電力電子電路第2章直流直流變流電路課件

1、本章主要內(nèi)容2.1降壓斬波電路2.2升壓斬波電路2.3升降壓復(fù)合斬波電路2.4庫克電路2.5 Sepic和Zeta斬波電路第2章 直流-直流變流電路2.6復(fù)合型DC-DC斬波電路2.7帶隔離的直流-直流變流電路第1頁，共62頁。2.1 降壓斬波電路(Buck) 降壓斬波電路也稱為Buck電路，降壓斬波電路的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。該電路用GTR作為全控器件開關(guān)VT，電感和電容構(gòu)成低通濾波器，二極管VD提供續(xù)流通道。第2頁，共62頁。2.1 Buck電路-等效原理圖第3頁，共62頁。2.1 Buck電路-電流連續(xù)模式第4頁，共62頁。2.1 Buck電路-電流臨界斷續(xù)模式當(dāng)?shù)?頁，共62頁

2、。2.1 Buck電路-電流斷續(xù)模式第6頁，共62頁。2.1 Buck電路-電流斷續(xù)模式第7頁，共62頁。例2-1 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=200V，R=10，L值極大，Ts=50 s，ton=20s，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。若存在負(fù)載Em=20V，求輸出電流平均值Io。 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 輸出電流平均值為2.1 Buck電路-例題 若存在負(fù)載Em=20V，輸出電流平均值為第8頁，共62頁。例2-2 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功

3、率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)時(shí)的電感值。解: (1)輸入電壓的變化值為2.1 Buck電路-例題占空比變化范圍為第9頁，共62頁。例2-2 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)時(shí)的電感值。解: (2)因?yàn)镮L= Io,當(dāng)負(fù)載最小，占空比最小時(shí)，所需要的電感越大，當(dāng)Uo不變時(shí)，由式(2-5)得2.1 Buck電路-例題第10頁，共6

4、2頁。2.2 升壓斬波電路（Boost）升壓斬波電路也稱為Boost電路。升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。升壓斬波電路的一個(gè)典型應(yīng)用是用作單項(xiàng)功率因數(shù)校正（PDC）電路。電路中的電容C起濾波作用，二極管VD提供續(xù)流通道。第11頁，共62頁。2.2 Boost電路-等效原理圖第12頁，共62頁。2.2 Boost電路-電流連續(xù)模式第13頁，共62頁。因?yàn)?.2 Boost電路-電流臨界斷續(xù)模式第14頁，共62頁。當(dāng)2.2 Boost電路-電流臨界斷續(xù)模式當(dāng)?shù)?5頁，共62頁。2.2 Boost電路-電流斷續(xù)模式第16頁，共62頁。2.2 Boost電路-電流斷續(xù)模式第17頁，共62頁。例

5、2-3 在圖2-5所示的升壓斬波電路中，已知Ud=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)TS=40s，ton=25s時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。輸出電流平均值為： 解：輸出電壓平均值為： 2.2 Boost電路-例題第18頁，共62頁。2.3升降壓復(fù)合斬波電路(Buck-Boost)電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，輸入端經(jīng)VT和電感構(gòu)成電流通道，提供能量給電感，二級(jí)管反向偏置，電感電流增大，負(fù)載電流由電容器上存儲(chǔ)的能量提供。當(dāng)VT斷開時(shí)，電感中的自感電勢(shì)使二級(jí)管導(dǎo)通，存儲(chǔ)在電感中的能量經(jīng)二級(jí)管傳遞給電容和輸出負(fù)載。電感電流減小，電

6、路輸出電壓是負(fù)的。第19頁，共62頁。2.3 Buck-Boost等效原理圖+-+第20頁，共62頁。2.3 Buck-Boost -電流連續(xù)模式當(dāng)占空比D大于0.5時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓；當(dāng)占空比D小于0.5時(shí)，輸出電壓低于輸入電壓，因此，改變占空比就可以得到期望的輸出電壓值。 第21頁，共62頁。因2.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式得第22頁，共62頁。當(dāng)當(dāng)2.3 Buck-Boost 電流臨界斷續(xù)模式第23頁，共62頁。2.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式第24頁，共62頁。例2-4 升降壓復(fù)合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud

7、=15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。解:2.3 Buck-Boost 例題若工作于連續(xù)電流模式則帶入2-37，可得D=0.4時(shí)電流臨界連續(xù)的負(fù)載電流IoB第25頁，共62頁。例2-4 升降壓復(fù)合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud=15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。解:2.3 Buck-Boost 例題因輸出電流Io=1A0且VT1導(dǎo)通過程。直流側(cè)電源通過VT1向負(fù)載供電，輸出電壓uo=ui，此時(shí)輸出電流io增加，負(fù)載電感和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也增加。由于io0且uo0，因此電路工作在第一象限。第39頁，共62

8、頁。2.6 二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路 (2)(2) 輸出電流io0且VT1關(guān)斷過程。由于電感電流不能突變，因此VD2導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓uo=0，此時(shí)VT2承受反壓而不能導(dǎo)通，因此輸出電流減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也減小。由于io0且uo=0，因此電路工作在第一象限。第40頁，共62頁。2.6 二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路 (3)(3) 輸出電流io0且VT2導(dǎo)通過程。負(fù)載電動(dòng)勢(shì)通過VT2向負(fù)載電阻和電感供電，輸出電壓uo=0，此時(shí)輸出電流io反向增加，負(fù)載電感儲(chǔ)能也增加。由于io0且uo=0，因此電路工作在第二象限。第41頁，共62頁。2.6 二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路 (4)(4) 輸出電

9、流io0且VT2關(guān)斷過程。由于電感電流不能突變，因此VD1導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓uo=ui，因VT1承受反壓而不能導(dǎo)通，因此輸出電流減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也減小。由于io=0斬波電路運(yùn)行在一二象限； 第43頁，共62頁。2.6 四象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(2)(2)當(dāng)VT2保持導(dǎo)通時(shí)，利用VT3、VT4進(jìn)行斬波控制，則構(gòu)成了另一組電流可逆的二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路，此時(shí)uAB=0 ，斬波電路運(yùn)行在三、四象限。 第44頁，共62頁。2.6 多相多重DC-DC斬波電路所謂的“相”是指斬波電路輸入側(cè)（電源端）的各移相斬波控制的支路相數(shù)，而所謂的“重”則是指斬波電路輸出側(cè)（負(fù)載端）的各移相斬波控

10、制的支路重疊數(shù)。 第45頁，共62頁。2.7 帶隔離的直流-直流變流電路2.7.1 正激電路2.7.2 反激電路 2.7.3 半橋式降壓電路2.7.4 全橋式降壓電路2.7.5 推挽電路2.7.6 全波整流和全橋整流 第46頁，共62頁。2.7 正激電路輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 第47頁，共62頁。2.7 正激電路-磁芯復(fù)位(1)開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，U2=N2*US/N1, 電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。VT截止時(shí)變壓器原邊電流經(jīng)D3、DW續(xù)流，磁場(chǎng)能量主要消耗在穩(wěn)壓管DW上。VT承受的最高電壓為US+UDW。第48頁，共62頁。2.7 正激電路-磁芯復(fù)位(2)VT導(dǎo)通時(shí)，電源能量經(jīng)變壓

11、器傳遞到負(fù)載側(cè)。VT截止時(shí)，由于電感電流不能突變，線圈N1會(huì)產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電勢(shì)e1。同時(shí)線圈N3也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e3=N3*e1/N1，當(dāng)e3=US時(shí)，D3導(dǎo)通。磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到電源US中，此時(shí)VT上承受的最高電壓為US+ N1*US/N3第49頁，共62頁。2.7 反激電路輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 第50頁，共62頁。2.7 反激電路輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) N2N1N1N2第51頁，共62頁。2.7半橋式隔離的降壓電路（1）VT1開通，VT2關(guān)斷時(shí)，電源及C1上儲(chǔ)能經(jīng)變壓器傳遞到副邊，此時(shí)電源經(jīng)VT1、變壓器向C2充電，C2儲(chǔ)能增加。同時(shí)D4 導(dǎo)通。N2N1N2第52頁，

12、共62頁。2.7半橋式隔離的降壓電路（2）當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電流為零，D3和D4都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。N2N1N2第53頁，共62頁。2.7半橋式隔離的降壓電路（3）電容C1、C2上電壓為US/2，當(dāng)VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通時(shí)，電源及電容C2上儲(chǔ)能傳到副邊。電源經(jīng)變壓器、VT2向C1充電，C1儲(chǔ)能增加。同時(shí)D3導(dǎo)通。N2N1N2輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 第54頁，共62頁。2.7全橋式隔離的降壓電路（1） VT1與VT4開通后，D1處于通態(tài)，電感L電流逐漸上升。 VT2與VT3開通后D2處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，D1和D2都處于通態(tài)，

13、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(shí)承受峰值電壓均為Us。第55頁，共62頁。2.7全橋式隔離的降壓電路（2）輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 第56頁，共62頁。2.7推挽電路(1)推挽電路 工作過程 推挽電路中開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓。 S1導(dǎo)通時(shí)，VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，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(shí)承受的峰值電壓均為2倍Ui。 第57頁，共62頁。2.7推挽電路(2) 如果S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器

14、一次側(cè)繞組短路，每個(gè)開關(guān)占空比不能超過50%，要留有死區(qū)。 輸出電壓 當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí) (2-78) 第58頁，共62頁。電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵(lì)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(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒有變壓器偏磁問題，

15、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(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源各種不同的間接直流變流電路的比較第59頁，共62頁。2.8 全波整流電路雙端電路中常用整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。全波整流電路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流回路中只有一個(gè)二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個(gè)二極管，元件數(shù)較少。 缺點(diǎn)：二極管斷態(tài)時(shí)承受的反壓較高，對(duì)器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 適用場(chǎng)合：輸出電壓較低的情況下（100V）。第60頁，共62頁。2.8 全橋整流電路全橋電路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組簡(jiǎn)