第5章-直流變流電路

第5章直流直流變流電路

5.1基本斬波電路

5.2復(fù)合斬波電路

5.3帶隔離的直流直流變流電路

1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?，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)?！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。

25.1基本斬波電路

5.1.1降壓斬波電路

5.1.2升壓斬波電路

35.1.1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(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形

■降壓斬波電路（BuckChopper）

◆電路分析

?使用一個(gè)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(shí)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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢，如圖中Em所示。

◆工作原理

?t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)小。

45.1.1降壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?電流連續(xù)時(shí)

√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(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)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(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(5-1)(5-2)55.1.1降壓斬波電路■對降壓斬波電路進(jìn)行解析

◆基于分時(shí)段線性電路這一思想，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)。

◆電流連續(xù)時(shí)得出式中，，，，，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)65.1.1降壓斬波電路◆(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。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)75.1.1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(jì)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

85.1.2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(shí)，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(shí)，電源E和電感L同時(shí)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(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

化簡得

上式中的

(5-20)(5-21)95.1.2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(gè)原因：一是L儲(chǔ)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)105.1.2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(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：115.1.2升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)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)

■典型應(yīng)用

◆一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，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(dòng)機(jī)傳動(dòng)為例

?在直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。

?電動(dòng)機(jī)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(shí)段線性電路思想，電流連續(xù)時(shí)得L為無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io為

(5-36)125.2復(fù)合斬波電路

5.2.1電流可逆斬波電路

5.2.2橋式可逆斬波電路

135.2.1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。

■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。145.2.1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(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。

?必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路。◆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。?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。

155.2.2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。165.3帶隔離的直流直流變流電路

5.3.3半橋電路

5.3.4全橋電路

5.3.6全波整流和全橋整流

5.3.7開關(guān)電源175.3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?！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?！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(dòng)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。

185.3.3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(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。

195.3.3半橋電路?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?！糨敵鲭妷?/p>

?濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)

(5-54)205.3.4全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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(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，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(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。215.3.4全橋電路

?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。

?為避