第5章直流直流變流電路電力電子技術(shù)

1、1第第5章章 直流直流變流電路直流直流變流電路 5.1 基本斬波電路基本斬波電路 5.2 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 5.3 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引引 言言直流直流-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。 一般是指直接將直

2、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，因此也稱為因此也稱為直直交交直電路直電路。 35.1 基本斬波電路基本斬波電路 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 5.1.3 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 5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬

3、波電路45.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 全控型器件全控型器件 若為晶閘管，須若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管續(xù)流二極管負(fù)載負(fù)載出現(xiàn)出現(xiàn)的反的反電動電動勢勢典型用途之一是典型用途之一是拖動直流電動機拖動直流電動機，也可帶，也可帶蓄電池負(fù)載蓄電池負(fù)載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)5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

4、vt=0時刻驅(qū)動時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源E向向負(fù)載供電，負(fù)載電壓負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)，負(fù)載電流載電流io按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。vt=t1時控制時控制V關(guān)斷，二極管關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓續(xù)流，負(fù)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。v通常串接較大電感通常串接較大電感L使負(fù)載電使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。流連續(xù)且脈動小。v動畫演示動畫演示。5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路6數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v電流連續(xù)電流連續(xù) 負(fù)載電壓平均值：負(fù)載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的時

5、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)電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 負(fù)載電流平均值：負(fù)載電流平均值：5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路7斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式T不變，變不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）。）。ton不變，變不變，變T 頻率調(diào)制。頻率調(diào)制。ton和和T都可調(diào)，改變占空比都可調(diào)，改變占空比混合型?；旌闲?。此種方式應(yīng)用此種方式應(yīng)用最多最多 第第3章章3.1節(jié)介紹過：節(jié)介紹過：電力電子電路的實質(zhì)上是分時段電力電子電路的實質(zhì)上是分時段線性電路的思想線性電路的思想。 基于基于“分段

6、線性分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。行解析。分分V處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài)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)5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路8電流連續(xù)時得出電流連續(xù)時得出REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1111/201式中，式中， ， ， ， ，I10和和I20分別分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（把式（5-9）和式（）和式（5-10）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

7、電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)RL /5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路9TIETRIoM2o同樣可以從同樣可以從能量傳遞關(guān)系能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)v 由于由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變不變v 電源只在電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為處于通態(tài)時提供能量，為v 在整個周期在整個周期T中，負(fù)載消耗的能量為中，負(fù)載消耗的能量為onotEI輸出功率等于輸入功率，可看作輸出功率等于輸入功率，可看作直流降壓變壓器直流降壓變壓器。一周期中，

8、忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路10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，可以得出 memtx)1 (1ln電流斷續(xù)時，電流斷續(xù)時，tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作升壓比；升壓比的倒數(shù)記作 ，即，即。 和和的關(guān)系：的關(guān)系：因此，式（因此，式（3-21）可表示為）可表示為 off

9、/tT1EEU111oTtoff（5-23）（5-22）5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路17電壓升高的原因電壓升高的原因：電感電感L儲能使儲能使電壓泵升電壓泵升的作用的作用 電容電容C可將輸出電壓可將輸出電壓保持保持住住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 ： （5-24） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器直流變壓器。ooIUEI 1輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為：為：RERUI1oo電源電流的平均值電源電流的平均值I1為：為：REIEUI2oo115

10、.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路18例例5-3 在圖在圖5-2a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： )V(3 ffEtTUo輸出電流平均值為：輸出電流平均值為：)A(667. 6203 .133oRUIo5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路195.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路20ttT

11、EiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖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）電路，三是用于其他交直流電源中。是用于其他交直流電源中。 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

12、機在直流電動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為無窮大時電樞電流的平均值平均值Io為為 REEREmImo(5-36)5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路動動 畫畫215.1.3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 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper

13、) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)注意：電源和負(fù)載壓降定義的方向（極性）不同。注意：電源和負(fù)載壓降定義的方向（極性）不同。22基本工作原理基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖圖5-4 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vV通通時，電源時，電源E經(jīng)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維維持輸出電壓恒定并向負(fù)載持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。供電。vV斷斷時，時，L的能量向負(fù)載釋放，電的能量向負(fù)載釋放，電流為流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也與電源電

14、壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。稱作反極性斬波電路。v注意注意：電路不能空載工作。：電路不能空載工作。v動態(tài)演示動態(tài)演示。5.1.3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23數(shù)量關(guān)系數(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兩端電壓兩端電壓uL對時間的積分為零，即對時間的積分為零，即Ttu0L0d（5-39）所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）V處于通態(tài)處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE（5-40）5.1.3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24v

15、圖圖5-4b中給出了電源電流中給出了電源電流i1和負(fù)載電流和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的的波形，設(shè)兩者的平均值分別為平均值分別為I1和和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：offon21ttII（3-42）由上式得：由上式得：11onoff21IIttI（3-43） 結(jié)論結(jié)論v當(dāng)當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)時為降壓，當(dāng)1/2a 1時為升壓，故稱作時為升壓，故稱作升降升降壓斬波電路壓斬波電路。也有稱之為。也有稱之為buck-boost 變換器變換器。v其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。2o1IUEI （3-44）5.1.3升

16、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)oti1i2tontoffILIL25圖圖5-5 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，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分別流過電流。回路分別流過電流。 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

17、(5-45)5.1.3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26 由由(5-45)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(5-46)(5-47)(5-48) 優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）：優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）： 輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很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，小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。

18、缺點：缺點：電容電容C 的電流波動大，電流沖擊較嚴(yán)重。的電流波動大，電流沖擊較嚴(yán)重。5.1.3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275.1.4 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貯貯能。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)載回路同回路同時導(dǎo)電，此階段時導(dǎo)電，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貯存的能量貯存的能量在在V處于通態(tài)時向處于通態(tài)時向L

19、2轉(zhuǎn)移）轉(zhuǎn)移）。 輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系 EEtTtEttUononoffono1圖圖5-6 a)Sepic斬波電路斬波電路 (5-49)28Zeta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，能量全部轉(zhuǎn)移至量全部轉(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)載電流斷

20、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，續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電路的電源電流斷續(xù)而負(fù)載電流連續(xù)；兩種電路電源電流斷續(xù)而負(fù)載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。輸出電壓為正極性的。 5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路29 斬波小結(jié)斬波小結(jié)30各種基本斬波電路的特點各種基本斬波電路的特點 降壓型：降壓型：只能降壓不能升壓，輸出與輸入同相，只能降壓不能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結(jié)構(gòu)簡單。輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結(jié)構(gòu)簡單。 升壓型：升壓型：只能升壓不能降壓，輸出與輸入同相，只能升壓不能降壓，輸出與

21、輸入同相，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡單。工作，結(jié)構(gòu)簡單。 斬波小結(jié)斬波小結(jié)31 升降壓型：升降壓型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡單。輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡單。 Cuk 型：型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。 Sepic 型：型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動小，輸出電流脈

22、動大，不能空載工作，結(jié)電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。構(gòu)相對復(fù)雜。 Zeta 型：型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)流脈動大，輸出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。相對復(fù)雜。 斬波小結(jié)斬波小結(jié)325.2 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 5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路335.2.1 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

23、：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成。降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)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)成相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)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電動運行動運行，又可，又可再生制動再生制動，降壓斬波電路能使電動機工作于，降壓斬波電路能使電動機工作于第第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合，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

24、路電動機的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極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，故其可工作于第性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。34ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)圖圖5-7 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

25、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)交替交替地作地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。為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)一種斬波電路電種工作方式下，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，流斷續(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讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。有電流流過。 一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。一個周期內(nèi)，電

26、流不斷，響應(yīng)很快。 355.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路圖圖5-8 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，使電動機可以向電壓，使電動機可以4象限象限運行。運行。 工作過程工作過程 V4導(dǎo)通時，等效為圖導(dǎo)通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供所示的電流可逆斬波電路，提供正電正電壓壓，可使電動機工作于，可使電動機工作于第第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等效為又一組電

27、流可逆斬波電路，向電動機提供路，向電動機提供負(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。36基本概念基本概念多相多重斬波電路多相多重斬波電路在電源和負(fù)載之間接入多個在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成構(gòu)成相數(shù)相數(shù)一個控制周期一個控制周期中電源側(cè)的電中電源側(cè)的電流脈波數(shù)流脈波數(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)5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路375.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)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

28、分析 相當(dāng)于由相當(dāng)于由3個降壓斬波電個降壓斬波電路單元路單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。 總輸出電流為總輸出電流為 3 個斬波電個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的為單元輸出電流平均值的3倍，倍，脈動頻率也為脈動頻率也為3倍。倍。 總輸出電流總輸出電流最大脈動率最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比，其總比）與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，的輸出電流脈動幅值變得很小，所需所需平波電抗器平波電抗器總重量大為減輕。總重量大為減輕。 38 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

29、為3個獨立負(fù)載時，個獨立負(fù)載時，則為則為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個獨立電源，向個獨立電源，向一個負(fù)載供電時，則為一個負(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比單個斬波電路時顯著減比單個斬波電路時顯著減小。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。5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路395.3 帶隔離的

30、直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路 5.3.1 正激電路正激電路 5.3.2 反激電路反激電路 5.3.3 半橋電路半橋電路 5.3.4 全橋電路全橋電路 5.3.5 推挽電路推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流 5.3.7 開關(guān)電源開關(guān)電源405.3 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 5-10 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

31、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

32、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。 415.3.1 正激電路正激電路SuSiLiSOttttUiOOO圖圖 5-11 正激電路的原理圖正激電路的原理圖圖圖 5-12 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

33、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 (3142BRBSBHO圖圖 5-13 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

34、，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)載為零輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的極限情況下的極限情況下 i12oUNNU (5-51)(5-52)5.3.1 正激電路正激電路435.3.2 反激電路反激電路SuSiSiV

35、DtontoffttttUiOOOO圖圖 5-14 反激電路原理圖反激電路原理圖圖圖 5-15 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

36、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，此時輸出電壓高于（5-53）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)。(5-53)445.3.2 反激電路反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖圖 5-14 反激電路原理圖反激電路原理圖圖圖 5-15 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

37、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繞組的電流線性增長，電感儲能增繞組的電流線性增長，電感儲能增加。加。 S關(guān)斷后關(guān)斷后，W1繞組的電流被繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過切斷，變壓器中的磁場能量通過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 。 uUNNUSio12455.3.3 半橋電路半橋電路圖圖 5-17 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形 工作過程工作過程 S1與與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次變開關(guān)的占空比，就可以改變二

38、次側(cè)整流電壓側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變的平均值，也就改變了輸出電壓了輸出電壓Uo。 S1導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD1處于通處于通態(tài)，態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，中的電流為零，VD1和和VD2都處于都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。 S1或或S2導(dǎo)通時電感導(dǎo)通時電感L的電流逐的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降，的電流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)斷態(tài)時承受時承受的峰值電壓均為的峰值電壓均為Ui。 46 由于由

39、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)，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)生變壓器的有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁偏磁和和直直流磁飽和流磁飽和。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（5-54）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(5-54)5.3

40、.3 半橋電路半橋電路475.3.4 全橋電路全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖 5-18 全橋電路原理圖全橋電路原理圖 圖圖 5-19 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形 工作過程工作過程 全橋電路中，全橋電路中，互為對角的兩個互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)關(guān)交替交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為值為Ui的交流電壓，改變占空比就可的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。以改變輸出電壓。 當(dāng)當(dāng)S1與與S4開通后，開通后，VD1和和

41、VD4處處于通態(tài)，電感于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。的電流逐漸上升。 當(dāng)當(dāng)S2與與S3開通后，開通后，VD2和和VD3處處于通態(tài)，電感于通態(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個二極個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感流，電感L的電流逐漸下降，的電流逐漸下降，S1和和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。48 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

42、直流 分量，造成磁路飽和，因分量，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)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（5-55）的計算值，）的計算值，并隨負(fù)載減小而升

43、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(5-55)5.3.4 全橋電路全橋電路495.3.5 推挽電路推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖 5-20 推挽電路原理圖推挽電路原理圖圖圖 5-21 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形 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)

44、，電感L的電流逐漸上升，的電流逐漸上升，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。 50 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比不能超過50%，還要留有死區(qū)。，還要留有死區(qū)。 輸出電壓輸

45、出電壓 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（5-56）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(5-56)5.3.5 推挽電路推挽電路51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，電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路可靠性高，驅(qū)動電路簡單簡單變壓器單向激磁，變壓器單向激磁，利用率低利用率低幾百幾百W幾幾kW各種中、小功各種中、小功率電源率電源反激反激

46、電路非常簡單，成本電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單動電路簡單難以達(dá)到較大的功率，難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利變壓器單向激磁，利用率低用率低幾幾W幾十幾十W小功率電子設(shè)備、小功率電子設(shè)備、計算機設(shè)備、消計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源。費電子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器雙向勵磁，變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百幾百W幾百幾百kW大功率工業(yè)用電大功率工業(yè)用電源、焊接電源、源、焊接電源、電解電源等電解電源等半橋半橋變壓器雙向變壓器雙向勵勵磁，沒磁，沒有變壓器偏磁問題，有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路驅(qū)動電路幾百幾百W幾幾kW各種工業(yè)用電源，各種工業(yè)用電源，計算機電源等計算機電源等推挽推挽變壓器雙向勵磁，變壓變壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流器一次側(cè)電流回路回路中只中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題有偏磁問題幾百幾百W幾幾kW低輸入電壓的電低輸入電壓的電源源表表 5-1 5-1 各種不同的間接直流變