第6章直流-直流變換電路.

1、第第6章章 直流直流-直流變換電路直流變換電路 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和分類(lèi)；直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和分類(lèi)；單象限直流斬波器（降壓式、升壓式、升降壓式、單象限直流斬波器（降壓式、升壓式、升降壓式、Cuk電路）電路）的基本電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；的基本電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的不可逆直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的不可逆PWM斬波器（單象限斬波器、斬波器（單象限斬波器、雙象限斬波器）、可逆雙象限斬波器）、可逆PWM斬波器（四象限斬波器）的基斬波器（四象限斬波器）的基本電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；本電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；軟開(kāi)關(guān)的基本概念。軟開(kāi)關(guān)的基本概念。將一種幅值的直流電

2、壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過(guò)程稱(chēng)為直流流電壓的過(guò)程稱(chēng)為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通直流電壓變換。它的基本原理是通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比上，通過(guò)改變占空比D來(lái)改變輸出電壓的平均值。它是一種來(lái)改變輸出電壓的平均值。它是一種開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱(chēng)斬波器變換電路，俗稱(chēng)斬波器(Chopper)。直流變換。直流變換技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可控直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可控直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流電

3、機(jī)的調(diào)速控制。電機(jī)的調(diào)速控制。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，半控元件的切換只能通過(guò)強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)迫換半控元件的切換只能通過(guò)強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)迫換流電路需要較大的換流電容、輔助晶閘管等，造成了線(xiàn)路的流電路需要較大的換流電容、輔助晶閘管等，造成了線(xiàn)路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以全控型電力電復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以全控型電力電子器件具有自關(guān)斷能力的器件作為開(kāi)關(guān)器件。子器件具有自關(guān)斷能力的器件作為開(kāi)關(guān)器件。6.1 直流斬波器的工作原理和分類(lèi)直流斬波器的工作原理和分類(lèi)6.1.1

4、 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開(kāi)關(guān)下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開(kāi)關(guān)S可以是各種全控型可以是各種全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件，輸入電源電壓電力電子開(kāi)關(guān)器件，輸入電源電壓E為固定的直流電壓。當(dāng)為固定的直流電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)S給負(fù)載給負(fù)載RL供電；開(kāi)關(guān)供電；開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)斷開(kāi)時(shí)，直流電源供給負(fù)載時(shí)，直流電源供給負(fù)載RL的電流被切斷，的電流被切斷，L的儲(chǔ)能經(jīng)二極管的儲(chǔ)能經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載續(xù)流，負(fù)載RL兩端的電壓接近于零。兩端的電壓接近于零。 6.1.2 直流斬波器的分類(lèi)直流斬波器的分類(lèi)直流斬波器按照上述

5、調(diào)制形式可分為直流斬波器按照上述調(diào)制形式可分為1）脈沖寬度調(diào)制）脈沖寬度調(diào)制(PWM)；2）脈沖頻率調(diào)制）脈沖頻率調(diào)制(PFM)；3）混）混合調(diào)制。合調(diào)制。按變換電路的功能分類(lèi)有按變換電路的功能分類(lèi)有1）降壓式直流）降壓式直流-直流變換直流變換(Buck Converter)；2）升壓式直）升壓式直流流-直流變換直流變換(Boost Converter)；3）升壓）升壓-降壓復(fù)合型直流降壓復(fù)合型直流-直流變換直流變換(Boost-Buck Converter)；4）庫(kù)克直流）庫(kù)克直流-直流變換直流變換（Cuk Converter）。）。按輸入直流電源和負(fù)載交換能量的形式又可分為按輸入直流電源和

6、負(fù)載交換能量的形式又可分為1）單象限直流斬波器；）單象限直流斬波器；2）二象限直流斬波器。）二象限直流斬波器。6.2 單象限直流斬波器單象限直流斬波器6.2.1 降壓式直流斬波電路降壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)、電路的結(jié)構(gòu)電路中的電路中的VT采用采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在起續(xù)流作用，在VT關(guān)斷時(shí)為關(guān)斷時(shí)為電感電感L儲(chǔ)能提供續(xù)流通路；儲(chǔ)能提供續(xù)流通路；L為能量傳遞電感，為能量傳遞電感，C為濾波電為濾波電容，容，R為負(fù)載；為負(fù)載；E為輸入直流電壓，為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。為輸出直流電壓。 2、電路的工作原理、電路的工作原理 在控制開(kāi)關(guān)在控制開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通導(dǎo)通ton期間，二極管期間

7、，二極管VD反偏，則電源反偏，則電源E通通過(guò)過(guò)L向負(fù)載供電，此間向負(fù)載供電，此間iL增加，電感增加，電感L的儲(chǔ)能也增加，這導(dǎo)的儲(chǔ)能也增加，這導(dǎo)致在電感端有一個(gè)正向電壓致在電感端有一個(gè)正向電壓uL=E-uo。這個(gè)電壓引起電感。這個(gè)電壓引起電感電流電流iL線(xiàn)性增加；如上圖線(xiàn)性增加；如上圖(a)所示。所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，關(guān)斷時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，故電流使二極管導(dǎo)通，故電流iL經(jīng)二極管經(jīng)二極管VD續(xù)流，續(xù)流，uL= -uo，電，電感感L向負(fù)載供電，電感向負(fù)載供電，電感L的儲(chǔ)能逐步消耗在的儲(chǔ)能逐步消耗在R上，電流上，電流iL下下降。如

8、上圖降。如上圖(b)所示。所示。3、數(shù)量關(guān)系、數(shù)量關(guān)系在穩(wěn)態(tài)情況下，電感電壓波形是周期性變化的，電感電壓在在穩(wěn)態(tài)情況下，電感電壓波形是周期性變化的，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為一個(gè)周期內(nèi)的積分為0，即，即 設(shè)輸出電壓的平均值為設(shè)輸出電壓的平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，上式可以表達(dá)為：，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，上式可以表達(dá)為： （E-U0）ton=U0（T-ton）即即 式中式中D為導(dǎo)通占空比；為導(dǎo)通占空比；ton為為VT的導(dǎo)通時(shí)間；的導(dǎo)通時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期。為開(kāi)關(guān)周期。通常通常tonT，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當(dāng)輸入，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當(dāng)輸入電壓電壓E不變時(shí)，輸出電壓不變時(shí)，輸出電壓

9、Uo隨占空比隨占空比D的線(xiàn)性變化而線(xiàn)性改的線(xiàn)性變化而線(xiàn)性改變，而與電路其他參數(shù)無(wú)關(guān)。變，而與電路其他參數(shù)無(wú)關(guān)。TTtLtLLonondtudtudtu 0 0 0EDETtUon 06.2.2 升壓式直流斬波電路升壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)、電路的結(jié)構(gòu)斬波開(kāi)關(guān)斬波開(kāi)關(guān)VT與負(fù)載并聯(lián)連接，儲(chǔ)能電感與負(fù)載呈串聯(lián)連接與負(fù)載并聯(lián)連接，儲(chǔ)能電感與負(fù)載呈串聯(lián)連接 2、電路的工作原理、電路的工作原理 1）當(dāng)）當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，電源導(dǎo)通時(shí)，電源E向串在回路中的電感向串在回路中的電感L充電，電感充電，電感電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時(shí)在電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時(shí)在R與與L之間的之間的二極管二

10、極管VD被反偏截止。由于電感被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流的恒流作用，此充電電流為恒值為恒值I1。另外，。另外，VD截止時(shí)截止時(shí)C向負(fù)載向負(fù)載R放電，由于放電，由于C已經(jīng)被已經(jīng)被充電且充電且C容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為U0。設(shè)設(shè)VT的導(dǎo)通時(shí)間為的導(dǎo)通時(shí)間為ton，則此階段電感，則此階段電感L上的儲(chǔ)能可以表示上的儲(chǔ)能可以表示為為 ；2）在）在VT關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感L兩端電勢(shì)極性變成左負(fù)右正，兩端電勢(shì)極性變成左負(fù)右正，VD轉(zhuǎn)為正偏，電感轉(zhuǎn)為正偏，電感L與電源與電源E疊加共同向電容疊加共同向電容C充電，向負(fù)充電，向負(fù)載

11、載R供能。如果供能。如果VT的關(guān)斷時(shí)間為的關(guān)斷時(shí)間為toff，則此時(shí)間內(nèi)電感，則此時(shí)間內(nèi)電感L釋放釋放的能量可以表示為的能量可以表示為 。on1tEIoff1o)(tIEU 3、基本數(shù)量關(guān)系、基本數(shù)量關(guān)系當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感L儲(chǔ)存的能量與釋放的儲(chǔ)存的能量與釋放的能量相等，即能量相等，即 =由上式可求出負(fù)載電壓由上式可求出負(fù)載電壓U0的表達(dá)式，即的表達(dá)式，即 U0 = 由斬波電路的工作原理可看出，周期由斬波電路的工作原理可看出，周期T toff，或，或T / toff1，故，故負(fù)載上的輸出電壓負(fù)載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓高于電路輸入電壓E，該變

12、換電路稱(chēng)為，該變換電路稱(chēng)為升壓式斬波電路。升壓式斬波電路。on1tEIoff1o)(tIEU EtTEtttoffoffoffon6.2.3 升降壓式直流斬波電路升降壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)能電感該電路的結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)能電感L與負(fù)載與負(fù)載R并聯(lián)，續(xù)流二極管并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反反向串接在儲(chǔ)能電感與負(fù)載之間。向串接在儲(chǔ)能電感與負(fù)載之間。 2、電路的工作原理、電路的工作原理 1）當(dāng)開(kāi)關(guān)）當(dāng)開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，電源導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)經(jīng)VT給電感給電感L充電儲(chǔ)能，電充電儲(chǔ)能，電感電壓上正下負(fù)，此時(shí)感電壓上正下負(fù)，此時(shí)VD被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感電壓

13、反偏，流過(guò)電壓反偏，流過(guò)VT的電流為的電流為i1（=iL），方向如上圖），方向如上圖a所示。所示。由于此時(shí)由于此時(shí)VD反偏截止，電容反偏截止，電容C向負(fù)載向負(fù)載R供能并維持輸出電供能并維持輸出電壓基本恒定，負(fù)載壓基本恒定，負(fù)載R及電容及電容C上的電壓極性為上負(fù)下正，與上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反；電源極性相反；2）當(dāng)開(kāi)關(guān)）當(dāng)開(kāi)關(guān)VT關(guān)斷時(shí)，電感關(guān)斷時(shí)，電感L電壓極性變反（上負(fù)下正），電壓極性變反（上負(fù)下正），VD正偏導(dǎo)通，電感正偏導(dǎo)通，電感L中的儲(chǔ)能通過(guò)中的儲(chǔ)能通過(guò)VD向負(fù)載向負(fù)載R和電容和電容C釋釋放，放電電流為放，放電電流為i2，電容，電容C被充電儲(chǔ)能，負(fù)載被充電儲(chǔ)能，負(fù)載R也得

14、到電感也得到電感L提供的能量。提供的能量。3、基本數(shù)量關(guān)系、基本數(shù)量關(guān)系電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)電感電壓電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)電感電壓uL對(duì)時(shí)間的積分值為對(duì)時(shí)間的積分值為零，即零，即在開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通期間，有導(dǎo)通期間，有uL=E；而在；而在VT截止期間，截止期間，uL= -u0。于是有于是有Eton=U0 toff 輸出電壓表達(dá)式可寫(xiě)成輸出電壓表達(dá)式可寫(xiě)成改變改變D輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。當(dāng)當(dāng) 時(shí)，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時(shí)為時(shí)，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時(shí)為降壓變換；降壓變換；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，斬波器輸出電壓高于輸入電

15、壓，此時(shí)為時(shí)，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時(shí)為升壓變換升壓變換。Tdtu0L0EDDEtTtEttU1ononoffon02/10 D12/1 D6.2.4 Cuk直流斬波電路直流斬波電路1、電路的特點(diǎn)、電路的特點(diǎn)Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進(jìn)電路，其原理圖斬波電路是升降壓式斬波電路的改進(jìn)電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點(diǎn)是直流輸入電流和負(fù)載輸出電及等效電路如下所示。優(yōu)點(diǎn)是直流輸入電流和負(fù)載輸出電流連續(xù)，脈動(dòng)成分較小。流連續(xù)，脈動(dòng)成分較小。 2、電路的工作原理、電路的工作原理 1）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，電源導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)經(jīng)L1VT回路給回路給L1充電充電儲(chǔ)能，儲(chǔ)能，

16、C通過(guò)通過(guò)CL2RVT回路向負(fù)載回路向負(fù)載R輸出電壓，負(fù)載輸出電壓，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)。電壓極性為下正上負(fù)。2）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)VT截止時(shí)，電源截止時(shí)，電源E通過(guò)通過(guò)L1CVD回路向回路向電容電容C充電，極性為左正右負(fù)；充電，極性為左正右負(fù)；L2通過(guò)通過(guò)L2VDRL2回回路向負(fù)載路向負(fù)載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負(fù)，與電源電輸出電壓，電壓的極性為下正上負(fù)，與電源電壓相反。壓相反。3、基本數(shù)量關(guān)系、基本數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，即在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，即設(shè)電源電流設(shè)電源電流i1的平均值為的平均值為I1，負(fù)載電流，負(fù)載電流i2的平均值為的平均

17、值為I2，開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)S接通接通B點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于VT導(dǎo)通，如果導(dǎo)通時(shí)間為導(dǎo)通，如果導(dǎo)通時(shí)間為ton，則電容電流，則電容電流和時(shí)間的乘積為和時(shí)間的乘積為I2 ton；開(kāi)關(guān)；開(kāi)關(guān)S接通接通A點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于VT關(guān)斷，如關(guān)斷，如果關(guān)斷時(shí)間為果關(guān)斷時(shí)間為toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由電容。由電容C在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零的原理可寫(xiě)出表達(dá)式在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零的原理可寫(xiě)出表達(dá)式 從而可得從而可得 TCdti00off1on2tItIEDDEtTtEttEIIU1ononoffon210忽略忽略Cuk斬波電路內(nèi)部元件斬波電路內(nèi)部元件L1、L2、

18、C和和VT的損耗，根據(jù)的損耗，根據(jù)上圖等效電路，可得到：電源輸出的電能上圖等效電路，可得到：電源輸出的電能EI1等于負(fù)載上等于負(fù)載上得到的電能得到的電能U0I2，即，即 。由此可以得出輸出電壓由此可以得出輸出電壓U0與輸人電壓與輸人電壓E的關(guān)系為的關(guān)系為 可見(jiàn)，可見(jiàn)，Cuk斬波電路與升降壓式斬波電路的輸出表達(dá)式完斬波電路與升降壓式斬波電路的輸出表達(dá)式完全相同。全相同。201IUEI EDDEtTtEttEIIU1ononoffon2106.3 直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的直流斬波器直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的直流斬波器6.3.1 不可逆不可逆PWM斬波電路斬波電路1、無(wú)制動(dòng)作用的、無(wú)制動(dòng)作用的PWM斬波電路（單象

19、限斬波器）斬波電路（單象限斬波器）下圖下圖a是無(wú)制動(dòng)作用的不可逆是無(wú)制動(dòng)作用的不可逆PWM斬波器的主電路原理圖，由于只能實(shí)斬波器的主電路原理圖，由于只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，它實(shí)際上是一個(gè)單象限斬波器?，F(xiàn)電動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，它實(shí)際上是一個(gè)單象限斬波器。（1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)電路采用電力晶體管作為控制開(kāi)關(guān)，電源電壓電路采用電力晶體管作為控制開(kāi)關(guān)，電源電壓E為不可控整流電源，采為不可控整流電源，采用大電容用大電容C濾波，負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)。二極管濾波，負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)。二極管VD在晶體管在晶體管VT關(guān)斷時(shí)給電關(guān)斷時(shí)給電樞回路提供續(xù)流回路。樞回路提供續(xù)流回路。 2、有制動(dòng)作用的、有制動(dòng)作用的PWM斬波

20、電路（二象限斬波器）斬波電路（二象限斬波器） （a）原理圖）原理圖 （b）電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形）電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 （c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形）制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 （d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形6.3.2 可逆可逆PWM斬波電路（四象限斬波器）斬波電路（四象限斬波器）可逆可逆PWM斬波器主電路的結(jié)構(gòu)有斬波器主電路的結(jié)構(gòu)有H型，型，T型等類(lèi)型，常用型等類(lèi)型，常用的是的是H型斬波器，它是由型斬波器，它是由4個(gè)電力晶體管和個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，它實(shí)際上是兩個(gè)不可逆有制動(dòng)作用的斬組成的橋式電路，它實(shí)際上是兩個(gè)不可逆有制動(dòng)作用的斬波器的組合。波器的組合。 1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VTl和和VT4同時(shí)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4；VT2和和VT3同時(shí)動(dòng)作，同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓其驅(qū)動(dòng)電壓U b2=U b3=-U b1。它們的波形示