第三章 直流直流變流電路

1、第第3 3章章 直流直流變流電路直流直流變流電路 3.1 基本斬波電路基本斬波電路 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路 3.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路 本章小結(jié)本章小結(jié)2/44引言引言直流直流-直流變流電路（直流變流電路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流直接直流變流電路變流電路和和間接直流變流電路間接直流變流電路。 直接直流變流電路直接直流變流電路 也稱也稱斬波電路（斬波電路（DC Chopper）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。電。 一般是指直接將

2、直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下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。輸入與輸出之間不隔離。 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在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)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，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，因此也稱為直因此也稱為直交交直電路。直電路。 3/443.1 基本斬波電路基本斬波電路 3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 3.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 3.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 3.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta

3、斬波電路斬波電路4/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路圖圖3-1 降壓斬波電路的原理圖及波形降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖）電路圖 b）電流連續(xù)時的波形）電流連續(xù)時的波形 c）電流斷續(xù)時的波形）電流斷續(xù)時的波形 降壓斬波電路（降壓斬波電路（Buck Chopper） 電路分析電路分析 使用一個使用一個全控型器件全控型器件V，圖中為，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。路。 設(shè)置了設(shè)置了續(xù)流二極管續(xù)流二極管VD，在，在V關(guān)斷時給負(fù)關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道。載中電感電流提供通道。 主要用于電子電路的供電電源，也可拖主

4、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(fù)載等，后兩種情況動直流電動機或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢反電動勢，如圖中，如圖中Em所示。所示。 工作原理工作原理 t=0時刻驅(qū)動時刻驅(qū)動V導(dǎo)通導(dǎo)通，電源，電源E向負(fù)載供電，向負(fù)載供電，負(fù)載電壓負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。 t=t1時控制時控制V關(guān)斷關(guān)斷，二極管，二極管VD續(xù)流，負(fù)續(xù)流，負(fù)載電壓載電壓uo近似為零近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，負(fù)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(fù)載電流連續(xù)且脈動小。使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。 5/

5、443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù)時電流連續(xù)時 負(fù)載電壓的平均值為負(fù)載電壓的平均值為 EETtEtttUonoffonono負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流平均值為 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)的時間，處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，為開關(guān)周期， 為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。為?dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?REUImoo電流斷續(xù)時，負(fù)載電壓電流斷續(xù)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)的平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。情況。 斬波電路有三種控制方式斬波電路有三種控制方式

6、脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變不變，改變ton。 頻率調(diào)制頻率調(diào)制：ton不變，改變不變，改變T。 混合型混合型：ton和和T都可調(diào)，改變占空比都可調(diào)，改變占空比(3-1)(3-2)6/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路對降壓斬波電路進(jìn)行解析對降壓斬波電路進(jìn)行解析 基于基于分時段線性電路分時段線性電路這一思想，按這一思想，按V處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài)兩個過程來分析，兩個過程來分析，初始條件分初始條件分電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)。 電流連續(xù)時得出電流連續(xù)時得出REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1111/201式中，

7、式中， ， ， ， ，I10和和I20分別是負(fù)分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。載電流瞬時值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（把式（3-9）和式（）和式（3-10）用泰勒級數(shù)近似，可得）用泰勒級數(shù)近似，可得 oIREmII2010平波電抗器平波電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。 (3-9)(3-10)(3-11)RL/7/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路(3-11)所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，一個周期中，忽略電路所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，一個周期中，忽略電路中的損

8、耗，則中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即，即 TIETRItEIomoono2則則REEImo假設(shè)電源電流平均值為假設(shè)電源電流平均值為I1，則有，則有 ooonIITtI1其值小于等于負(fù)載電流其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得，由上式得 oooIUEIEI1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。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。(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)8/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路電流斷續(xù)時有電流斷續(xù)時有I10=0，且，且t=ton+tx時，時，i2=0，可以得出

9、，可以得出 memtx)1 (1ln電流斷續(xù)時，電流斷續(xù)時，txtoff，由此得出電流斷續(xù)的條件為，由此得出電流斷續(xù)的條件為 11eem輸出電壓平均值為輸出電壓平均值為 EmTttTEttTEtUxonmxonono1)(負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流平均值為 REUREmTtttitiTImoxonttttoonxonon021dd1(3-16)(3-17)(3-18)(3-19)9/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路例例3-1 在圖在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，已知所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值值極大，極大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,計算輸出電

10、壓平均值計算輸出電壓平均值Uo，輸出電，輸出電流平均值流平均值Io。 解：由于解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為輸出電流平均值為 )(805020020onVETtUo)( 5103080-moAREUIo10/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路例例3-2 在圖在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，所示的降壓斬波電路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20 s，當(dāng)當(dāng)ton=5 s時，計算輸出電壓平均時，計算輸出電壓平均值值Uo，輸出電流平均值

11、，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。流是否連續(xù)。 解：由題目已知條件可得：解：由題目已知條件可得：1 . 010010MEEm002. 05 . 0001. 0RL當(dāng)當(dāng)ton=5 s時，有時，有 01. 0T0025. 0由于由于 meeee249. 0111101. 00025. 0所以輸出電流連續(xù)。所以輸出電流連續(xù)。11/443.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路此時輸出平均電壓為此時輸出平均電壓為 )(25205100onVETtUo輸出平均電流為輸出平均電流為 )(305 . 01025-MoAREU

12、Io輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為 )(19.305 . 01001 . 0111101. 00025. 0maxAeeREmeeI)(81.295 . 01001 . 0111101. 00025. 0minAeeREmeeI12/443.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路0iGE0ioI1a)b)圖圖3-2 升壓斬波電路及其工作波形升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 升壓斬波電路升壓斬波電路 工作原理工作原理 假設(shè)假設(shè)L和和C值很大。值很大。 V處于處于通態(tài)通態(tài)時，電源時，電源E向電感向電感L充電，電流充電，電流恒定恒定I1，電容

13、，電容C向負(fù)載向負(fù)載R供電，輸出電壓供電，輸出電壓Uo恒定。恒定。 V處于處于斷態(tài)斷態(tài)時，電源時，電源E和電感和電感L同時向電容同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。充電，并向負(fù)載提供能量。 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即積蓄的能量與釋放的能量相等，即 offoontIEUtEI11化簡得化簡得 EtTEtttUoffoffoffono上式中的上式中的 1/offtT(3-20)(3-21)13/443.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路將升壓比的倒數(shù)記作將升壓比的倒數(shù)記作，即，即 ，則，則 和導(dǎo)

14、通占空比和導(dǎo)通占空比 有如下關(guān)系有如下關(guān)系 Ttoff1式（式（3-21）可表示為）可表示為 EEUo111輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住?？蓪⑤敵鲭妷罕３肿?。 如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即消耗，即 ooIUEI 1輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為為 RERUIoo1電源電流電源電流I1為為 REIEUIoo211(3-22)(3-23)(3-24)(3-25)

15、(3-26)14/443.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路例例3-3 在圖在圖3-2a所示的升壓斬波電路中，已知所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和值和C值極大，值極大，R=20 ，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40 s，ton=25 s時，計算輸出電壓平均值時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電，輸出電流平均值流平均值Io。 解：輸出電壓平均值為：解：輸出電壓平均值為： )( 3 ffVEtTUo輸出電流平均值為：輸出電流平均值為：)(667. 6203 .133oARUIo15/443.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1

16、i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖3-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形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）電路圖 b）電流連續(xù)時）電流連續(xù)時 c）電流斷續(xù)時）電流斷續(xù)時 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 一是用于直流電動機傳動，二是一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（用作單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三是用于其）電路，三是用于其他交直流電源中。他交直流電源中。 以用于直流電動機傳動為例以用于直流電動機傳動為例 在直流電動機在直流電動

17、機再生制動再生制動時把電時把電能回饋給直流電源。能回饋給直流電源。 電動機電樞電動機電樞電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)兩兩種工作狀態(tài)。種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。不必并聯(lián)電容器。 基于基于分時段線性電路思想，分時段線性電路思想，電電流連續(xù)時得流連續(xù)時得L為無窮大時電樞電流的平為無窮大時電樞電流的平均值均值Io為為 REEREmImo(3-36)16/443.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路當(dāng)電樞電流斷續(xù)時，可求得當(dāng)電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間持續(xù)的時間tx，即，即 mmetontx11ln當(dāng)當(dāng)txt0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)

18、，時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，txt0ff是是電流斷續(xù)的條件，即電流斷續(xù)的條件，即 eem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20圖圖3-3 用于直流電動機回饋能用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形量的升壓斬波電路及其波形c）電流斷續(xù)時）電流斷續(xù)時(3-37)(3-38)17/443.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路otb)oti1i2tontoffILILa)圖圖3-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 工作原理工作原理 V導(dǎo)通導(dǎo)通時，電源時，電源E經(jīng)

19、經(jīng)V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i1，同時，同時C維持輸出電維持輸出電壓恒定并向負(fù)載壓恒定并向負(fù)載R供電。供電。 V關(guān)斷關(guān)斷時，時，L的能量向負(fù)載釋放，的能量向負(fù)載釋放，電流為電流為i2，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。斬波電路。 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 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兩端電兩端電壓壓uL對時間的積分為零，即對時間的積分為零，即 TLtu00d當(dāng)當(dāng)V處于通態(tài)期間，處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，處于斷態(tài)期間，

20、uL=-uo。于是：。于是： offoontUtE(3-39)(3-40)18/443.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttUononoffono1改變導(dǎo)通比改變導(dǎo)通比 ，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0 1/2時為降壓，當(dāng)時為降壓，當(dāng)1/2 1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。路。 電源電流電源電流i1和負(fù)載電流和負(fù)載電流i2的平均值分別為的平均值分別為I1和和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有，當(dāng)電流脈動足

21、夠小時，有 offonttII21由上式可得由上式可得 1121IIttIonoff如果如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即為沒有損耗的理想開關(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即 21IUEIo(3-41)(3-42)(3-43)(3-44)19/443.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 Cuk斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，EL1V回路和回路和RL2CV回路分別流過電流?；芈贩謩e流過電流。 V關(guān)斷時，關(guān)斷時，EL1C

22、VD回路和回路和RL2VD回路分別流過電流?；芈贩謩e流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓輸出電壓的極性與電源電壓極性相反極性相反。 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(yīng)為零，即的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，即TCti00d(3-45)20/443.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 由由(3-45)得得offontItI12 從而可得從而可得112onononoffttTttII 由由L1和和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓與電源電壓E的關(guān)系的關(guān)系 EEtTtEttUononoffono1與升

23、降壓斬波電路相比，與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，其輸入電源電斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，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。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。(3-46)(3-47)(3-48)21/443.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Sepic斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，回路同時導(dǎo)電，L1和和L2貯能。貯能。 V關(guān)斷時，關(guān)斷時，EL1C1VD負(fù)載負(fù)載回路及回路及L2VD負(fù)載負(fù)載回路同時導(dǎo)電，

24、回路同時導(dǎo)電，此階段此階段E和和L1既向負(fù)載供電，同時也向既向負(fù)載供電，同時也向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態(tài)時處于通態(tài)時向向L2轉(zhuǎn)移）轉(zhuǎn)移）。 輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系 EEtTtEttUononoffono1圖圖3-6 a)Sepic斬波電路斬波電路 (3-49)22/443.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導(dǎo)通時，電源導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)經(jīng)開關(guān)V向電感向電感L1貯能。貯能。 V關(guān)斷時，關(guān)斷時，L1VDC1構(gòu)成構(gòu)成振蕩回路振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部，能量全部轉(zhuǎn)移至

25、轉(zhuǎn)移至C1上之后，上之后，VD關(guān)斷，關(guān)斷，C1經(jīng)經(jīng)L2向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。 輸入輸出關(guān)系為輸入輸出關(guān)系為 EUo1兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，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，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)；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。兩種電路輸出電壓為正極性的。 圖圖3-6 b Zeta斬波電路斬波電路 (3-50)23/443.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路 3.2.1 電流可逆斬波

26、電路電流可逆斬波電路 3.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 3.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路24/443.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路概念概念 復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成。成。 多相多重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)相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成成 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 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電動運行，又可，又可再生制動再生制動，降壓斬波電路能使電動機工，降壓斬波電路能使電動機工作于第

27、作于第1象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組電流可逆斬波電路：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(fù)，但電壓只能是合，此電路電動機的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第一種極性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。25/443.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)圖圖3-7 電流可逆斬波電路及其波形電流可逆斬波電路及其波形a） 電路圖電路圖 b） 波形波形 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) V1和和VD1構(gòu)成構(gòu)成降

28、壓斬波電路降壓斬波電路，電動機為，電動機為電動運行，工作于第電動運行，工作于第1象限。象限。 V2和和VD2構(gòu)成構(gòu)成升壓斬波電路升壓斬波電路，電動機作，電動機作再生制動運行，工作于第再生制動運行，工作于第2象限。象限。 必須防止必須防止V1和和V2同時導(dǎo)通而同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短導(dǎo)致電源短路。路。工作過程工作過程 兩種工作情況：只作降壓斬波器運行和兩種工作情況：只作降壓斬波器運行和只作升壓斬波器運行。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)：一個周期內(nèi)交替交替地作為地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。 第第3種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電流種

29、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，這樣電動機電樞回路總有電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。電流流過。 一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。 26/443.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路圖圖3-8 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 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，分別向電動機提供正向和反向電壓，將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，使電動機可以使電動機可以4象限象限運行。運行。 工作過程工作過程 V

30、4導(dǎo)通時，等效為圖導(dǎo)通時，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供所示的電流可逆斬波電路，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。 V2導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，V3、VD3和和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供動機提供負(fù)電壓負(fù)電壓，可使電動機工作于，可使電動機工作于第第3、4象限象限。27/443.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)圖圖3-9 多相多重斬波電路及其波形多相多重斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 多相多重斬波

31、電路多相多重斬波電路 是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相是在電源和負(fù)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。同的基本斬波電路而構(gòu)成的。 相數(shù)相數(shù):一個控制周期中電源側(cè)的電流一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。脈波數(shù)。 重數(shù)重數(shù)：負(fù)載電流脈波數(shù)。：負(fù)載電流脈波數(shù)。3相相3重降壓斬波電路重降壓斬波電路 電路及波形分析電路及波形分析 相當(dāng)于由相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元個降壓斬波電路單元并并聯(lián)聯(lián)而成。而成。 總輸出電流為總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的平均值的3倍，脈動頻率也為倍，脈動頻率也為3倍。倍。

32、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，所需很小，所需平波電抗器平波電抗器總重量大為減輕?？傊亓看鬄闇p輕。 28/443.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個獨立負(fù)載個獨立負(fù)載時，則為時，則為3相相1重斬波電路重斬波電路，當(dāng)電源為當(dāng)電源為3個獨立電個獨立電源，向一個負(fù)載供電時，則為源，向一個負(fù)載供電時，則為1相相3重斬波電路重斬波電路。 電源電流的電源電流的諧波分量諧波分量

33、比單個斬波電路時顯著比單個斬波電路時顯著減小。減小。多相多重斬波電路還具有備用功能，各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，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其余各單元可以繼續(xù)運行，使得總體的可靠性提高。高。29/443.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路 3.3.1 正激電路正激電路 3.3.2 反激電路反激電路 3.3.3 半橋電路半橋電路 3.3.4 全橋電路全橋電路 3.3.5 推挽電路推挽電路 3.3.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流 3.3.7 開關(guān)電源

34、開關(guān)電源30/443.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路引言引言圖圖 3-10 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)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)，因此也稱為直直交交直電路直電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流采用這種結(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直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。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。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比例遠(yuǎn)小于輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用

35、較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾交流環(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。波電容的體積和重量。間接直流變流電路分為間接直流變流電路分為單端單端(Single End)和和雙端雙端(Double End)電路兩電路兩大類，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。于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 31/

36、443.3.1 正激電路正激電路SuSiLiSOttttUiOOO圖圖 3-11 正激電路的原理圖正激電路的原理圖圖圖 3-12 正激電路的理想化波形正激電路的理想化波形正激電路正激電路(Forward) 工作過程工作過程 開關(guān)開關(guān)S開通開通后，變壓器繞后，變壓器繞組組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的與其耦合的W2繞組兩端的電壓繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，因此也是上正下負(fù)，因此VD1處于處于通態(tài)，通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感為斷態(tài)，電感L的電的電流逐漸增長。流逐漸增長。 S關(guān)斷關(guān)斷后，電感后，電感L通過通過VD2續(xù)流，續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)磁

37、電流經(jīng)N3繞組和繞組和VD3流回電流回電源，所以源，所以S關(guān)斷后承受的電壓關(guān)斷后承受的電壓為為 。iSUNNu)1 (3132/443.3.1 正激電路正激電路BRBSBHO圖圖 3-13 磁心復(fù)位過程磁心復(fù)位過程變壓器的磁心復(fù)位變壓器的磁心復(fù)位 開關(guān)開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷，導(dǎo)關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。致變壓器的激磁電感飽和。 必須設(shè)法使激磁電流在必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變變壓器的磁心復(fù)位壓器的

38、磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為on13rsttNNt輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時輸出濾波電感電流連續(xù)時 TtNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的極限情況下極限情況下 i12oUNNU (3-51)(3-52)33/443.3.2 反激電路反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖圖 3-14 反激電路原理圖反激電路原理圖圖圖 3-15 反激電路的理想化波形反激電路的理想化波形反激電路反激電路 工作過程工作過程 S開通開通后，后，VD處于斷態(tài)，處于斷態(tài)，W1繞組的電流線繞組的電

39、流線性增長，電感儲能增加。性增長，電感儲能增加。 S關(guān)斷后關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過中的磁場能量通過W2繞組和繞組和VD向輸出端釋放，向輸出端釋放，電壓為電壓為 。 工作模式工作模式 當(dāng)當(dāng)S開通時，開通時，W2繞組中的電流尚未下降到繞組中的電流尚未下降到零，則稱工作于零，則稱工作于電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關(guān)，輸出輸入電壓關(guān)系為系為uUNNUSio12offon12iottNNUU S開通前，開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零，繞組中的電流已經(jīng)下降到零，則稱工作于則稱工作于電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于，此時輸出電壓高

40、于（3-53）的計算值，在負(fù)載為零的極限情況）的計算值，在負(fù)載為零的極限情況下，下， ， Uo 所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。(3-53)34/443.3.3 半橋電路半橋電路圖圖 3-16 半橋電路原理圖半橋電路原理圖圖圖 3-17 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形半橋電路半橋電路 工作過程工作過程 S1與與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S

41、1導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電中的電流為零，流為零，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。擔(dān)一半的電流。 S1或或S2導(dǎo)通時電感導(dǎo)通時電感L的電流逐漸的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電的電流逐漸下降，流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)斷態(tài)時承受的峰值時承受的峰值電壓均為電壓均為Ui。 35/443.3.3 半橋電路半橋電路 由于由于電容電容的的隔直作用隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通

42、，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)生變壓器的動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁偏磁和和直流磁飽直流磁飽和和。輸出電壓輸出電壓 濾波電感濾波電感L的電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（3-54）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下情況下2i12oUNNU(3-54)36/443.3.4 全橋電路全橋電路S1S2uS1uS2iS1

43、iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖 3-18 全橋電路原理圖全橋電路原理圖 圖圖 3-19 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形全橋電路全橋電路 工作過程工作過程 全橋電路中，全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。電壓。 當(dāng)當(dāng)S1與與S4開通后，開通后，VD1和和VD4處于處于通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。的電流逐漸上

44、升。 當(dāng)當(dāng)S2與與S3開通后，開通后，VD2和和VD3處于處于通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流也上升。的電流也上升。 當(dāng)當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感感L的電流逐漸下降，的電流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)時承受斷態(tài)時承受的峰值電壓均為的峰值電壓均為Ui。37/443.3.4 全橋電路全橋電路 如果如果S1、S4與與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有中將含有直直流分量流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流，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，因分

45、量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(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。一個電容，以阻斷直流電流。 為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過為避免同一側(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。，還應(yīng)留有裕量。 輸出電壓輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時濾波電感電流連續(xù)時 TtNNUUon12io2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（3-55）的計算值，）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并隨

46、負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi21(3-55)38/443.3.5 推挽電路推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖 3-20 推挽電路原理圖推挽電路原理圖圖圖 3-21 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形推挽電路推挽電路 工作過程工作過程 推挽電路中兩個開關(guān)推挽電路中兩個開關(guān)S1和和S2交替導(dǎo)通，在繞組交替導(dǎo)通，在繞組N1和和N1兩端分兩端分別形成相位相反的交流電壓。別形成相位相反的交流電壓。 S1導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD1處于處于通態(tài)，電感通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，的電流逐漸上

47、升，S2導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電處于通態(tài)，電感感L電流也逐漸上升。電流也逐漸上升。 當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，電流，S1和和S2斷態(tài)時承受的斷態(tài)時承受的峰值電峰值電壓壓均為均為2倍倍Ui。 39/443.3.5 推挽電路推挽電路 如果如果S1和和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)避同時導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)各自的占空比不能超過免兩個開關(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，還要留有死區(qū)。有死區(qū)。 輸出電壓輸出

48、電壓 當(dāng)濾波電感當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（將高于式（3-56）的計算值，）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并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi21(3-56)40/44電路電路優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡單，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、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源。全橋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，計算機電源等推挽推挽變壓器雙