第6章直流-直流變換電路

第6章直流-直流變換電路第一頁(yè)，共28頁(yè)。將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過(guò)程稱(chēng)為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比D來(lái)改變輸出電壓的平均值。它是一種開(kāi)關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱(chēng)斬波器(Chopper)。直流變換技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可控直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流電機(jī)的調(diào)速控制。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，半控元件的切換只能通過(guò)強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)迫換流電路需要較大的換流電容、輔助晶閘管等，造成了線(xiàn)路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以全控型電力電子器件具有自關(guān)斷能力的器件作為開(kāi)關(guān)器件。第二頁(yè)，共28頁(yè)。6.1直流斬波器的工作原理和分類(lèi)

6.1.1直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開(kāi)關(guān)S可以是各種全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件，輸入電源電壓E為固定的直流電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)S給負(fù)載RL供電；開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，直流電源供給負(fù)載RL的電流被切斷，L的儲(chǔ)能經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載RL兩端的電壓接近于零。

第三頁(yè)，共28頁(yè)。6.1.2直流斬波器的分類(lèi)直流斬波器按照上述調(diào)制形式可分為1）脈沖寬度調(diào)制(PWM)；2）脈沖頻率調(diào)制(PFM)；3）混合調(diào)制。按變換電路的功能分類(lèi)有1）降壓式直流-直流變換(BuckConverter)；2）升壓式直流-直流變換(BoostConverter)；3）升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換(Boost-BuckConverter)；4）庫(kù)克直流-直流變換（CukConverter）。按輸入直流電源和負(fù)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。第四頁(yè)，共28頁(yè)。6.2單象限直流斬波器

6.2.1降壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)電路中的VT采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在VT關(guān)斷時(shí)為電感L儲(chǔ)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(fù)載；E為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。

第五頁(yè)，共28頁(yè)。2、電路的工作原理

在控制開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通ton期間，二極管VD反偏，則電源E通過(guò)L向負(fù)載供電，此間iL增加，電感L的儲(chǔ)能也增加，這導(dǎo)致在電感端有一個(gè)正向電壓uL=E-uo。這個(gè)電壓引起電感電流iL線(xiàn)性增加；如上圖(a)所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，電感中儲(chǔ)存的電能產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，故電流iL經(jīng)二極管VD續(xù)流，uL=-uo，電感L向負(fù)載供電，電感L的儲(chǔ)能逐步消耗在R上，電流iL下降。如上圖(b)所示。第六頁(yè)，共28頁(yè)。3、數(shù)量關(guān)系在穩(wěn)態(tài)情況下，電感電壓波形是周期性變化的，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為0，即

設(shè)輸出電壓的平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，上式可以表達(dá)為：（E-U0）ton=U0（T-ton）即式中D為導(dǎo)通占空比；ton為VT的導(dǎo)通時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期。通常ton≤T，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當(dāng)輸入電壓E不變時(shí)，輸出電壓Uo隨占空比D的線(xiàn)性變化而線(xiàn)性改變，而與電路其他參數(shù)無(wú)關(guān)。第七頁(yè)，共28頁(yè)。6.2.2升壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)斬波開(kāi)關(guān)VT與負(fù)載并聯(lián)連接，儲(chǔ)能電感與負(fù)載呈串聯(lián)連接

第八頁(yè)，共28頁(yè)。2、電路的工作原理

1）當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，電源E向串在回路中的電感L充電，電感電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時(shí)在R與L之間的二極管VD被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流為恒值I1。另外，VD截止時(shí)C向負(fù)載R放電，由于C已經(jīng)被充電且C容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為U0。設(shè)VT的導(dǎo)通時(shí)間為ton，則此階段電感L上的儲(chǔ)能可以表示為；2）在VT關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感L兩端電勢(shì)極性變成左負(fù)右正，VD轉(zhuǎn)為正偏，電感L與電源E疊加共同向電容C充電，向負(fù)載R供能。如果VT的關(guān)斷時(shí)間為toff，則此時(shí)間內(nèi)電感L釋放的能量可以表示為。第九頁(yè)，共28頁(yè)。3、基本數(shù)量關(guān)系當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感L儲(chǔ)存的能量與釋放的能量相等，即=由上式可求出負(fù)載電壓U0的表達(dá)式，即

U0=由斬波電路的工作原理可看出，周期T≥toff，或T/toff≥1，故負(fù)載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓E，該變換電路稱(chēng)為升壓式斬波電路。第十頁(yè)，共28頁(yè)。6.2.3升降壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)能電感L與負(fù)載R并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串接在儲(chǔ)能電感與負(fù)載之間。

第十一頁(yè)，共28頁(yè)。2、電路的工作原理

1）當(dāng)開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)VT給電感L充電儲(chǔ)能，電感電壓上正下負(fù)，此時(shí)VD被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感電壓反偏，流過(guò)VT的電流為i1（=iL），方向如上圖a所示。由于此時(shí)VD反偏截止，電容C向負(fù)載R供能并維持輸出電壓基本恒定，負(fù)載R及電容C上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反；2）當(dāng)開(kāi)關(guān)VT關(guān)斷時(shí)，電感L電壓極性變反（上負(fù)下正），VD正偏導(dǎo)通，電感L中的儲(chǔ)能通過(guò)VD向負(fù)載R和電容C釋放，放電電流為i2，電容C被充電儲(chǔ)能，負(fù)載R也得到電感L提供的能量。第十二頁(yè)，共28頁(yè)。3、基本數(shù)量關(guān)系電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)電感電壓uL對(duì)時(shí)間的積分值為零，即在開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通期間，有uL=E；而在VT截止期間，uL=-u0。于是有Eton=U0toff

輸出電壓表達(dá)式可寫(xiě)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(dāng)時(shí)，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時(shí)為降壓變換；當(dāng)時(shí)，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時(shí)為升壓變換。第十三頁(yè)，共28頁(yè)。6.2.4Cuk直流斬波電路

1、電路的特點(diǎn)Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進(jìn)電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點(diǎn)是直流輸入電流和負(fù)載輸出電流連續(xù)，脈動(dòng)成分較小。

第十四頁(yè)，共28頁(yè)。2、電路的工作原理

1）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)L1→VT回路給L1充電儲(chǔ)能，C通過(guò)C→L2→R→VT回路向負(fù)載R輸出電壓，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)。2）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)VT截止時(shí)，電源E通過(guò)L1→C→VD回路向電容C充電，極性為左正右負(fù)；L2通過(guò)L2→VD→R→L2回路向負(fù)載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負(fù)，與電源電壓相反。第十五頁(yè)，共28頁(yè)。3、基本數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，即設(shè)電源電流i1的平均值為I1，負(fù)載電流i2的平均值為I2，開(kāi)關(guān)S接通B點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于VT導(dǎo)通，如果導(dǎo)通時(shí)間為ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2

ton；開(kāi)關(guān)S接通A點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于VT關(guān)斷，如果關(guān)斷時(shí)間為toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由電容C在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零的原理可寫(xiě)出表達(dá)式

從而可得第十六頁(yè)，共28頁(yè)。忽略Cuk斬波電路內(nèi)部元件L1、L2、C和VT的損耗，根據(jù)上圖等效電路，可得到：電源輸出的電能EI1等于負(fù)載上得到的電能U0I2，即。由此可以得出輸出電壓U0與輸人電壓E的關(guān)系為

可見(jiàn)，Cuk斬波電路與升降壓式斬波電路的輸出表達(dá)式完全相同。第十七頁(yè)，共28頁(yè)。6.3直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的直流斬波器

6.3.1不可逆PWM斬波電路1、無(wú)制動(dòng)作用的PWM斬波電路（單象限斬波器）下圖a是無(wú)制動(dòng)作用的不可逆PWM斬波器的主電路原理圖，由于只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，它實(shí)際上是一個(gè)單象限斬波器。（1）電路結(jié)構(gòu)電路采用電力晶體管作為控制開(kāi)關(guān)，電源電壓E為不可控整流電源，采用大電容C濾波，負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)。二極管VD在晶體管VT關(guān)斷時(shí)給電樞回路提供續(xù)流回路。

第十八頁(yè)，共28頁(yè)。第十九頁(yè)，共28頁(yè)。2、有制動(dòng)作用的PWM斬波電路（二象限斬波器）

第二十頁(yè)，共28頁(yè)。

（a）原理圖（b）電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形（c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形（d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形第二十一頁(yè)，共28頁(yè)。第二十二頁(yè)，共28頁(yè)。6.3.2可逆PWM斬波電路（四象限斬波器）可逆PWM斬波器主電路的結(jié)構(gòu)有H型，T型等類(lèi)型，常用的是H型斬波器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，它實(shí)際上是兩個(gè)不可逆有制動(dòng)作用的斬波器的組合。

1、電路結(jié)構(gòu)4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VTl和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓U

b2=U

b3=-Ub1。它們的波形示于下圖。

第二十三頁(yè)，共28頁(yè)。

雙極式H型PWM斬波器電路雙極式H型斬波器電壓、電流波形第二十四頁(yè)，共28頁(yè)。第二十五頁(yè)，共28頁(yè)。第二十六頁(yè)，共28頁(yè)。6.4軟開(kāi)關(guān)的基本概念硬開(kāi)關(guān)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了電壓、電流的重疊，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換損耗和開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生。如在原硬開(kāi)關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)由小電感、電容等諧振元件構(gòu)成的輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振過(guò)程，使