第六章 直流變換器2008

1、6.1 直流變換（斬波器）原理和工作方式直流斬波電路（DC Chopper）v將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。v也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。斬波原理：p170v控制方式：定頻調(diào)寬vT不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 定寬調(diào)頻vton不變，變T 頻率調(diào)制。調(diào)頻調(diào)寬vton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。v電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升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。復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。此種方式應(yīng)用最多6

2、.2 基本斬波電路一一. 降壓斬波電路二二. 升壓斬波電路三三.升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 一. 降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu)典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper) 全控型器件若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢一. 降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖4-17 降壓斬波電路得原理圖及波形

3、vt=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)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。vt=t1時控制V關(guān)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。v通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。一. 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v電流連續(xù) 負載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（6-1）REUIMoo（6-4）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比v 電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 負載電流平均值：一. 降壓斬波電路TIETRIoM2o同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導(dǎo)v 由于L為無窮大，故負載電流維持為

4、Io不變v 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為v 在整個周期T中，負載消耗的能量為onotEI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。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI一 . 降壓斬波電路 負載電流斷續(xù)的情況：負載電流斷續(xù)的情況： I10=0，且t=tx時，i2=0memt)1 (1lnx（3-16）tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（

5、6-8）二 . 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 ： 。 （6-） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(6-)電源電流的平均值Io為：REIEUI2oo11b二 . 升壓斬波電路2. 升壓斬波電路典型應(yīng)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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖

6、3-3 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） 電流斷續(xù)時v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。二 . 升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系v當(dāng)V處于通態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL(3-27)v當(dāng)V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i2，得下式：EERitiLM22dd（3-29）v當(dāng)電流連續(xù)時，考慮到初始條件，近似L無窮大時電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM（3-36）v該式表明，以電動機一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是

7、被降低到了 。Eb三 .升降壓斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)三. 升降壓斬波電路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形vV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。vV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。四. 其它斬波電路vCuk斬波電路(P175)vSEPIC斬波電路vDual SEPIC斬波電路6.3 直流電動機負載的斬波器結(jié)構(gòu)v單單象象

8、限限斬斬波波器器（直直流流電電動動機機傳傳動）動）圖4.21 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）電流斷續(xù)時二. 電流可逆斬波電路 圖4.22 電流可逆斬波電路及其波形a）電路圖b）波形兩兩象象限限斬斬波波器器三.橋式可逆斬波電路 圖4.23 橋式可逆斬波電路 四象限斬波器（直流電動機傳動）四象限斬波器（直流電動機傳動）6.4 輸入輸出隔離的直流變換器一一.反激電路反激電路二二.正激電路正激電路三三.推挽電路推挽電路四四.半橋電路半橋電路五五.全橋電路全橋電路六六.開關(guān)電源開關(guān)電源一.反激電路1.工作過程：圖 8-20 反激電路的理想化波形 SuSiSiVD

9、tontoffttttUiOOOO圖 8-19 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(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。一. 反激電路2.反激電路的工作模式： 電流連續(xù)模式：當(dāng)S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到尚未下降到零零。輸出電壓關(guān)系： 電流斷續(xù)模式：S開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零已經(jīng)下降到零。 輸出電壓高于式（6-12）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， ，因此反激電路不應(yīng)工作于負載開路狀態(tài)。offon12iottNNUUoU(6-12)圖 8-20 反激電路的理想化波

10、形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 8-19 反激電路原理圖 二. 正激電路圖 8-16 正激電路的原理圖圖 8-17 正激電路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO 開關(guān)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(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 。iSUNNu)1 (311.正激電路(Forward)的工作過程二. 正激電路BRBSBHO圖 8-18 磁心復(fù)位過程輸出電壓輸出濾波電

11、感電流連續(xù)的情況下輸出電感電流不連續(xù)時TtNNUUon12ioi12oUNNU2.變壓器的磁心復(fù)位on31rsttNNtl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。為防止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變壓器的磁心復(fù)位復(fù)位。l變壓器的磁心復(fù)位時間為三. 推挽電路圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形l 推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N, ,1兩端分

12、別形成相位相反的交流電壓。l S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。l S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。l 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U Ui i。1.工作過程三. 推挽電路圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形2.數(shù)量關(guān)系l S1和S2同時導(dǎo)通，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。 濾波電感L電流連續(xù)時：(8-6) 輸出電感電流

13、不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（8-6）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，TtNNUUon12io2i12oUNNU 四. 半橋電路lS1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。lS1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);l當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)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(dān)一半的電流。lS1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。1.工作過程圖 8

14、-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-22 半橋電路的理想化波形四. 半橋電路2.數(shù)量關(guān)系l 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。圖 8-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-22 半橋電路的理想化波形當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時： 如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于式（8-4）的計算值，并隨負載減

15、小而升高，在負載為零的極限情況下， TtNNUUon12io2i12oUNNU (8-4)五. 全橋電路l全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同同時時導(dǎo)通，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Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。l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；lS2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。l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。1.工作過程圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1

16、iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形五.全橋電路l如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)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(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。2.數(shù)量關(guān)系濾波電感電流連續(xù)時： (8-5)輸出電感電流斷續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下： TtNNUUon12io2i12oUNNU 圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2t

17、onTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形表 4-1 各種不同的間接直流變流電路的比較電路優(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

18、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)動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源七. 開關(guān)電源v如果間接直流變流電路輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來，所構(gòu)成的交直交直電路，通常被稱為開關(guān)電源。v由于開關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠小于相控整流電源，此外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。6.5 直流PWM的控制v由運算放大器組成PWM控制電路P117圖4.2

19、9直流控制電壓鋸齒波（三角波）vLM3524PWM集成塊具有完善的保護電路,用于UPS電源P119， 圖4.31vSG1525PWM集成塊使用較少，不如TL494在開關(guān)電源中使用廣泛本章小節(jié)v本章的要點如下本章的要點如下：v(1)理解降壓斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路升壓斬波電路的工作原理，掌握這兩種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點；v(2)輸入輸出隔離（間接直流）變換電路中的能量轉(zhuǎn)換過程為直流交流直流，交流環(huán)節(jié)含有變壓器；v(3)常見的間接直流變換電路可以分為單端和雙端電路兩大類。單端電路包括正激和反激兩類；雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類。每一類電路都可能有多種不同的拓撲形式

20、或控制方法，本章僅介紹了其中最具代表性的拓撲形式和控制方法；v(4)斬波器改變工作率的方式斬波器改變工作率的方式v作業(yè)：P188 6.54.3 晶閘管的換流問題晶閘管的換流問題 v4.3.1 晶閘管的換流v4.3.2 晶閘管斬波器的換流v4.3.3 逆導(dǎo)型晶閘管4.3.1 晶閘管的換流l換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。二. 換流方式分類1. 器件換流（Device

21、 Commutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2. 電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3. 負載換流（Load Commutation）4. 強迫換流（Forced Commutation）二. 換流方式分類圖5-2 負載換流電路及其工作波形 v由負載提供換流電壓的換流方式。v負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。

22、v如圖是基本的負載換流負載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。v整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。v直流側(cè)串電感，工作過程可認為id 基本沒有脈動。v負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以uo接近正弦波接近正弦波。v注意注意觸發(fā)VT2、VT3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。?t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44.強迫換流（Forced Commutation）二. 換流方式分類由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓直接耦合式強迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流

23、電感耦合式強迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流電容換流。分類4.3.2 晶閘管斬波器的換流v直接耦合式直接耦合式強迫換流v 當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。v 也叫電壓換流電壓換流。v 見 P123圖4.33A圖5-3直接耦合式強迫換流原理圖圖5-4 電感耦合式強迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強迫換流 先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。 見 P123圖4.33B二. 換流方式分類

24、v換流方式總結(jié)：器件換流適用于全控型器件。其余三種方式針對晶閘管。器件換流和強迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負載換流屬于外部換流。4.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。本章小節(jié)v本章的要點如下本章的要點如下：v(1) 交流交流變流電路的分類及其基本概念；v(2) 單相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成，在電阻負載和阻感負載時的工作原理和電路特性；v(3) 三相交流調(diào)壓電路的基本構(gòu)成和基本工作原理；v(4) 交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)的基本概念；v(5) 各種交流交流變流電路的主要應(yīng)用；v(6)理解降壓斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路升壓斬波電路的工作原理，掌握這兩種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作