第3章DCDC變換電路

1、 變壓器隔離的直流變壓器隔離的直流/ /直流變換器直流變換器復合斬波電路復合斬波電路基本的直流斬波電路基本的直流斬波電路直流直流PWMPWM控制技術(shù)基礎控制技術(shù)基礎第第3 3章章 DC/DCDC/DC變換電路變換電路 引言引言l直流斬波電路（直流斬波電路（DC chopperDC chopper）: :將直流電變將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電。l電路種類：電路種類： 基本斬波電路基本斬波電路-降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，庫克斬波電路斬波電路，庫克斬波電路 復合斬波電路復合斬波電路不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路

2、組合不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合 多相多重斬波電路多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合 變壓器隔離變壓器隔離DC/DCDC/DC變換電路變換電路單端正激單端正激/ /反激變換器反激變換器l 理解理解PWMPWM技術(shù)技術(shù)基本思想基本思想l 掌握基本掌握基本DC/DCDC/DC變換電路（降壓，升壓，變換電路（降壓，升壓，升降壓，庫克變換電路）的升降壓，庫克變換電路）的電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)/ /原原理理/ /主要數(shù)量關(guān)系主要數(shù)量關(guān)系l 了解復合斬波電路及變壓器隔離變換電路了解復合斬波電路及變壓器隔離變換電路的的工作原理和特點工作原理和特點3.13.1直流直流PWMPWM控制技術(shù)基

3、礎控制技術(shù)基礎3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWM概念概念 定義上述電路中占空比定義上述電路中占空比D為為 offononsontttTtD輸出電壓的平均值為輸出電壓的平均值為 ddTSondSODUUTtdtUTUS01 通過改變占空比通過改變占空比D D的大小，就可以改變輸出電壓平均值大小。的大小，就可以改變輸出電壓平均值大小。(1)(1)脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)(PWM)：維持維持TS不變，改變不變，改變ton。 輸出電壓波形周期不變，僅改變脈沖寬度。輸出電壓波形周期不變，僅改變脈沖寬度。(2)(2)脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)：維持維持t

4、on不變，改變不變，改變TS。 改變改變T TS S就改變了輸出電壓周期或頻率。就改變了輸出電壓周期或頻率。(3)(3)混合脈沖寬度調(diào)制：混合脈沖寬度調(diào)制：同時改變同時改變ton、TS。 PWMPWM的基本理論的基本理論沖量指窄脈沖的面積沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同3.1.2 PWM技術(shù)基礎技術(shù)基礎 1面積等效原理面積等效原理PWM應用的理論基礎應用的理論基礎 圖3-2 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖圖3-3 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形沖量相同的各種窄脈沖的響應波形RL 根據(jù)面積等效原理，將平均值為根據(jù)面積等效原理，將平均值為u up p的一

5、系列幅值相等而寬的一系列幅值相等而寬度不相等的度不相等的脈沖加到包含慣性環(huán)節(jié)負載上，將與施加幅值加到包含慣性環(huán)節(jié)負載上，將與施加幅值為為u up p的的恒定直流電壓所得結(jié)果基本相同，這樣一來就，這樣一來就可用一列脈沖波形代替直流波形。3.1.2 PWM技術(shù)基礎技術(shù)基礎 2直流直流PWM波形的生成方法波形的生成方法 計算法計算法調(diào)制法調(diào)制法3.23.2基本的直流斬波電路基本的直流斬波電路 3.2.1 降壓斬波電路（Buck Chopper）l 定義：降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓。 l 典型用途：主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等（這兩種都含反電動勢）。

6、l 電路結(jié)構(gòu)： l 工作原理 t=0時刻驅(qū)動時刻驅(qū)動T導通導通，電源，電源Ud向負載供電，負載電壓向負載供電，負載電壓uo= Ud -uL，負載電流，負載電流io按指數(shù)曲按指數(shù)曲線上升。線上升。 t=DTs時控制時控制T關(guān)斷關(guān)斷，二極管，二極管VD續(xù)流，負載電壓續(xù)流，負載電壓uo近似為零近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降負載電流呈指數(shù)曲線下降 通常串接較大電感通常串接較大電感L使負載電使負載電流連續(xù)且脈動小。流連續(xù)且脈動小。 圖3-5降壓斬波電路及其波形圖l 基本的數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù)時電流連續(xù)時l負載電壓的平均值為負載電壓的平均值為 ddSonTttdSToSoDUUTtdtdtUTdttuTU

7、SononS01)(100式中，式中，ton為為V處于通態(tài)的時間，處于通態(tài)的時間，toff為為V處于斷態(tài)的時處于斷態(tài)的時間，間，Ts為開關(guān)周期，為開關(guān)周期， D為導通占空比為導通占空比(或?qū)ū然驅(qū)ū?。 3.2.1 降壓斬波電路（Buck Chopper）3.2.2升壓變換電路 Boost電路 l 定義：升壓變換電路輸出電壓的平均值高于輸入直流電壓。 典型用途：一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三是用于其他交直流電源中。 儲存電能儲存電能保持輸出電壓保持輸出電壓l 電路結(jié)構(gòu)： 3.2.2升壓變換電路 Boost電路

8、 l 工作原理 假設假設L和和C值很大。值很大。 T處于處于斷態(tài)斷態(tài)時，電源時，電源Ud和電感和電感L同時向電容同時向電容C充充電，并向負載提供能量。電，并向負載提供能量。 T處于處于通態(tài)通態(tài)時，電源時，電源Ud向電感向電感L充電，電流恒定充電，電流恒定IL，電容，電容C向負載向負載R供電，供電，輸出電壓輸出電壓Uo恒定。恒定。3.2.2升壓變換電路 Boost電路 l 基本的數(shù)量關(guān)系 當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期期T中電感中電感L積蓄的能量與釋放的積蓄的能量與釋放的能量相等，即能量相等，即 DUUtttUddoffoffono1DUUtttUddoffoffono1

9、將升壓比的倒數(shù)記作將升壓比的倒數(shù)記作，即，即 ，則，則 和導通占空比和導通占空比D有如下關(guān)系有如下關(guān)系 Ttoff1D輸出電壓高于電源電壓的兩個關(guān)鍵原因：一是L 儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C 可將輸出電壓保持住。 3.2.2升壓變換電路 Boost電路 3.2.2升壓變換電路 Boost電路 直流電動機回饋能量的升壓斬波電路直流電動機回饋能量的升壓斬波電路典型應用典型應用 以用于直流電動機傳動為例 在直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。3.2.3 升降壓變換電路 Buck-boost電路 l 定義：輸出電壓平均值可以大于或小于輸入

10、直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反。l 電路結(jié)構(gòu)： l 工作原理 假設假設L和和C值很大。值很大。 T導通導通時，電源時，電源Ud經(jīng)經(jīng)T向向L供電使其供電使其貯能，此時電流為貯能，此時電流為il，同時，同時C維持輸出電維持輸出電壓恒定并向負載壓恒定并向負載R供電。供電。 T關(guān)斷關(guān)斷時，時，L的能量向負載釋放，電的能量向負載釋放，電流為流為i2，負載電壓極性為上負下正，與，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。性斬波電路。升壓斬波升壓斬波T開通開通降壓斬波降壓斬波T關(guān)斷關(guān)斷l(xiāng) 基本的數(shù)量關(guān)系 3.2.3 升降壓變換電路 Buc

11、k-boost電路 穩(wěn)態(tài)時，一個周期穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感內(nèi)電感L兩兩端電壓端電壓uL對時間的積分為零，即對時間的積分為零，即 TLtu00d當當V處于通態(tài)期間，處于通態(tài)期間，uL=Ud；而當而當V處于斷態(tài)期間，處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：。于是： 升降壓斬波電路及其波形圖升降壓斬波電路及其波形圖a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 doUDDU13.2.4 庫克變換電路 l 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)： l 特點：特點：輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸入輸出電流紋波小。L1,L2：儲能電感；：儲能電感；C2：濾波電容：濾波電容C1：傳遞能量的耦合電容：傳遞能量的耦合電容l 工作原理

12、工作原理3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 T導通時導通時，UdL1T回路和回路和RL2C1T回路分別流過電流?；芈贩謩e流過電流。T關(guān)斷時關(guān)斷時，UdL1C1D回路和回路和RL2D回路分別流過電流。輸出回路分別流過電流。輸出電壓的極性與電源電壓電壓的極性與電源電壓極性相反極性相反。 l 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 C的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，即的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，即 3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 TCti00ddoIDDI1doUDDU1Cuk斬波電路特點：輸出電壓極性與輸入電壓相反；輸入輸出電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器

13、的要求。3.33.3復合斬波電路復合斬波電路 概念概念 復合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 可逆斬波電路 橋式可逆斬波電路 多相多重斬波電路：相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 多重多相斬波電路 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。3.3.1 3.3.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 l 電路特點電路特點3.3.1 3.3.1 電流可逆

14、斬波電路電流可逆斬波電路 T1和和D2構(gòu)成降壓斬波電路，構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于電動機為電動運行，工作于第第1象限。象限。 T2和和D1構(gòu)成升壓斬波電路，構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工電動機作再生制動運行，工作于第作于第2象限。象限。 必須防止必須防止T1和和T2同時同時導通而導致電源短路。導通而導致電源短路。l 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)a) 電流可逆斬波電路及其波形圖電流可逆斬波電路及其波形圖l 工作過程工作過程 兩種工作情況：只作降壓斬波器運兩種工作情況：只作降壓斬波器運行和只作升壓斬波器運行。行和只作升壓斬波器運行。 第第3種工作方式：種工作方式：一個周期內(nèi)一個周期

15、內(nèi)交替交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。在第電路工作。在第3種工作方式下，種工作方式下，當一種斬波電路電流斷續(xù)而為零當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，讓時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。樞回路總有電流流過。 一個周期內(nèi)，電流不斷，響應很快。一個周期內(nèi)，電流不斷，響應很快。 3.3.1 3.3.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 2 2橋式可逆斬波器電路橋式可逆斬波器電路 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向?qū)蓚€電流可逆斬波電路組合起來，分別向電

16、動機提供正向和反向電壓，使電動機可以電動機提供正向和反向電壓，使電動機可以4象限象限運行。運行。2 2橋式可逆斬波器電路橋式可逆斬波器電路 工作過程工作過程 T2導通時，導通時，T3、D3和和T4、D4等效為又一組電流可逆斬波電等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供路，向電動機提供負電壓負電壓，可，可使電動機工作于使電動機工作于第第3、4象限象限。T4導通時，等效為電流可逆導通時，等效為電流可逆斬波電路，提供斬波電路，提供正電壓正電壓，可使，可使電動機工作于電動機工作于第第1、2象限象限。3.3.2 3.3.2 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 多相多重斬波電路：多相多重斬波電路：在電源和

17、負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的在電源和負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的?；緮夭娐范鴺?gòu)成的。 相數(shù)相數(shù):一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。 重數(shù)重數(shù)：負載電流脈波數(shù)。：負載電流脈波數(shù)。 電路及波形分析電路及波形分析 相當于由相當于由3個降壓斬波電路單元個降壓斬波電路單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。 總輸出電流為總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出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電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的均值的3倍，脈動頻率也為倍，脈動頻率也為3倍。倍。 總輸出電流總輸出電流最大脈動率最大脈動率（電流脈動（電流脈動幅值與電流

18、平均值之比）與相數(shù)的平方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。很小，所需平波電抗器總重量大為減輕。3.3.2 3.3.2 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 負載電壓負載電壓uo的直流平均值的直流平均值 SDUUUUU32103210iiii如果如果I1、I2、I3為為i1、i2、i3在一個周期中的電流平均值，在一個周期中的電流平均值，Io為負載為負載電流電流io的平均值，那么的平均值，那么I1、I2、I3應該相等，且應該相等，且Io=3I1= 3I2= 3I3。輸出電壓輸出電壓uo的直流平均值的

19、直流平均值 Uo=U1= U2= U3=DUS 輸出電流輸出電流Io為為 321333IIIIol 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 33/44小結(jié)：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)運行，使得總體的可靠性提高。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，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。 3.3.2 3.3.2 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 3.4 3.4 變壓器隔離的直流變壓器隔離的直流直流變換器直流變換器 為了實現(xiàn)輸入和輸出之間的

20、電隔離，在基本為了實現(xiàn)輸入和輸出之間的電隔離，在基本DC/DC變換電路中加入變壓器變換電路中加入變壓器間接直流變流電路：分為間接直流變流電路：分為單端單端和和雙端雙端電路兩大類電路兩大類 單端電路單端電路中，變壓器中流過的是中，變壓器中流過的是直流直流脈動電流，脈動電流，例如例如正激正激電路和電路和反激反激電路。電路。 雙端電路雙端電路中，變壓器中的電流為正負對稱的中，變壓器中的電流為正負對稱的交流交流電流，例如半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。電流，例如半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 3.4 3.4 變壓器隔離的直流變壓器隔離的直流直流變換器直流變換器 3.4.1 3.4.1 正激變換器

21、正激變換器 如果將變壓器插入在如果將變壓器插入在P-P位置，即得正激變換器主電路。位置，即得正激變換器主電路。 降壓電路原理圖降壓電路原理圖 正激電路原理圖正激電路原理圖 能量消耗法磁場復位方案能量消耗法磁場復位方案 開關(guān)管導通時，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負開關(guān)管導通時，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載側(cè)。開關(guān)管截止時變壓器原邊電流經(jīng)載側(cè)。開關(guān)管截止時變壓器原邊電流經(jīng)D3、DW續(xù)流，磁場能續(xù)流，磁場能量主要消耗在穩(wěn)壓管量主要消耗在穩(wěn)壓管DW上。開關(guān)管承受的最高電壓為上。開關(guān)管承受的最高電壓為VSVDW，VDW為穩(wěn)壓管為穩(wěn)壓管DW的穩(wěn)壓值。的穩(wěn)壓值。 SVNNV1223.4.1 3.4.1 正激變換器正

22、激變換器 能量轉(zhuǎn)移法磁場復位方案能量轉(zhuǎn)移法磁場復位方案 開關(guān)管導通時，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載側(cè)。開關(guān)管開關(guān)管導通時，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載側(cè)。開關(guān)管截止時，由于電感電流不能突變，線圈截止時，由于電感電流不能突變，線圈N1會產(chǎn)生會產(chǎn)生上負下正上負下正的感的感應電勢應電勢e1。同時線圈。同時線圈N3也會產(chǎn)生感應電勢，當也會產(chǎn)生感應電勢，當e3= VS時，時，D3導通。磁場儲能轉(zhuǎn)移到電源導通。磁場儲能轉(zhuǎn)移到電源VS中，此時開關(guān)管上承受中，此時開關(guān)管上承受的最高電壓為：的最高電壓為： 1133eNNe SSSVNNNVNNV)(313313.4.1 3.4.1 正激變換器正激變換器 3.4.1

23、 3.4.1 正激變換器小結(jié)正激變換器小結(jié) 變壓器變壓器工作原理：工作原理：正激變換器中的變壓器起變壓隔離作用，T導通時和原副邊繞組向負載傳遞能量。設計正激變換電路設計正激變換電路時時變壓器要考慮變壓器要考慮的問題：的問題：由于對變壓器的激勵是單向脈沖，變壓器的利用率低，且容易飽和，所以正激變換器變壓器體積也較大；變壓器繞組還有電感特點，磁通需要復位，否則開關(guān)器件上將承受繞組上感應的高壓及很高的dU/dt,所以正激變壓器要有磁復位繞組，將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊?.4.2 3.4.2 反激變換器反激變換器 反激變換器電路原理圖反激變換器電路原理圖 升降壓電路原理圖升降壓電路原理圖 用變壓器替代升降壓用變壓器替代升降壓變換器中的儲能電感變換器中的儲能電感可得反激變換器?？傻梅醇ぷ儞Q器。 變壓器作用：變壓器作用：輸入輸出電隔離。輸入輸出電隔離。替代升降壓變換器中的儲能電感。替代升降壓變換器中的儲能電感。 3.4.2 3.4.2 反激變換器反激變換器 反激變換器電路原理