第5章斬波電路2016

1

5.1基本斬波電路

5.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?/p>

5.3帶隔離的直流直流變流電路

第5章直流-直流斬波電路2直流－直流變換器作用：固定直流－可控直流。變換器中的功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)。應(yīng)用：直流開關(guān)電源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流－直流變換器的系統(tǒng)組成第5章直流-直流斬波電路3■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)?！粼诮涣鳝h(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直—交—直電路。

第5章直流-直流斬波電路■直流-直流變流電路（DC/DCConverter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路?！鲋苯又绷髯兞麟娐贰粢卜Q斬波電路（DCChopper）?！艄δ苁菍⒅绷麟娮?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。輸入與輸出之間不隔離。隔離，能量變換？4第5章直流-直流斬波電路直流－直流變換器的主要種類：基本結(jié)構(gòu)：降壓變換器（Buckconverter)

升壓變換器（Boostconverter)復(fù)合結(jié)構(gòu)：升降壓變換器（Buck－Boostconverter)

全橋變換器（fullbridgeconverter)

5控制輸出電壓vo

平均值的方法：控制開關(guān)通斷時(shí)間。直流－直流變換器又稱斬波器，開關(guān)器件應(yīng)為全控型。5.1.1降壓斬波電路6直流－直流變換器的三種控制方式

（改變占空比的方式）脈沖寬度調(diào)制PWM（PulseWidthModulation）周期不變，通過導(dǎo)通時(shí)間的改變，控制輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制PFM（PulseFrequencyModulation）導(dǎo)通時(shí)間不變，改變導(dǎo)通的周期來改變輸出電壓?；旌闲驼{(diào)制：ton和Ts都可調(diào)，以改變占空比。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是直流－直流變換器中最常用的控制方法。5.1.1降壓斬波電路7脈沖寬度調(diào)制電路5.1.1降壓斬波電路8平均輸出電壓1.基本的降壓變換電路假定：恒定的輸入電壓、理想的開關(guān)、純電阻負(fù)載5.1.1降壓斬波電路9基本電路的缺陷實(shí)際的負(fù)載應(yīng)為感性。即使是阻性負(fù)載，負(fù)載回路中仍會(huì)存在分布電感。開關(guān)斷開時(shí)，必須有吸收電感儲(chǔ)能的回路，否則開關(guān)會(huì)因過壓而損壞。輸出電壓波動(dòng)太大（0或Vd）解決方法增加二極管，形成續(xù)流回路，吸收電感儲(chǔ)能。負(fù)載側(cè)接入低通濾波器（由電感和電容構(gòu)成），減小輸出電壓的波動(dòng)。5.1.1降壓斬波電路10低通

濾波器續(xù)流二極管濾波器輸入電壓2.實(shí)用的降壓變換電路變換器輸出電壓11

低通濾波器的作用濾波器輸入電壓包含直流分量Vo和諧波分量諧波分量直流分量Vo濾波器輸入電壓諧波分量的頻率為開關(guān)頻率的整數(shù)倍濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率fs，可濾除輸出電壓中的諧波開關(guān)頻率fs轉(zhuǎn)折頻率開關(guān)頻率fs輸出電壓12

續(xù)流二極管的作用續(xù)流二極管開關(guān)閉合時(shí)，二極管反向截止，Vd通過電感向負(fù)載提供電流。開關(guān)斷開時(shí)，電感中的電流通過二極管續(xù)流，向負(fù)載釋放電感中的儲(chǔ)能。采用濾波器后，如何簡便地計(jì)算濾波器輸出電壓平均值？13穩(wěn)態(tài)的含義：電壓、電流為重復(fù)的周期波。電感電流穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零。面積A＝面積B3.穩(wěn)態(tài)電路中電感上電壓、電流的特點(diǎn)L伏秒平衡原則14電容電壓穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零。面積A＝面積B4.穩(wěn)態(tài)電路中電容上電壓、電流的特點(diǎn)C安秒平衡原則15電感中的平均電流等于平均輸出電流Io。（因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)電容上的平均電流是零）假設(shè)濾波電容非常大，則近似認(rèn)為輸出電壓恒定。電感電流連續(xù)和斷續(xù)時(shí)電路的工作特性不同。5.穩(wěn)態(tài)時(shí)降壓變換電路的特點(diǎn)166.連續(xù)導(dǎo)通的工作模式連續(xù)導(dǎo)通模式：電感電流連續(xù)，

即iL(t)>0開關(guān)閉合時(shí),

二極管反向截止開關(guān)斷開時(shí)，iL

通過二極管續(xù)流17求取連續(xù)導(dǎo)通模式下輸出電壓平均值

方法1：利用電感上的伏秒平衡原則18方法2：從濾波器輸入電壓平均值入手19輸出電功率忽略電路元件上的損耗，可得輸入功率Pd等于輸出功率Po連續(xù)導(dǎo)通模式下的降壓變換器可等效為直流降壓變壓器，變壓比可通過占空比D在0～1之間連續(xù)調(diào)節(jié)。盡管電流Id也符合變壓器的關(guān)系，但電流波形在一個(gè)周期中是跳變的，含有大量諧波。20iL斷續(xù)

僅依靠電容向負(fù)載供電vL=0斷續(xù)導(dǎo)通時(shí)的情況(負(fù)載較輕時(shí)，IL減小，將不連續(xù)）7斷續(xù)導(dǎo)通工作模式臨界點(diǎn)-電流是否連續(xù)?218輸出電壓的脈動(dòng)率（連續(xù)導(dǎo)通模式）實(shí)際上，電容值有限，輸出電壓存在脈動(dòng)。前面的分析中，濾波電容足夠大，使得求解電壓脈動(dòng)時(shí)，假設(shè)IL中的脈動(dòng)分量流向電容，而平均值分量流向電阻。思想22求解電壓脈動(dòng)電壓脈動(dòng)率23合理選擇轉(zhuǎn)折頻率可有效減小電壓脈動(dòng)率連續(xù)導(dǎo)通模式下，電壓脈動(dòng)率與輸出功率無關(guān)。在開關(guān)型直流電源中，輸出電壓的脈動(dòng)率一般小于1％，所以前面采取的假設(shè)是合理的。249電機(jī)負(fù)載斬波電路降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形◆電路分析負(fù)載中出現(xiàn)反電動(dòng)勢---Em，R≠0◆工作原理

?t=0，V導(dǎo)通---供電---負(fù)載電壓uo=E---io---指數(shù)曲線上升。

?

t=t1，V關(guān)斷----VD續(xù)流---uo=0---io指數(shù)曲線下降；通常電感L較大使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。

25降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖c）電流斷續(xù)時(shí)的波形26√負(fù)載電壓的平均值√負(fù)載電流平均值為?電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。

◆斬波電路有三種控制方式

?脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。

?頻率調(diào)制：ton不變，改變T。

?混合型：ton和T都可調(diào)，改變占空比9電機(jī)負(fù)載斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系?電流連續(xù)時(shí)9電機(jī)負(fù)載斬波電路■對電路進(jìn)行解析基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析

V通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1，可列出如下方程：

按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個(gè)過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。（5-3）27設(shè)電流初值為I10，=L/R，解上式得

V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程：（5-5）

設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得：

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，有：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(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形9電機(jī)負(fù)載斬波電路2829式中，，，，，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。

把式（5-9）和式（5-10）用泰勒級數(shù)近似，可得

平波電抗器L為無窮大，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)9電機(jī)負(fù)載斬波電路即V進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流初值就是V在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值，反過來，V進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是V在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值?？傻贸觯?0◆(5-11)所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即

則假設(shè)電源電流平均值為I1，則有

其值小于等于負(fù)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。9電機(jī)負(fù)載斬波電路負(fù)載電流斷續(xù)的情況：

I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0，利用式（5-4）和式（5-6）可求出tx為：（5-16）電流斷續(xù)時(shí)，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為：（5-17）對于電路的具體工況，可據(jù)此式判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。在負(fù)載電流斷續(xù)工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管VD即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓等于EM。輸出電壓平均值為：（5-18）Uo不僅和占空比a有關(guān)，也和反電動(dòng)勢EM有關(guān)。此時(shí)負(fù)載電流平均值為 （5-19）9電機(jī)負(fù)載斬波電路32■例5-1在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值極大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,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：L值極大---負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為9電機(jī)負(fù)載斬波電路33■例5-2在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20s，當(dāng)ton=5s時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計(jì)算輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。解：由題目已知條件可得：當(dāng)ton=5s時(shí)，有

由于

所以輸出電流連續(xù)。9電機(jī)負(fù)載斬波電路34++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+110VRSV+-oV220V+-升壓變換電路的設(shè)計(jì)思路:泵升原理5.1.2升壓（BOOST）變換器1電路結(jié)構(gòu)和基本原理1）需串聯(lián)電勢才能升壓2）利用電感儲(chǔ)能3）電感儲(chǔ)能釋放儲(chǔ)能4）二極管隔離輸出電壓35升壓變換器的電路結(jié)構(gòu)保持輸出電壓儲(chǔ)存電能規(guī)定電能傳遞的方向穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，假設(shè)濾波電容非常大升壓變換器特點(diǎn)：輸出電壓高于輸入電壓362連續(xù)導(dǎo)通的工作模式連續(xù)導(dǎo)通模式：電感電流連續(xù)，

即iL(t)>0開關(guān)閉合時(shí)：二極管反偏截止，輸出被隔離；輸入電源向電感中儲(chǔ)能開關(guān)斷開時(shí)：輸入電源及電感共同向輸出側(cè)提供電能。37變壓比利用電感上的伏秒平衡原則電流比連續(xù)導(dǎo)通模式下的升壓變換器可等效為直流升壓變壓器，變壓比可通過占空比D在大于1的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。380uGE0ioI1a)b)圖5-2升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形

?當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即

393斷續(xù)導(dǎo)通工作模式電感電流臨界連續(xù)的情況電感電流iL在關(guān)斷階段（toff）結(jié)束時(shí)恰好為零。電感電流臨界連續(xù)電感電流斷續(xù)40每個(gè)開關(guān)周期，電感儲(chǔ)能都要傳遞給輸出端。如果負(fù)載較輕，不能消耗該能量，將導(dǎo)致電容電壓上升Vo過高導(dǎo)致負(fù)載側(cè)出現(xiàn)過壓或擊穿電容。所以

升壓變換器不能空載工作。升壓變換器工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)的特殊要求414寄生元件的影響電感、電容、開關(guān)、二極管等元件上的損耗產(chǎn)生了寄生元件效應(yīng)，當(dāng)D接近1時(shí)，實(shí)際的變壓比有所下降。應(yīng)用時(shí)，一般要限制占空比D，使寄生效應(yīng)不明顯。425輸出電壓的脈動(dòng)率實(shí)際上，電容值有限，

輸出電壓存在脈動(dòng)。連續(xù)導(dǎo)通模式下，

輸出電壓脈動(dòng)率43■例5-4在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40s，ton=25s時(shí)，計(jì)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：圖5-2a44升壓斬波電路的典型應(yīng)用圖5-3用于直流電動(dòng)機(jī)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(shí)c）電流斷續(xù)時(shí)【1】用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)【2】用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路【3】用于其他交直流電源中直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)時(shí)，實(shí)際電感L值不可能為無窮大，電路和降壓斬波電路一樣，也有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)電機(jī)的反電動(dòng)勢相當(dāng)于圖5-2電路中的電源，而此時(shí)的直流電源相當(dāng)于圖5-2中電路中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器。45V→on時(shí)，電樞電流為i1，

i1的初值為I10，得:

V→off時(shí)，電樞電流為i2i2的初值為I20，得：

升壓斬波電路的典型應(yīng)用

電路分析46電流連續(xù)時(shí)，t=ton時(shí)刻i1=I20，t=toff時(shí)刻i2=I10

求得：

升壓斬波電路的典型應(yīng)用47用泰勒級數(shù)線性近似，得

表示了L為無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，

以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源看作是被降低到了。

升壓斬波電路的典型應(yīng)用48電樞電流斷續(xù)時(shí)

當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，可求出I20，可寫出i2的表達(dá)式。當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即

當(dāng)tx<t0ff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx<t0ff是電流斷續(xù)的條件，即

根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。升壓斬波電路的典型應(yīng)用495.1.3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(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1，同時(shí)C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。

?V關(guān)斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。

50◆基本的數(shù)量關(guān)系?穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零，即

On---uL=E；Off---uL=-uo51當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓-----升降壓斬波電路。?電源電流i1和負(fù)載電流i2的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有

輸出功率和輸入功率相等

52圖5-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路

?V導(dǎo)通時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。

?V關(guān)斷時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流。

?輸出電壓的極性與電源電壓極性相反?！鯟uk斬波電路◆工作原理53◆基本的數(shù)量關(guān)系?C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零?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(guān)系

◆明顯的優(yōu)點(diǎn):其輸入電流和輸出電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。545.2

復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?/p>

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?cái)夭娐?5■概念

◆復(fù)合斬波電路：降壓斬波電路+升壓斬波電路。

◆多相多重?cái)夭娐罚合嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合■電流可逆斬波電路

◆斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)，降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限，升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，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。5.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?6a)圖5-7電流可逆斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

5.2.1電流可逆斬波電路◆電路結(jié)構(gòu)?V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限。?V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。57?第3種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過。

?一個(gè)周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。

◆工作過程?兩種工作情況：只作降壓斬波器運(yùn)行和只作升壓斬波器運(yùn)行。?第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。585.2.2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(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，使電動(dòng)機(jī)可以4象限運(yùn)行。

◆工作過程

?V4導(dǎo)通時(shí)，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(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。

?V2導(dǎo)通時(shí)，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限。595.2.3全橋DC－DC變換器的基本工作原理全橋變換器包括兩個(gè)橋臂，A和B。每個(gè)橋臂由兩個(gè)開關(guān)及其反并聯(lián)的二極管組成。開關(guān)代表某種全控型電力電子器件，所以是單向?qū)щ姟?0每橋臂中兩個(gè)開關(guān)的控制規(guī)律互補(bǔ)開關(guān)方式：一個(gè)開關(guān)閉合，另一個(gè)開關(guān)斷開。互補(bǔ)開關(guān)方式的優(yōu)點(diǎn)是：同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)不會(huì)同時(shí)斷開，這樣可保證負(fù)載電流是連續(xù)的。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，變換器的

輸出電壓僅由開關(guān)狀態(tài)所決定。

TA+閉合，TA-斷開時(shí)

TA-閉合，TA+斷開時(shí)61

閉合與導(dǎo)通的概念區(qū)分開關(guān)閉合時(shí)，是否能夠?qū)ㄅc負(fù)載電流方向有關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流與開關(guān)導(dǎo)電方向相同時(shí)，開關(guān)閉合后即導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流與開關(guān)導(dǎo)電方向相反時(shí)，則反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，而開關(guān)雖閉合卻不導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間理想情況下，兩個(gè)開關(guān)不會(huì)同時(shí)斷開。而實(shí)際應(yīng)用中，在兩個(gè)開關(guān)切換的瞬間，它們均斷開，以避免因橋臂直通而造成直流電源瞬間短路。這段同時(shí)斷開的時(shí)間稱為空白時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。62

變換器的輸出電壓

橋臂A的平均輸出電壓同理，橋臂B的平均輸出電壓所以，變換器總的輸出電壓63

變換器的控制方式

雙極性PWM控制：在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載電壓極性正負(fù)變化。

單極性PWM控制：在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載電壓極性不變化。645.2.4雙極性PWM控制方式雙極性PWM控制方式下，器件的控制規(guī)律開關(guān)分成兩對：P1（TA+,

TB-）和P2（TB+,

TA-）一對中的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)閉合或斷開。兩對開關(guān)總是一對閉合，另一對斷開。（互補(bǔ)）65

開關(guān)控制信號

的產(chǎn)生方法（控制信號與三角波比較）P1vANP2vBN66

平均輸出電壓VoP1P2P1占空比D1P2占空比D2＝1－D1

Vo在＋Vd和－Vd之間跳變，故稱雙極性控制vAB閉合器件675.2.5單極性PWM控制方式單極性PWM控制方式倍頻單極性PWM控制方式685.2.6多相多重?cái)夭娐穞OtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)圖5-9多相多重?cái)夭娐芳捌洳ㄐ蝍）電路圖b）波形

■多相多重?cái)夭娐?/p>

◆是在電源和負(fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。

◆相數(shù):電源側(cè)的電流脈波數(shù)。

◆重?cái)?shù)：負(fù)載電流脈波數(shù)?！?相3重降壓斬波電路

◆電路及波形分析

?3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。

?總輸出電流為3個(gè)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(dòng)頻率也為3倍。695.2.6多相多重?cái)夭娐?總輸出電流最大脈動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小，所需平波電抗器總重量大為減輕。

?當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個(gè)獨(dú)立負(fù)載時(shí)，則為3相1重?cái)夭娐?，?dāng)電源為3個(gè)獨(dú)立電源，向一個(gè)負(fù)載供電時(shí)，則為1相3重?cái)夭娐贰?電源電流的諧波分量比單個(gè)斬波電路時(shí)顯著減小。■多相多重?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，萬一某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運(yùn)行，使得總體的可靠性提高。70

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(guān)電源5.3帶隔離的直流直流變流電路715.3帶隔離的直流直流變流電路圖5-10間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)■同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)----直—交—直電路?！霾捎眠@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(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1?！艚涣鳝h(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。72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?！鲩g接直流變流電路分為單端(SingleEnd)和雙端(DoubleEnd)電路兩大類單端電路中，變壓器中流過的是直流脈動(dòng)電流，雙端電路中，變壓器中的電流為正負(fù)對稱的交流電流，73SuSiLiSOttttUiOOO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(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，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(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為5.3.1正激電路7475BRBSBHO圖5-13磁心復(fù)位過程

?開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時(shí)間線性的增長，直到S關(guān)斷，

?必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。否則導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和?！糨敵鲭妷?/p>

?輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，在負(fù)載為零的極限情況下

◆變壓器的磁心復(fù)位?磁心復(fù)位所需的時(shí)間76SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖5-14反激電路原理圖圖5-15反激電路的理想化波形?當(dāng)S開通時(shí)，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(guān)系為5.3.2反激電路◆工作過程?S開通，W1繞組的電流線性增長---電感儲(chǔ)能增加。?S關(guān)斷，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，

◆工作模式77?S開通前，W2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，此時(shí)輸出電壓高于（5-53）的計(jì)算值，在負(fù)載為零的極限情況下，所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)78圖5-16半橋電路原理圖圖5-17半橋電路的理想化波形5.3.3半橋電路79

?S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/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?！艄ぷ鬟^程80?S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，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，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。

?S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。?由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。81

?濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-54）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下(5-54)◆輸出電壓82S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-18全橋電路原理圖

圖5-19全橋電路的理想化波形5.3.4全橋電路83S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-18全橋電路原理圖

圖5-19全橋電路的理想化波形?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(dāng)S2與S3開通后，VD2和VD3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)，4個(gè)二極管都處于通態(tài)，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)承受的峰值電壓均為Ui。5.3.4全橋電路

◆工作過程?互為對角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)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Ui的交流電壓，變占空比可改變輸出電壓。84?為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)的占空比不能超過50%，還應(yīng)留有裕量。磁偏?如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會(huì)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(gè)電容，以阻斷直流電流。防直通85?濾波電感電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-55）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下

(5-55)◆輸出電壓86S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-20推挽電路原理圖圖5-21推挽電路的理想化波形5.3.5推挽電路87?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。

◆工作過程?推挽電路中兩個(gè)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(shí)，二極管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。88?當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-56）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下

(5-56)?如果S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)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89電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路簡單難以達(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