(shù)量關系,濾波電感電流連續(xù)時： (5-55) 輸出電感電流斷續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（5-55）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下：,5.3.5 推挽電路,推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N,1兩端分別形成相位相反的交流電壓。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。 當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。,1）工作過程,5.3.5 推挽電路,2）數(shù)量關系,S1和S2同時導