電力電子技術(shù)（第2版） 第3章 直流變換電路

3-1第3章直流-直流變換電路3.1

直流-直流變換電路的工作原理3.2

基本斬波電路3.3間接直流-直流變換電路3.4直流-直流變換電路的應(yīng)用3-2第3章直流-直流變換電路·引言直流-直流變換電路：將一種直流電變換為另一電壓固定或電壓可變的直流電。按電能變換方式分類

★直接直流變換電路：將一種直流電直接變換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，也稱為直流斬波電路(DCChopper)，輸入輸出之間無隔離。★間接直流變換電路：直流輸入和輸出之間加入交流環(huán)節(jié)，通常采用變壓器實現(xiàn)隔離。用途：無軌電車、地鐵、電動汽車等的無級變速控制，高頻開關(guān)電源等。3-33.1直流-直流變換電路的工作原理直流變換電路利用電力電子開關(guān)器件周期性的開通和關(guān)斷，將直流電源提供的直流電變換成一定頻率的脈沖列，然后通過濾波電路變成滿足負載要求的直流電能。在分析電路電子電路時，為了研究方便，通常將電路中的器件理想化

★理想開關(guān)。所有電力電子元器件都具有理想特性：無損耗、無慣性。即通態(tài)電阻為零、管壓降為零，斷態(tài)電阻為無窮大、漏電流為零，且開通和關(guān)斷時間瞬間完成，開關(guān)損耗零。★理想電源。直流電源是內(nèi)阻為零的恒壓源。注意：實際情況，不存在理想元器件！3-43.1直流-直流變換電路的工作原理最基本的直流-直流變換電路

純電阻負載特點：負載兩端電壓與電流波形成正比

.分析

★S閉合，期間，負載兩端流過電流，承受電壓為，大小為電源電壓?！颯斷開，期間，負載兩端無電流流過，電壓為0

。負載兩端的電壓為矩形波，此電路稱為斬波電路。電力電子開關(guān)純電阻負載3-53.1直流-直流變換電路的工作原理定義上述電路中開關(guān)的占空比

占空比為0~1之間的系數(shù)。由波形圖可得輸出電壓平均值

改變的值就可以改變輸出電壓平均值的大小。3-63.1直流-直流變換電路的工作原理由上述公式可知：改變占空比的值就可以改變輸出電壓平均值的大小。而的改變可以通過改變導(dǎo)通時間或工作周期T來實現(xiàn)。根據(jù)對輸出電壓調(diào)制方式不同，斬波電路控制方式有三種：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM）方式：保持開關(guān)周期T不變，控制開關(guān)導(dǎo)通時間。

頻率調(diào)制方式：保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，又稱為調(diào)頻型。

混合型：開關(guān)導(dǎo)通時間和周期T都可以調(diào)，使占空比改變。3-73.2

基本斬波電路3.2.1

降壓斬波電路3.2.2

升壓斬波電路3.2.3

升降壓斬波電路3.2.4

庫克斬波電路3-83.2.1

降壓斬波電路

電路結(jié)構(gòu)

全控型器件

IGBT續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。

降壓斬波電路（BuckChopper)3.2.1

降壓斬波電路工作原理t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，電感有阻礙電流變化的作用，使得流過電感的電流不能突變，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)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。動畫演示。3-103.2.1

降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負載電壓平均值：（3.3）（3.4）ton——V通的時間toff——V斷的時間a--占空比

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。負載電流平均值：降壓斬波電路3-113.2.1

降壓斬波電路對降壓斬波電路的電流連續(xù)和斷續(xù)情況進行分析V處于通態(tài)時，負載電流為電流的初始值為，負載常數(shù)，則V處于斷態(tài)時，負載電流為電流的初始值為V在斷態(tài)時的初始值就是通態(tài)時的終值V在通態(tài)時的初始值就是斷態(tài)時的終值3-123.2.1

降壓斬波電路將上兩式子用泰勒級數(shù)近似，則有上式說明電感L無窮大時，負載電流的最大值、最小值相等，都等于負載電流的平均值，即當電感值極大時，負載電流幾乎為幅值為的一條水平線。3-133.2.1

降壓斬波電路假設(shè)負載中電感值較小，則有可能出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。因為電流斷續(xù)時有，當時，，則

電流斷續(xù)時，，故可得電流斷續(xù)的條件為根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)做出判斷。3-143.2.1

降壓斬波電路同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導(dǎo)

由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變

電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為

在整個周期T中，負載消耗的能量為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。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。例3-1：在圖3.2(a)所示的降壓斬波電路中，已知電源電壓，，電感L值極大，反電勢，，，計算占空比，輸出電壓平均值，輸出電流平均值。解：占空比由于L值極大，負載電流連續(xù)，故輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為降壓斬波電路3-173.2.2升壓斬波電路

升壓斬波電路（BoostChopper）保持輸出電壓升壓電感儲存電能

電路結(jié)構(gòu)1)升壓斬波電路的基本原理3-183.2.2升壓斬波電路工作原理假設(shè)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。動態(tài)演示。3-193.2.2升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（3-14）（3-13）化簡得：

，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

3-203.2.2升壓斬波電路升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，主要由如下原因：①電感L儲能使提供給負載的電壓升高；②電容C可將輸出電壓保持住，在器件V通態(tài)時，提供能量給負載。例3-2：在圖3.3(a)所示的升壓斬波電路中，已知電源電壓，，電感L值和電容C值極大，，，計算占空比，輸出電壓平均值，輸出電流平均值。解：占空比輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為3-223.2.3升降壓斬波電路

升降壓斬波電路(buck-boostChopper)

電路結(jié)構(gòu)3-233.2.3升降壓斬波電路基本工作原理V通時，電源E經(jīng)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。動態(tài)演示。3-243.2.3升降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即所以輸出電壓為：（3-15）V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo當0<a<1/2時為降壓，當1/2<a<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路,也有稱之為buck-boost變換器。3-253.2.4庫克斬波電路前面幾種斬波電路都具有直流電壓變換功能，但在電流不連續(xù)情況下，電路輸入輸出端的電流是脈動的，會使電路的變換效率變低。庫克斬波電路屬于升降壓斬波電路，圖中電感和為儲能電感，VD是快恢復(fù)續(xù)流二極管，C是傳遞能量的電容。這種電路的特點是，輸出電壓與輸入電壓極性相反，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。3-263.2.4庫克斬波電路V通時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有電流。V斷時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。3-273.2.4庫克斬波電路對于電感：數(shù)量關(guān)系電感上和的電壓在一個周期內(nèi)的積分都等于零。

在期間，；在期間，；又因為，則有對于電感：在期間，；在期間，；則3-283.2.4庫克斬波電路上式中負號表示輸出與輸入電壓極性相反。當時，；當時，，為降壓變換；當時，，為升壓變換。在不計器件損耗時，輸出功率等于輸入功率。3.3間接直流-直流變換電路

3.3.1正激變換電路

3.3.2反激變換電路

3.3.3推挽式變換電路

3.3.4半橋式變換電路

3.3.5全橋式變換電路

3.3間接直流-直流變換電路■間接直流-直流變換電路即是在基本的斬波電路中引入隔離變壓器，可以使變換器的供電電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性。

■采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(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小于1或遠大于1?！鲩g接直流變流電路分為單端(SingleEnd)和雙端(DoubleEnd)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。

3.3.1正激變換電路◆工作過程

?S閉合后，變壓器T一次繞組中隨著電流的增加在其兩端產(chǎn)生上正下負的電壓，同時將能量傳遞到二次繞組兩端，產(chǎn)生上正下負的電壓，導(dǎo)通，反向截止，逐漸增大，同時提供給負載；

?S斷開后，電感L通過續(xù)流，關(guān)斷，逐漸減小，儲存在電感L中的能量提供電流給負載。3.3.1正激變換電路◆變壓器的磁心復(fù)位

?開關(guān)S開通后，變壓器的勵磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的磁芯飽和。

?必須設(shè)法使勵磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。

?故在電路中設(shè)置了變壓器的第三繞組，稱為箝位（或回饋）繞組，其匝數(shù)與一次繞組相同。

?變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為◆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

3.3.1正激變換電路◆正激變換電路優(yōu)缺點

?優(yōu)點：電路簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單；

?缺點：變壓器單向勵磁，利用率低?！粽ぷ儞Q電路適用范圍

?主要適用于輸出功率范圍較大（幾百瓦至幾千瓦）的場合；

?廣泛應(yīng)用在通信電源、各種中小功率電源中。3.3.2反激變換電路■反激電路

◆工作過程

?S閉合時，輸入電源電壓E加到變壓器T一次繞組上，變壓器儲存能量。根據(jù)變壓器同名端的極性，可知變壓器二次繞組上的感應(yīng)電動勢為下正上負，二極管VD截止，二次繞組中沒有電流流過。

?S關(guān)斷時，變壓器二次繞組中的感應(yīng)電動勢極性為上正下負，二極管VD導(dǎo)通，在S閉合期間儲存在變壓器中的能量通過VD向負載釋放

。

3.3.2反激變換電路■反激電路?在反激變換電路工作過程中，變壓器起著儲存能量的作用。

?在開關(guān)S關(guān)斷時，其兩端承受的電壓為:

◆工作模式

?S開通時，變壓器二次繞組中電流尚未下降到零，則稱工作于電流連續(xù)模式。

?S開通前，二次繞組中的電流已經(jīng)下降到零，則稱工作于電流斷續(xù)模式。

反激式電路的優(yōu)缺點跟正激變換電路幾乎相同，但是反激式變換電路難以達到較大的功率。廣泛應(yīng)用于幾百瓦以下的小功率電子設(shè)備、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備的電源中。3.3.3推挽式變換電路◆工作過程

?兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N’1兩端分別形成相位相反的交流電壓。

?S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)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(guān)都關(guān)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E。

3.3.3推挽式變換電路?如果S1和S2同時導(dǎo)通，就相當于變壓器一次側(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將高于上的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下

推挽式電路的優(yōu)點是：變壓器雙向勵磁，驅(qū)動簡單。適用于幾百瓦至幾千瓦的低輸入電壓的電源中。3.3.4半橋式變換電路

◆工作過程

?S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為E/2的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。

?S1導(dǎo)通時，VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，VD2處于通態(tài)，當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，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S2導(dǎo)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)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E。3.3.4半橋式變換電路?由于電容的隔直作用，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?！糨敵鲭妷?/p>

?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將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下3.3.4半橋式變換電路◆半橋式變換電路優(yōu)缺點

?優(yōu)點：在前半個周期內(nèi)流過變壓器的電流與后半個周期流過的電流大小相等、方向相反，變壓器的磁心工作在磁滯回線的兩端，磁心得到充分利用；由于電容的充放電作用，會抑制由于開關(guān)導(dǎo)通時間長短不同而造成磁心偏磁的現(xiàn)象；變壓器雙向勵磁，開關(guān)較少，成本低；

?缺點：可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路?！暨m用范圍

?適用于數(shù)百瓦至數(shù)千瓦的低輸入電壓的電源中。3.3.5全橋式變換電路■全橋電路

◆工作過程

?全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為E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(guān)都關(guān)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E。3.3.5全橋式變換電路

?如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)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(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，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)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)的占空比不能超過50%，還應(yīng)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將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下

電路優(yōu)點缺點功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)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(qū)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(shè)備、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結(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(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(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源3.3.5全橋式變換電路

各種不同的間接直流變流電路的比較3.4直流-直流變換電路的應(yīng)用直流-直流變換電路早期主要應(yīng)用于城市電車，地鐵、電動汽車等直流牽引調(diào)速控制系統(tǒng)中。隨著自關(guān)斷電力電子開關(guān)器件和脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation—PWM)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、有源功率因數(shù)校正、超導(dǎo)儲能等新技術(shù)領(lǐng)域。在大多中小容量的直流調(diào)速控制系統(tǒng)中，一般采用調(diào)節(jié)直流電動機電樞電壓達到調(diào)速目的。當電力拖動系統(tǒng)電源由電網(wǎng)交流電供電時，常用的調(diào)速方案有兩種：一是采用可控整流電路得到可以調(diào)節(jié)的直流電壓供給直流電動機；另一種則是用不可控整流電路得到恒定的直流電壓，再通過直流斬波的方式進行調(diào)壓。整流電路的工作原理將在第5章介紹。當供電電源為不可調(diào)的直流電源時，可以用直接直流-直流變換進行調(diào)壓。本節(jié)介紹直接直流-直流變換電路在直流電力傳動中的應(yīng)用。3.4.1降壓斬波電路供電的直流調(diào)壓調(diào)速

降壓直流調(diào)速系統(tǒng)電子開關(guān)S、續(xù)流二極管

VD、電感L組成降壓型斬波電路，電路原理圖中沒有加起濾波作用的電容。因為電動機兩端的電壓Uo

基本上等于電動機的感應(yīng)電動勢EM，而感應(yīng)電動勢正比于電動