降壓斬波電路

1/44引言■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。

■直接直流變流電路

◆也稱斬波電路（DCChopper）。

◆功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。

◆一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@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(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直—交—直電路。

2/445.1基本斬波電路

5.1.1降壓斬波電路

5.1.2升壓斬波電路

5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路3/445.1.1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（BuckChopper）

◆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(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。

?設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時給負(fù)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(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。

◆工作原理

?t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)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(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。

4/445.1.1降壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?電流連續(xù)時

√負(fù)載電壓的平均值為

√負(fù)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(guān)周期，

為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?/p>

?電流斷續(xù)時，負(fù)載電壓uo平均值會被抬高，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(5-1)(5-2)5/445.1.1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(fù)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(shù)近似，可得

平波電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)6/445.1.1降壓斬波電路◆(3-11)所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(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。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)7/445.1.1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，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為

輸出電壓平均值為

負(fù)載電流平均值為

(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)8/445.1.1降壓斬波電路■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=20

s,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(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

9/445.1.1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=0.5Ω，Em=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20

s，當(dāng)ton=5

s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(fù)載電流是否連續(xù)。解：由題目已知條件可得：當(dāng)ton=5

s時，有

由于

所以輸出電流連續(xù)。10/445.1.1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

11/445.1.2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(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(fù)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(fù)載提供能量。

◆基本的數(shù)量關(guān)系

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

化簡得

上式中的

(5-20)(5-21)12/445.1.2升壓斬波電路?將升壓比的倒數(shù)記作β，即，則

和導(dǎo)通占空比

有如下關(guān)系

式（5-21）可表示為

輸出電壓高于電源電壓，關(guān)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(fù)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)13/445.1.2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=50V，L值和C值極大，R=20

，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40

s，ton=25

s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：14/445.1.2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(yīng)用

◆一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection—PFC）電路，三是用于其他交直流電源中。

◆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(lián)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)15/445.1.2升壓斬波電路?當(dāng)電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間tx，即

當(dāng)tx<t0ff時，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(5-37)(5-38)16/445.1.3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，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(fù)載R供電。

?V關(guān)斷時，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。

◆基本的數(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

當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：

(5-39)(5-40)17/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路所以輸出電壓為：改變導(dǎo)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(dāng)0<

<1/2時為降壓，當(dāng)1/2<

<1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(fù)載電流i2的平均值分別為I1和I2，當(dāng)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(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即

(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)18/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5Cuk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(dǎo)通時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。

?V關(guān)斷時，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。

◆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，即(5-45)19/445.1.3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(guān)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(fù)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)20/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Sepic斬波電路

◆工作原理

?V導(dǎo)通時，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。

?V關(guān)斷時，E—L1—C1—VD—負(fù)載回路及L2—VD—負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)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(zhuǎn)移）。

◆輸入輸出關(guān)系

圖5-6a)Sepic斬波電路

(5-49)21/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Zeta斬波電路

◆工作原理

?V導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。

?V關(guān)斷時，L1－VD－C1構(gòu)成振蕩回路，

L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。

◆輸入輸出關(guān)系為

■兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)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(fù)載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。

圖5-6bZeta斬波電路

(5-50)22/445.2復(fù)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23/445.2.1電流可逆斬波電路■概念

◆復(fù)合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成。

◆多相多重斬波電路：相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)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(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。24/445.2.1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(jié)構(gòu)

?V1和VD1構(gòu)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(gòu)成升壓斬波電路，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(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路?！艄ぷ鬟^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(nèi)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(dāng)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(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。

25/445.2.2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

?V4導(dǎo)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(dǎo)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(fù)電壓，可使電動機工作于第3、4象限。26/445.2.3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(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。

◆相數(shù):一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。

◆重數(shù)：負(fù)載電流脈波數(shù)。■3相3重降壓斬波電路

◆電路及波形分析

?相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)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(shù)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。

27/445.2.3多相多重斬波電路

?當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個獨立負(fù)載時，則為3相1重斬波電路，當(dāng)電源為3個獨立電源，向一個負(fù)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。28/445.3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(guān)電源29/445.3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(jié)構(gòu)■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?！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。

◆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?！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(fù)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。

30/445.3.1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(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。31/445.3.1正激電路BRBSBHO圖5-13磁心復(fù)位過程◆變壓器的磁心復(fù)位

?開關(guān)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(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。

?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間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。?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(fù)載為零的極限情況下

(5-51)(5-52)32/445.3.2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(guān)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(dāng)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(guān)系為

?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，此時輸出電壓高于（5-53）的計算值，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)。(5-53)33/445.3.3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(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。

?S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)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(dān)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Ui。

34/445.3.3半橋電路

?由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(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將高于式（5-54）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下(5-54)35/445.3.4全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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(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Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。

?當(dāng)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個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(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)時承受的峰值電壓均為Ui。36/445.3.4全橋電路

?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將高于式（5-55）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下

(5-55)37/445.3.5推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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(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(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。

38/445.3.5推挽電路

?如果S1和S2同時導(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(dāng)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(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下

(5-56)39/44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(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(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5.3.5推挽電路表5-1各種不同的間接直流變流電路的比較40/445.3.6全波整流和全橋整流圖5-22a)全波整流電路原理圖

■雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路?！鋈ㄕ麟娐返奶攸c

◆優(yōu)點：電感L的電流回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數(shù)較少。

◆缺點：二極管斷態(tài)時承受的反壓較高，對器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

◆適用場合：輸出電壓較低的情況下（<100V）。41/445.3.6全波整流和全橋整流■全橋電路的特點

◆優(yōu)點：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組簡單。

◆缺點：電感L的電流回路中存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個二極管，元件數(shù)較多。

◆適用場合：高壓輸出的情況下?！鐾秸麟娐?/p>

◆當(dāng)電路的輸出電壓非常低時，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具有非常小的導(dǎo)通電阻的特性降低整流電路的導(dǎo)通損耗，進一步提高效率。

◆這種電路的缺點是需要對V1和V2的通與斷進行控制，增加了控制電路的復(fù)雜性。

圖5-22b)全橋整流電路原理圖

圖5-23同步整流電路原理圖42/445.3.7開關(guān)電源■如果輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來，則構(gòu)成交—直—交—直電路，采用這種電路的裝置通常被稱為開關(guān)電源?！鲇捎陂_關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，因此同等功率條件下其體積和重量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相控整流電源?！龉ぷ黝l率的提高還有利于控制性能的提高。43/44本章小結(jié)■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。

■直接直流變流電路包括6種基本斬波電路、2種復(fù)合斬波電路及多相多重斬波電路，其中最基本的是降壓斬波電路和升壓斬波電路兩種?！龀Ｒ姷拈g接直流變換電路可以分為單端和雙端電路兩大類，單端電路包括正激和反激兩類，雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類，每一類電路都可能有多種不同的拓?fù)湫问交蚩刂品椒ā?/p>

第6章交流電力控制電路和交交變頻電路6.1交流調(diào)壓電路6.1.1單相交流調(diào)壓電路6.1.2三相交流調(diào)壓電路6.2其他交流電力控制電路6.2.1交流調(diào)功電路6.2.2交流電力電子開關(guān)6.3交交變頻電路6.3.1單相交交變頻電路6.3.2三相交交變頻電路45/44概述交流-交流變流電路

一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等交流電力控制電路變頻電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的交流調(diào)壓電路——相位控制（或斬控式）交流調(diào)功電路及交流無觸點開關(guān)——通斷控制交交變頻電路交直交變頻電路1.晶閘管交交變頻電路2.矩陣式變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路46/446.1交流調(diào)壓電路交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)

兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力交流電力控制電路的類型交流調(diào)壓電路:交流調(diào)功電路:交流電力電子開關(guān):每半個周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路。47/44交流調(diào)壓電路的應(yīng)用：燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）異步電動機軟起動異步電動機調(diào)速供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓48/446.1.1單相交流調(diào)壓電路1電阻負(fù)載原理分析在u1的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的開通角a進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓正負(fù)半周a起始時刻（a=0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負(fù)半周的a

相等負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同49/44電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值

負(fù)載電流有效值晶閘管電流有效值功率因數(shù)

6.1.1單相交流調(diào)壓電路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt50/442阻感負(fù)載

阻感負(fù)載時a的移相范圍負(fù)載阻抗角：j=arctan(wL

/R)

穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j

a=0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應(yīng)為j≤a≤π阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路51/446.1.1單相交流調(diào)壓電路

數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值：

晶閘管電流有效值：

瞬態(tài)微分方程求解可得負(fù)載電流有效值52/443.單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載的情況波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波

(n=3,5,7,…)6.1.1單相交流調(diào)壓電路式中:53/44

基波和各次諧波有效值 負(fù)載電流基波和各次諧波有效值

電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨a

變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a=0時 的有效值）如圖所示電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量6.1.1單相交流調(diào)壓電路54/44阻感負(fù)載的情況電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時相同，也只含3、5、7…等次諧波隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少和電阻負(fù)載時相比，阻感負(fù)載時的諧波電流含量少一些當(dāng)a角相同時，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少6.1.1單相交流調(diào)壓電路55/44a<j

時單相交流調(diào)壓電路a<j時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形波形分析:VT1提前通，L被過充電，放電時間延長，

VT1的導(dǎo)通角超過π

觸發(fā)VT2時，

io尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不通io過零后，VT2開通，VT2導(dǎo)通角小于π方程式(6-5)和(6-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是a≤ωt<∞過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt

=a(a<j)時合閘的過渡過程相同

io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量

衰減過程中，VT1導(dǎo)通時間漸短，VT2的導(dǎo)通時間漸長

穩(wěn)態(tài)的工作情況和a=j時完全相同pwtwtwtwtaaqOOOuG1G2jT1T256/44圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路4．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路一般采用全控型器件作為開關(guān)器件原理分析基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周u1負(fù)半周設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比a=ton/T，改變a可調(diào)節(jié)輸出電壓斬波控制斬波控制續(xù)流通道續(xù)流通道6.1.1單相交流調(diào)壓電路57/44圖4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形6.1.1單相交流調(diào)壓電路單相--斬控式交流調(diào)壓電路波形58/446.1.2三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式a)星形聯(lián)結(jié)b)線路控制三角形聯(lián)結(jié)c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)d)中點控制三角形聯(lián)結(jié)59/44三相四線基本原理：相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120°工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90°時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近三相三線三相四線1．星形聯(lián)結(jié)電路6.1.2三相交流調(diào)壓電路60/44

三相三線，電阻負(fù)載時的情況任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1~VT6,依次相差60°

相電壓過零點定為a的起點，a角移相范圍是0°~150°6.1.2三相交流調(diào)壓電路61/44a=30°，分析a相波形。5.6通01.5.6通,Ua1.6通Uab/21.2.6通,Ua1.2通Uac/21.2.3通,Ua62/44a=60°，分析a相波形。5.6通01.6通Uab/21.2通Uab/263/44a=120°，分析a相波形。4.5通Uac/2無器件導(dǎo)通5.6通0無器件導(dǎo)通1.6通Uab/2無器件導(dǎo)通64/44a)a=30°b)a=60°c)a=120°6.1.2三相交流調(diào)壓電路(1)0°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

。但a=0°時一直是三管導(dǎo)通(2)60°≤a<90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°(3)90°≤a<150°：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，每相每管導(dǎo)通150-a，兩管共導(dǎo)通角度為300°－2a65/44諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同諧波次數(shù)越低，含量越大和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路6.1.2三相交流調(diào)壓電路66/446.2其他交流電力控制電路以交流電源周波數(shù)為控制單位——交流調(diào)功電路對電路通斷進行控制——交流電力電子開關(guān)67/446.2.1交流調(diào)功電路異同與交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同控制方式不同：將負(fù)載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均應(yīng)用常用于電爐的溫度控制因其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率,所以稱為交流調(diào)功電路控制對象時間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可通常晶閘管導(dǎo)通時刻為電源電壓過零的時刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染68/44電阻負(fù)載時的工作情況控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導(dǎo)通，后M－N個周期關(guān)斷交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)

當(dāng)M=3、N=2時的電路波形如圖6.2.1交流調(diào)功電路69/446.2.2交流電力電子開關(guān)作用：優(yōu)點：與交流調(diào)功電路的區(qū)別并不控制電路的平均輸出功率通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多代替機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用

響應(yīng)速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷70/446.3交交變頻電路本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路——把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路71/44直接變頻器★按波形的不同又可分為兩類:交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF72/44①方波形直接變頻器改變正反組切換頻率,可以改變輸出交流電的頻率.改變a的大小,即可改變輸出交流電的幅值.這種方式控制,諧波分量大.73/44②正弦波直接變頻器改變正反組切換頻率,可以改變輸出交流電的頻率.改變a的大小,即可改變輸出交流電的幅值.這種方式控制,諧波分量少.適用于低速大容量的場合.74/44

三相交交變頻電路

三相交交變頻電路可以由3個單相交交變頻電路組成。如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時），則三相可逆線路共需36個晶閘管，即使采用零式電路也須18個晶閘管。75/44

三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)（△接法）76/44

輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路77/44三相橋式交交變頻電路78/44交-交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，在技術(shù)上和制造工藝上都很成熟。這類交-交變頻器的主要缺點是：輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設(shè)備。其最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2。直接變頻的特點：79/44本章重點單相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)及工作原理（相控、斬控）單相交流調(diào)壓電路相控方式下的有效移相范圍。（純阻、阻感負(fù)載）三相三線制調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)及波形分析。交交變頻電路的類型及控制方式。80/44第7章PWM控制技術(shù)

一PWM的基本原理二PWM控制方式（1）計算法（2）調(diào)制法三PWM在逆變電路中的應(yīng)用（電壓型）四PWM調(diào)制方式結(jié)合81/447.1PWM的基本理論沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同82/44思考：利用上理論，如何用一系列方波等效一個正弦波？83/44思考：若要改變等效輸出正弦波幅值，可采用什么措施？

按同一比例改變各脈沖寬度即可。84/44PWM波形若等效為正弦波SPWM波形當(dāng)然，SPWM波形遠(yuǎn)不止這一種。85/44等幅PWM波：輸入電源是恒定直流直流斬波電路PWM逆變電路不等幅PWM形：輸入電源是交流或不是恒定的直流基于面積等效原理進行控制，本質(zhì)是相同的86/44PWM波形可等效為各種波形：面積等效原理直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:黃色：所需波形

紅色：等效的PWM波87/447.2PWM的控制方式及逆變實現(xiàn)★控制方式：根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。一計算法88/44※二調(diào)制法方法：*將所希望得到的波形作為調(diào)制信號ur

*把接受調(diào)制的信號作為載波uc

(通常采用三角波）

*在兩波交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，就可以得到與調(diào)制信號ur波形一致的輸出信號。所以，當(dāng)調(diào)制信號ur為正弦波時，自然也就得到SPWM波形。SPWM單極性SSPWM雙極性BSPWM89/44（1）單極性SPWM（SSPWM）※特點：