電力電子技術第5章--直流-直流變換電路課件

1、第5章 直流-直流變換電路 5.1 直流斬波器1、概述將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關型DC/DC變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關斷只能通過強迫換流措施來實現。造成線路的復雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以具有自關斷能力的全控型電力電子器件作為開關器件。2、直流斬波器的基本結構和工作原理 下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開關S可以是各種全控型電力電子開關

2、器件，輸入電源電壓Us為固定的直流電壓。當開關S閉合時，直流電流經過S給負載RL供電；開關S斷開時，直流電源供給負載RL的電流被切斷，L的儲能經二極管VD續(xù)流，負載RL兩端的電壓接近于零。 (a)電路結構原理圖 （b）電壓波形圖圖5-1 PWM原理圖3、直流斬波器的分類直流斬波器按照調制形式可分為1）脈沖寬度調制(PWM)；2）脈沖頻率調制(PFM)；3）混合調制。按變換電路的功能分類有1）降壓式直流-直流變換(Buck Converter)；2）升壓式直流-直流變換(Boost )；3）升-降壓復合型直流-直流變換(Boost-Buck )，包括幾種特殊的升-降壓變換電路；4）全橋式直流-直

3、流變換(Full Bridge)。按輸入直流電源和負載交換能量的形式又可分為1）單象限直流斬波器；2）二象限直流斬波器。4、直流斬波器中電感、電容的基本特性（1）電感電壓的伏秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，變換器中的電感電壓必然周期性重復，由于每個開關周期中電感的儲能為零，并且電感電流保持恒定，因此，每個開關周期中電感電壓（2）電容電流的安秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，開關變換器中的電容電流必然周期性重復，每個開關周期中電容的儲能為零，并且電容電壓保持恒定，因此，每個開關周期中電容電流5.2 單管非隔離直流斬波器5.2.1、降壓式直流斬波電路1、電路結構電路中的VT采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在VT關斷時為電

4、感L儲能提供續(xù)流通路；L為能量傳遞電感，C為濾波電容，R為負載；Us為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。 圖5-32、工作原理 1）在控制開關VT導通ton期間，二極管VD反偏，則電源Us通過L向負載供電，此間iL增加，電感L的儲能也增加，在電感端有一個正向電壓uL=Us-uo，左邊正右邊負。這個電壓引起電感電流iL線性增加；如上圖(a)所示。2、工作原理 2）在開關管VT關斷時，電感中儲存的電能產生感應電勢，使二極管導通，故電流iL經二極管VD續(xù)流，uL=-uo（原方向設為正），電感L向負載供電，電感L的儲能逐步消耗在R上，電流iL下降。如上圖(b)所示。圖5-5 電流連續(xù)工作模式波形圖3、

5、基本數量關系根據電感電壓的伏秒平衡特性 設輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達為： 即 式中D為導通占空比；ton為VT的導通時間；T為開關周期。通常tonT，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當輸入電壓Us不變時，輸出電壓Uo隨占空比D的線性變化而線性改變，而與電路其他參數無關。5.2.2 升壓式直流斬波電路1、電路的結構斬波開關VT與負載并聯連接，儲能電感與負載呈串聯連接 圖5-62、工作原理 1）VT導通時，Us向串在回路中的電感L充電，電感電壓左正右負；而負載電壓上正下負，此時二極管VD被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流為恒值IL。又VD截止時C向負載R放電，由于C

6、已經被充電且C容量很大，所以負載電壓保持為一恒值，記為U0。設VT的導通時間為ton，在此階段電源Us全部加在電感L上，則Us=uL ；2、工作原理 2）在VT關斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左負右正，VD轉為正偏，電感L與電源Us疊加共同向電容C充電，向負載R供能。如果VT的關斷時間為toff，則此時間內電感電壓為 。圖5-8 Boost變換器電流連續(xù)工作模式波形圖3、基本數量關系根據電感電壓的伏秒平衡特性 設輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達為： 即 由斬波電路的工作原理可看出，周期T toff，或T / toff1，故負載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓Us，該變換電路稱為

7、升壓式斬波電路。5.2.3 升降壓式直流斬波電路1、電路的結構該電路的結構是儲能電感L與負載R并聯，續(xù)流二極管VD反向串接在儲能電感與負載之間。 圖5-9 升-降壓式斬波電路及工作波形2、工作原理 1）當開關VT導通時，電源Us經VT給電感L充電儲能，電感電壓上正下負，此時VD被負載電壓（下正上負）和電感電壓反偏，流過VT的電流為iT（=iL），方向如上圖a所示。由于此時VD反偏截止，電容C向負載R供能并維持輸出電壓基本恒定，負載R及電容C上的電壓極性為上負下正，與電源極性相反；此階段2、工作原理 2）當開關VT關斷時，電感L電壓極性變反（上負下正），VD正偏導通，電感L中的儲能通過VD向負載

8、R和電容C釋放，放電電流為iL，電容C被充電儲能，負載R也得到電感L提供的能量。圖5-11 Buck-Boost變換器電感電流連續(xù)工作模式波形圖3、基本數量關系根據電感電壓的伏秒平衡特性有在開關VT導通期間，有uL=Us；而在VT截止期間，uL= -u0。于是有Uston=U0 toff 輸出電壓表達式可寫成改變D輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。當 時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；當 時，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時為升壓變換。5.2.4 Cuk直流斬波電路1、電路結構Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點是直流輸入電流和負

9、載輸出電流連續(xù)，脈動成分較小。 圖5-12 Cuk斬波電路2、工作原理 1）當控制開關VT導通時，電源Us經L1VT回路給L1充電儲能，C通過CL2RVT回路向負載R輸出電壓，負載電壓極性為下正上負。2）當控制開關VT截止時，電源Us通過L1CVD回路向電容C充電，極性為左正右負；L2通過L2VDRL2回路向負載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負，與電源電壓相反。圖5-14 Cuk變換器連續(xù)工作模式波形圖輸出可寫成 5.2.5 Sepic直流斬波電路1、電路結構Sepic變換器是正輸出變換器，其輸出電壓極性和輸入電壓極性相同。 圖5-15 Sepic直流斬波電路2、工作原理 （1）VT導通時，V

10、D截止。變換器有三個電流回路：1）第一個是電源US經L1VT回路給L1充電儲能，uL1的極性是左正右負，輸入環(huán)路電流為i1；2）第二個是C1VTL2回路，C1放電，L2儲能，uL2的極性是下正上負，C1將能量轉移到L2上；3）第三個是C2向負載R供電的回路。開關管VT中流過的電流為iT= i1+i2。負載電壓極性為上正下負。輸入輸出閉合環(huán)路如圖5-16(a)所示。圖5-16(a)開關管VT導通2、工作原理 （2）VT截止時，VD導通，此時形成兩個電流回路：1）第一個是電源USL1C1VD負載的回路。US和L1儲能同時向C1和負載饋送，uL1的極性是左負右正，C1儲能增加，極性左正右負，C2充電

11、，L1儲能減少。2）第二個是L2VD負載的續(xù)流回路，L2釋放儲能到C2和負載。環(huán)路如圖5-16(b)所示，C2極性為上正下負；負載R電壓極性為上正下負。此時流過VD的電流為iD= i1+ i2。圖5-16(b)開關管VT截止（1）開關管VT導通時 1）在電流回路1中，電源電壓US直接加在電感Ll上，則uL1=Us； 2）在電流回路2中，電容電壓UC1直接加在電感L2上，則uC1= uL2； 3）在電流回路3中，UC2=U0。由于C2容量很大，uC2電壓變化不大，則UC2=U0。 （2）開關管VT截止時 1）在電流回路1中，電感Ll上的電壓-uL1= UC1+UC2+ Us； 2）在電流回路2中

12、，-uL2=UC2=U03、數量關系5.2.6 Zeta直流斬波電路1、電路結構Zeta斬波器也是正輸出變換器，其輸出電壓極性和輸入電壓極性相同。 圖5-17 Zeta直流斬波電路2、工作原理 （1）當VT導通時，VD關斷。變換器有二個電流回路：1）第一個是電源USVTL1回路，在US作用下L1儲能，uL1的極性是上正下負，環(huán)路電流為i1；2）第二個是USVT C1L2負載回路，US與C1放電，L2儲能，uL2的極性是左正右負，C2充電，負載電壓極性為上正下負。開關管VT中流過的電流為iS= i1+ i2。閉合環(huán)路如圖5-18(a)所示。圖5-18(a)開關管VT導通2、工作原理 （2）當控制

13、開關VT截止時，VD導通。L1和L2通過VD續(xù)流，形成兩個續(xù)流回路：1）第一個由L1VDC1構成，電感L1儲能向C1轉移；uL1的極性是下正上負，C1儲能增加，極性右正左負。2）第二個是VDL2負載的續(xù)流回路，L2和C2的儲能釋放到負載。環(huán)路如圖5-18(b)所示，C2極性為上正下負；負載R電壓的極性為上正下負。此時流過VD的電流為iD= i1+ i2。圖5-18(b)開關管VT截止（1）開關管VT導通時，工作狀態(tài)如圖5-18(a)所示。 1）在電流回路1中，電源電壓US直接加在電感Ll上，則uL1=Us； 2）在電流回路2中， 有US+UC1= uL2+UC2= uL2+ U0，則； uL2

14、=US+UC1 -UC2= US+UC1 - U0 （2）開關管VT截止時，工作狀態(tài)如圖5-18(b)。 1）在電流回路1中，電感Ll上的電壓-uL1=UC1； 2）在電流的回路2中，-uL2=UC2=U0。3、數量關系5.2.7 電流可逆二象限直流斬波電路 將降壓斬波與升壓斬波電路組合在一起，可構成電流可逆二象限直流斬波電路，它適用于直流電機的正轉電動運行和正轉回饋制動運行。1、電路結構 (a)電路圖 (b)波形圖5-19 電流可逆直流斬波電路及其波形該電路有三種運行方式：（1）降壓斬波運行：VT1和VD1構成降壓斬波電路，由電源向直流電機供電，電機為電動運行，工作于I象限，此時VT2和VD

15、2總處于斷態(tài)；（2）升壓斬波運行：VT2和VD2構成升壓斬波電路，把電機的動能轉變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗姍C作回饋制動運行，工作于II象限，此時VT1和VD1總處于斷態(tài)；（3）雙組交替運行:在一個周期內交替地作為降壓斬波和升壓斬波工作。在這種運行方式中，VT1、VT2被交替驅動，電機電流不會斷續(xù)。（1）當VT1導通時，電源為負載提供正向電流，并逐漸增大；（2）VT1關斷后，電感L經VD1續(xù)流釋放能量，電流下降直至為零。（3）使VT2導通，電機的反電勢EM驅使電樞電流反向，并逐漸增大，L存儲能量；（4）VT2關斷后，L中產生負的感應電勢，與EM串聯，經VD2導通，向電源反饋能量。當L儲能釋放完畢，反

16、向電流降為零時，再次使VT1導通，又有正向電流流通，如此循環(huán)，兩個斬波電路交替工作。其輸出電壓、輸出電流波形如圖5-19(b)所示。5.2.8 電壓可逆二象限直流斬波電路 將降壓斬波電路與升壓斬波電路組合在一起，還可以構成電壓可逆的二象限斬波電路。它適用于直流電動機的正轉電動運行和反轉回饋制動運行，即提升機負載。1、電路結構圖5-20 電壓可逆二象限直流斬波電路該電路也有三種運行方式：（1）降壓斬波運行：即VT1、VD1構成降壓斬波電路，由電源向電機傳輸能量，電機電動運行，工作于I象限，此時VT2持續(xù)導通，VD2截止；（2）升壓斬波運行：當負載下降時，電機反轉，電樞電勢反向，右正左負，VT2、

17、VD2構成升壓斬波，由電機向電源回饋能量，電機反轉制動，工作于第四象限，此時VT1截止，VD2導通；（3）雙組同時運行：當VT1、VT2同時導通時，電流i0上升；當VT1、VT2同時關斷時，VD1、VD2同時導通，電流i0下降。調節(jié)VT1、VT2的導通占空比D，可以使電機工作于不同的工作狀態(tài)。當電動機反轉制動時，占空比必須小于0.5，當電動機正轉時，占空比應大于0.5。5.2.9 H橋式直流斬波電路1、電路的特點 全橋斬波電路有兩個橋臂，每個橋臂由兩個斬波控制開關VT及與它們反并聯的二極管組成。優(yōu)點是變換器可以在四象限運行 。 圖5-21 2、工作原理 如果變換器同一橋臂的兩個開關管VT在任一

18、時刻都不同時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關管的狀態(tài)決定。以負直流母線N為參考點，U點的電壓uUN由如下的開關狀態(tài)決定：當VT1導通時，正的負載電流io將流過VT1；或當VD1導通時，負的負載電流io將流過VD1，則U點的電壓為：uUN=Us 類似地，當VT2導通時，負的負載電流io將流入VT2；或當VD2導通時，正的負載電流io將流過VD2，則U點的電壓為：uUN=0綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導通還是下半部分導通，而與負載電流io的方向無關，因此UUN為： 式中，ton和toff分別是VT1的導通和斷開時間，DVT1是開關管VT1的占空比。由此可知，UUN僅取決于輸入電壓

19、E和VT1的占空比DVT1。類似地， 因此，輸出電壓Uo(=UUN-UVN)也與變換器的輸入電壓Us、開關占空比DVT1和DVT3有關，而與負載電流io的大小和方向無關如果變換器同一橋臂的兩個開關管同時處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關系，所以應該避免兩個開關管同時處于斷開的情況發(fā)生。 3、全橋式變換器有三種PWM的控制方式： 1）雙極性PWM控制方式 在該控制方式下，圖中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被當作兩對開關管，每對開關管都是同時導通或斷開的。 2）單極性PWM控制方式 在該控制方式下，每個橋臂的開關管是單獨

20、控制的。 全橋式直流-直流變換器的輸出電流即使在負載較小的時候，也沒有電流斷續(xù)現象。 3）接受限單極式PWM控制方式5.3 變壓器隔離的直流-直流變換器 許多場合要求輸入輸出間實現電隔離，在基本的非隔離DC-DC變換器中加入變壓器，就可派生出帶隔離變壓器的DC-DC變換器。在這類變換器中，變壓器的作用主要是隔離，一定情況下也能起到變壓的作用。應用在DC-DC變換器中的變壓器是高頻變壓器，工作原理與其他類型的變壓器不同，鐵芯必須加氣隙。 由于變壓器可插在基本變換電路中的不同位置，從而可得到多種形式的變壓器隔離的變換器主電路。下面介紹常見的單端正激變換器，反激變換器，半橋及全橋式降壓變換器等 5.

21、3.1 單端正激變換器1、電路結構 單端正激變換器由Buck變換器派生而來。下圖(a)為Buck變換器的原理圖，在虛線的位置插入一個隔離變壓器，即可得到圖 (b)的單端正激變換器。(a)Buck變換器 (b)理想的單端正激變換器圖5-22 單端正激變換器結構2、工作原理 1）開關管VT導通時，工作狀態(tài)如圖5-23(a)所示，根據圖中的同名端表示，可以知道變壓器副邊也流過電流，VD1導通，VD2截止，電感電壓為左正右負，變壓器副邊的電流線性上升，電源能量經變壓器傳遞到負載側。在開關管VT導通期間，電感電壓 圖5-23(a)2、工作原理 2）開關管VT截止時，工作狀態(tài)如圖5-23(b)所示，變壓器

22、副邊沒有電流流過，負載電流經反并聯二極管VD2續(xù)流。在開關管VT斷開期間，電感電壓為負，電流線性下降。電感電壓圖5-23(b)在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓符合伏秒平衡特性，在一個周期內積分為零。因此由上式可見，單端正激變換器電壓增益與開關導通占空比成正比，這與Buck變換器類似，不同的是比后者多了一個變壓器的變比。正激變換器是具有隔離變壓器的降壓變換器，因而具有降壓變換器的一些特性。得5.3.2 單端反激變換器1、電路結構反激變換器電路如圖5-24所示。與升-降壓變換器相比較，反激變換器用變壓器代替了升-降壓變換器中的儲能電感。這里的變壓器除了起輸入輸出電隔離作用外，還起儲能電感的作用。 圖5-24 單端反激變換器電路原理圖2、工作原理 1）當開關管VT導通時，VD1承受反壓，此時變壓器副邊相當于開路，原邊相當于一個電感。電源US向變壓器原邊輸送能量，并以磁場形式存儲起來。 2）當開關管VT截止時，線圈中磁場儲能不能突變，將會在變壓器副邊產生上正下負的感應電勢，該感應電勢使VD1承受正向電壓而導通，從而磁場儲能轉移到負載上。