直流直流變流電路課件

1、關于直流直流變流電路課件第一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月引言直流-直流變流電路（DC/DC Converter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 直接直流變流電路 也稱斬波電路（DC Chopper）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電。 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。 間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。 第二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1 基本斬波電路 5.1.1 降壓斬波電路 5.1.2 升壓斬波電路 5.1.

2、3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路第三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路圖5-1 降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖 b）電流連續(xù)時的波形 c）電流斷續(xù)時的波形 降壓斬波電路（Buck Chopper） 電路分析 使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設置使晶閘管關斷的輔助電路。 設置了續(xù)流二極管VD，在V關斷時給負載中電感電流提供通道。 主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現反電動勢，如圖中Em所示。 工作原理 t=0時刻驅動V導通，電源E向

3、負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升。 t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。 第四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路基本的數量關系 電流連續(xù)時 負載電壓的平均值為 負載電流平均值為 式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，為導通占空比，簡稱占空比或導通比。 電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續(xù)的情況。 斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調制（PWM）：T不變，改變ton。 頻率調制：ton不變，改變

4、T。 混合型：ton和T都可調，改變占空比(5-1)(5-2)第五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路對降壓斬波電路進行解析 基于分時段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。 電流連續(xù)時得出式中， ， ， ， ，I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒級數近似，可得 平波電抗器L為無窮大，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)第六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路(5-2)所示的關系還可從能量傳遞關系簡

5、單地推得，一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即 則假設電源電流平均值為I1，則有 其值小于等于負載電流Io，由上式得 即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。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)第七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路電流斷續(xù)時有I10=0，且t=ton+tx時，i2=0，可以得出 電流斷續(xù)時，txtoff，由此得出電流斷續(xù)的條件為 輸出電壓平均值為 負載電流平均值為 (5-16)(5-17)(5-18)(5-19)第八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路

6、例5-1 在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值極大，Em=30V，T=50s，ton=20s,計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。 解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為 第九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路例5-2 在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脈寬調制控制方式，T=20s，當ton=5s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續(xù)。 解：由題目已知條件可得：當ton=

7、5s時，有 由于 所以輸出電流連續(xù)。第十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 降壓斬波電路此時輸出平均電壓為 輸出平均電流為 輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為 第十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 升壓斬波電路0iGE0ioI1a)b)圖5-2 升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖 b）波形 升壓斬波電路 工作原理 假設L和C值很大。 V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。 V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。 基本的數量關系 當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放

8、的能量相等，即 化簡得 上式中的 (5-20)(5-21)第十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 升壓斬波電路將升壓比的倒數記作，即 ，則和導通占空比有如下關系 式（5-21）可表示為 輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容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 輸出電流的平均值Io為 電源電流I1為 (5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)第十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 升壓斬波電路例5-3 在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50

9、V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調制控制方式，當T=40s，ton=25s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。 解：輸出電壓平均值為： 輸出電流平均值為：第十四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)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a）電路圖 b）電流連續(xù)時 c）電流斷續(xù)時 典型應用 一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三是用于

10、其他交直流電源中。 以用于直流電動機傳動為例 在直流電動機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，不必并聯電容器。 基于分時段線性電路思想，電流連續(xù)時得L為無窮大時電樞電流的平均值Io為 (5-36)結束第十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 升壓斬波電路當電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間tx，即 當txt0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，txt0ff是電流斷續(xù)的條件，即 tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20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c）電流斷續(xù)時(5-

11、37)(5-38)第十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路a)圖5-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形 升降壓斬波電路 工作原理 V導通時，電源E經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。 V關斷時，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。 基本的數量關系 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即 當V處于通態(tài)期間，uL=E；而當V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是： (5-39)(5-40)第十七張，PPT共四十六頁，

12、創(chuàng)作于2022年6月5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路所以輸出電壓為：改變導通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當01/2時為降壓，當1/21時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。 電源電流i1和負載電流i2的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有 由上式可得 如果V、VD為沒有損耗的理想開關時，則輸出功率和輸入功率相等，即 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)第十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路 Cuk斬波電路 工作原理 V導

13、通時，EL1V回路和RL2CV回路分別流過電流。 V關斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 基本的數量關系 C的電流在一周期內的平均值應為零，即(5-45)第十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 由(5-45)得 從而可得 由L1和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關系 與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。(5-46)(5-47)(5-48)第二十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于

14、2022年6月5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路Sepic斬波電路 工作原理 V導通時，EL1V回路和C1VL2回路同時導電，L1和L2貯能。 V關斷時，EL1C1VD負載回路及L2VD負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉移）。 輸入輸出關系 圖5-6 a)Sepic斬波電路 (5-49)第二十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路Zeta斬波電路 工作原理 V導通時，電源E經開關V向電感L1貯能。 V關斷時，L1VDC1構成振蕩回路， L1的能量轉移至C1，能量

15、全部轉移至C1上之后，VD關斷，C1經L2向負載供電。 輸入輸出關系為 兩種電路具有相同的輸入輸出關系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。 圖5-6 b Zeta斬波電路 (5-50)第二十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 復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 5.2.2 橋式可逆斬波電路 5.2.3 多相多重斬波電路第二十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.1 電流可逆斬波電路概念 復合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成。

16、 多相多重斬波電路：相同結構的基本斬波電路組合構成 電流可逆斬波電路 斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動，降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第2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，此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。第二十四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.1 電流可逆斬波電路a)圖5-7 電流可逆斬波電路及其波形a） 電路圖 b） 波形 電路結構 V1和VD1構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。 V2和VD2構成升壓斬波電路

17、，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時導通而導致電源短路。工作過程 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。 第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。 第3種工作方式下，當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，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。 一個周期內，電流不斷，響應很快。 第二十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.2 橋式可逆斬波電路圖5-8 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向電壓，使電動機可以4象限運行。 工作過程

18、 V4導通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。 V2導通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限。第二十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.3 多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)圖5-9 多相多重斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形 多相多重斬波電路 是在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成的。 相數:一個控制周期中電源側的電流脈波數。 重數：負載電流脈波數。3相3重降壓斬波電路 電路及波形分析

19、相當于由3個降壓斬波電路單元并聯而成。 總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。 總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，所需平波電抗器總重量大為減輕。 第二十七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2.3 多相多重斬波電路 當上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相1重斬波電路，當電源為3個獨立電源，向一個負載供電時，則為1相3重斬波電路。 電源電流的諧波分量比單個斬波電路時顯著減小。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

20、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高。第二十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 帶隔離的直流直流變流電路 5.3.1 正激電路 5.3.2 反激電路 5.3.3 半橋電路 5.3.4 全橋電路 5.3.5 推挽電路 5.3.6 全波整流和全橋整流 5.3.7 開關電源第二十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 帶隔離的直流直流變流電路引言圖 5-10 間接直流變流電路的結構同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直交直電路。 采用這種結構較為復雜的電路來完成直流直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。 某些應用中需要相互隔離

21、的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于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、濾波電容的體積和重量。間接直流變流電路分為單端(Single End)和雙端(Double End)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，而雙端電路中，變壓器中的電流為正負對稱的交流電流，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。 第三十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.1 正激電路SuSiLiSOttttUiOOO圖 5-11 正激電路的原理圖圖 5-12 正激電路的理想化波形正激電路(Forward) 工作過程 開關S開

22、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關斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關斷。變壓器的勵磁電流經N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為 。第三十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.1 正激電路BRBSBHO圖 5-13 磁心復位過程變壓器的磁心復位 開關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關斷，導致變壓器的激磁電感飽和。 必須設法使激磁電流在S關斷后到下一次再開通的時間內降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復位。 變壓器的磁心復位所需的時間

23、為輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)時，在負載為零的極限情況下 (5-51)(5-52)第三十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.2 反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 5-14 反激電路原理圖圖 5-15 反激電路的理想化波形反激電路 工作過程 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，電壓為 。 工作模式 當S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到零，則稱工作于電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關系為 S開通前，W2繞組中的電流已經下降到零

24、，則稱工作于電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于（5-53）的計算值，在負載為零的極限情況下， ， 所以應該避免負載開路狀態(tài)。(5-53)第三十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.3 半橋電路圖 5-16 半橋電路原理圖圖 5-17 半橋電路的理想化波形半橋電路 工作過程 S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。 S1或S

25、2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，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。 第三十四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.3 半橋電路 由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側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。輸出電壓 濾波電感L的電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-54）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下(5-54)第三十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.4 全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2ton

26、Ttttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 5-18 全橋電路原理圖 圖 5-19 全橋電路的理想化波形全橋電路 工作過程 全橋電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 當S2與S3開通后，VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當4個開關都關斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，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。第三十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.4

27、 全橋電路 如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側產生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可在一次側回路串聯一個電容，以阻斷直流電流。 為避免同一側半橋中上下兩開關同時導通，每個開關的占空比不能超過50%，還應留有裕量。 輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-55）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下 (5-55)第三十七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.5 推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTttttttt

28、t2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 5-20 推挽電路原理圖圖 5-21 推挽電路的理想化波形推挽電路 工作過程 推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓。 S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。 當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。 第三十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3.5 推挽電路 如果S1和S2同時導通，就相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通，每個開關各自的

29、占空比不能超過50%，還要留有死區(qū)。 輸出電壓 當濾波電感L的電流連續(xù)時 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-56）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下 (5-56)第三十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電路優(yōu)點缺點功率范圍應用領域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅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小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結構復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源5.3.5 推挽電路表 5-1 各種不