電力電子技術(shù)課件第5-6章

第5章直流直流變流電路

5.1基本斬波電路

5.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

5.3帶隔離的直流直流變流電路

本章小結(jié)2/44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)?！粼诮涣鳝h(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。

3/445.1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4/445.1.1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載等，后兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。

◆工作原理

?t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，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。

5/445.1.1降壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?電流連續(xù)時

√負載電壓的平均值為

√負載電流平均值為

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，

為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?/p>

?電流斷續(xù)時，負載電壓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)6/445.1.1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，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)7/445.1.1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)8/445.1.1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

負載電流平均值為

(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)9/445.1.1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，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為

10/445.1.1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載電流是否連續(xù)。解：由題目已知條件可得：當ton=5

s時，有

由于

所以輸出電流連續(xù)。11/445.1.1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

12/445.1.2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。

◆基本的數(shù)量關(guān)系

?當電路工作于穩(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)13/445.1.2升壓斬波電路?將升壓比的倒數(shù)記作β，即，則

和導通占空比

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)14/445.1.2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：15/445.1.2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)16/445.1.2升壓斬波電路?當電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間tx，即

當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)17/445.1.3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關(guān)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。◆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V處于通態(tài)期間，uL=E；而當V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：

(5-39)(5-40)18/445.1.3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0<

<1/2時為降壓，當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和負載電流i2的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，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)19/445.1.3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?！艋镜臄?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)20/445.1.3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)21/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Sepic斬波電路

◆工作原理

?V導通時，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導電，L1和L2貯能。

?V關(guān)斷時，E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，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)22/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Zeta斬波電路

◆工作原理

?V導通時，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)23/445.2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24/445.2.1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，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。25/445.2.1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同時導通而導致電源短路?！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。

26/445.2.2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，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限。27/445.2.3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)：負載電流脈波數(shù)?！?相3重降壓斬波電路

◆電路及波形分析

?相當于由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。

28/445.2.3多相多重斬波電路?當上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相1重斬波電路，當電源為3個獨立電源，向一個負載供電時，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。29/445.3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30/445.3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小于1或遠大于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。

31/445.3.1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，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負，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。32/445.3.1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，在負載為零的極限情況下

(5-51)(5-52)33/445.3.2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，在負載為零的極限情況下，，

所以應(yīng)該避免負載開路狀態(tài)。(5-53)34/445.3.3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導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，當兩個開關(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)，各分擔一半的電流。

?S1或S2導通時電感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。

35/445.3.3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，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下(5-54)36/445.3.4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)同時導通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導通，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Ui。37/445.3.4全橋電路

?如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，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，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下

(5-55)38/445.3.5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導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導通時，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Ui。

39/445.3.5推挽電路?如果S1和S2同時導通，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將高于式（5-56）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下

(5-56)40/44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41/445.3.6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）。42/445.3.6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具有非常小的導通電阻的特性降低整流電路的導通損耗，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43/445.3.7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遠小于相控整流電源?！龉ぷ黝l率的提高還有利于控制性能的提高。44/44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。■常見的間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撲形式或控制方法。

第6章交流交流變流電路

6.1交流調(diào)壓電路

6.2其他交流電力控制電路

6.3交交變頻電路

6.4矩陣式變頻電路

本章小結(jié)46/53引言■交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。■交流-交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。■直接方式

◆交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路。◆變頻電路：改變頻率的電路。47/536.1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48/536.1交流調(diào)壓電路·引言■把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。■交流電力控制電路

◆交流調(diào)壓電路：在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。

◆交流調(diào)功電路：以交流電周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路?！艚涣麟娏﹄娮娱_關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管?！鰬?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。49/536.1.1單相交流調(diào)壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形■電阻負載

◆工作過程

?在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角

進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

◆基本的數(shù)量關(guān)系?負載電壓有效值Uo

?負載電流有效值Io

?晶閘管電流有效值IT

?功率因數(shù)

(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)50/536.1.1單相交流調(diào)壓電路VT1圖6-2阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形■阻感負載◆工作過程?若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為

，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。

?設(shè)負載的阻抗角為，穩(wěn)態(tài)時

的移相范圍應(yīng)為

≤

≤

。

?在

t=

時刻開通晶閘管VT1，可求得導通角

，即◆

的移相范圍為0≤

≤

，隨著

的增大，Uo逐漸降低，

逐漸降低。

(6-7)51/536.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6-3單相交流調(diào)壓電路以

為參變量的

和

關(guān)系曲線

◆以

為參變量，利用式(6-7)可以把

和

的關(guān)系用圖6-3的一簇曲線來表示。52/536.1.1單相交流調(diào)壓電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?負載電壓有效值Uo

?晶閘管電流有效值IVT

(6-8)(6-9)53/536.1.1單相交流調(diào)壓電路?負載電流有效值Io

?晶閘管電流IVT的標么值

式中圖6-4單相交流調(diào)壓電路

為參變量時IVTN和

關(guān)系曲線(6-10)(6-11)54/536.1.1單相交流調(diào)壓電路◆

<

時的工作情況

?VT1的導通時間超過

。

?觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通，io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于

。

?io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長。圖6-5

<

時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形55/536.1.1單相交流調(diào)壓電路◆例6-1一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。試求

=

/6、

/3時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。解：負載阻抗及負載阻抗角分別為：

因此開通角

的變化范圍為：

即①當

=

/6時，由于

<

,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為

56/536.1.1單相交流調(diào)壓電路功率因數(shù)為實際上，此時的功率因數(shù)也就是負載阻抗角的余弦。②時，先計算晶閘管的導通角，由式（6-7）得

解上式可得晶閘管導通角為：57/536.1.1單相交流調(diào)壓電路58/536.1.1單相交流調(diào)壓電路■單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

◆帶電阻負載時，對負載電壓uo進行諧波分析

式中(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)(6-12)59/536.1.1單相交流調(diào)壓電路基波和各次諧波的有效值可按下式求出負載電流基波和各次諧波的有效值為圖6-6電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量

(n=1,3,5,7,…)

(6-13)(6-14)◆電流基波和各次諧波標么值隨

變化的曲線，如圖6-6所示，其中基準電流為

=0時的電流有效值。◆阻感負載時

?電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波。

?隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。

?和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。

?當

角相同時，隨著阻抗角

的增大，諧波含量有所減少。60/536.1.1單相交流調(diào)壓電路圖6-7斬控式交流調(diào)壓電路■斬控式交流調(diào)壓電路

◆工作原理?用V1，V2進行斬波控制，用V3，V4給負載電流提供續(xù)流通道。

?設(shè)斬波器件（V1，V2）導通時間為ton，開關(guān)周期為T，則導通比

=ton/T

，通過改變

來調(diào)節(jié)輸出電壓。

◆電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1，電源電流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近1。圖6-8電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形61/536.1.2三相交流調(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：圖6-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)b)支路控制三角形聯(lián)結(jié)c)中點控制三角形聯(lián)結(jié)

62/536.1.2三相交流調(diào)壓電路■星形聯(lián)結(jié)電路

◆分為三相三線和三相四線兩種情況?！羧€四相

?相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120°工作。

?基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線，3的整數(shù)倍次諧波是同相位的，不能在各相之間流動，全部流過零線。

?

=90°時，零線電流和相電流有效值接近。

◆三相三線帶電阻負載時的工作原理

?任一相導通須和另一相構(gòu)成回路，因此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°。圖6-9a)星形聯(lián)結(jié)63/536.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6-10不同

角時負載相電壓波形a)

=30°b)

=60°

?把相電壓過零點定為開通角

的起點，三相三線電路中，兩相間導通時是靠線電壓導通的，而線電壓超前相電壓30°，因此

角的移相范圍是0°~150°。?根據(jù)任一時刻導通晶閘管個數(shù)以及半個周波內(nèi)電流是否連續(xù)可將0°~150°的移相范圍分為如下三段√0°≤

<60°范圍內(nèi)，電路處于三個晶閘管導通與兩個晶閘管導通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導通角度為180°-

,但

=0°時是一種特殊情況，一直是三個晶閘管導通。

√60°≤

<90°范圍內(nèi)，任一時刻都是兩個晶閘管導通，每個晶閘管的導通角度為120°。64/536.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6-10不同

角時負載相電壓波形

c)

=120°

√90°≤

<150°范圍內(nèi)，電路處于兩個晶閘管導通與無晶閘管導通的交替狀態(tài)，每個晶閘管導通角度為300°-2

，而且這個導通角度被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個斷續(xù)的波頭，各占150°-

。

?諧波分析

√電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)。

√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的整數(shù)倍次諧波，因為三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。65/536.1.2三相交流調(diào)壓電路圖6-9三相交流調(diào)壓電路

b)支路控制三角形聯(lián)結(jié)■支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

◆由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。

◆單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負載相電流之和。

◆諧波分析

?3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。

?線電流中所諧波次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))。

?在相同負載和

角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。66/536.2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)67/536.2.1交流調(diào)功電路圖6-11交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)

■交流調(diào)功電路

◆工作原理

?和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。

?通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。68/536.2.1交流調(diào)功電路

◆諧波分析

?在交流電源接通期間，負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。

?如果以電源周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。圖6-11交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)

圖6-12交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)

69/536.2.2交流電力電子開關(guān)■交流電力電子開關(guān)：把晶閘管反并聯(lián)串入交流電路中，代替機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用?！鰞?yōu)點：響應(yīng)速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。■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?！艨刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。

70/536.3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71/536.3.1單相交交變頻電路圖6-13單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形

■交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于直接變頻電路?！鲭娐窐?gòu)成和基本工作原理

◆由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構(gòu)成。

◆工作原理

?P組工作時，負載電流io為正，N組工作時，io為負。

?改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率

0

?改變變流電路的控制角

，就可以改變交流輸出電壓的幅值。

72/536.3.1單相交交變頻電路圖6-13單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形

◆為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對

角進行調(diào)制。

?在半個周期內(nèi)讓P組

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個值，再增加到90°，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零；另外半個周期可對N組進行同樣的控制。

?uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。73/536.3.1單相交交變頻電路圖6-14理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)■整流與逆變工作狀態(tài)

◆以阻感負載為例，把電路等效成圖6-14a，二極管體現(xiàn)了交流電流的單方向性。◆設(shè)負載阻抗角為

，則輸出電流滯后輸出電壓

角，兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式。

◆工作狀態(tài)

?t1~t3期間：io處于正半周，正組工作，反組被封鎖?！蘴1~t2階段：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。√t2~t3階段：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負。74/536.3.1單相交交變頻電路圖6-14理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)

?t3~t5期間：io處于負半周，反組工作，正組被封鎖。

√t3~t4階段：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。

√t4~t5階段：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負?！艚Y(jié)論

?哪組變流電路工作由io方向決定，與uo極性無關(guān)。

?變流電路工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據(jù)uo方向與io方向是否相同來確定。75/536.3.1單相交交變頻電路◆考慮到無環(huán)流工作方式下負載電流過零的正反組切換死區(qū)時間，一周期的波形可分為6段：第1段io<0，uo>0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區(qū)；第3段io>0，uo>0，為正組整流；第4段io>0，uo<0，為正組逆變；第5段又是切換死區(qū)；第6段io<0，uo<0，為反組整流。圖6-15單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形76/536.3.1單相交交變頻電路■輸出正弦波電壓的調(diào)制方法

◆主要介紹最基本的余弦交點法。

◆用余弦交點法求交交變頻電路

角的基本公式每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值為要得到的正弦波輸出電壓為比較式(6-15)和(6-16)，應(yīng)使式中，

稱為輸出電壓比，因此(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)77/536.3.1單相交交變頻電路圖6-16余弦交點法原理◆余弦交點法圖解

?線電壓uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1~u6表示，相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于

=0。

?u1~u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1~us6表示，us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應(yīng)線電壓

=0的時刻對應(yīng)，以

=0為零時刻，則us1~us6為余弦信號。

?希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點來決定。78/536.3.1單相交交變頻電路圖6-17不同

時

和

ot的關(guān)系◆不同輸出

的情況下，在輸出電壓的一個周期內(nèi)，控制角

隨

ot變化的情況如圖6-17，圖中

較小，即輸出電壓較低時，

只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。79/536.3.1單相交交變頻電路■輸入輸出特性

◆輸出上限頻率

?輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。

?就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個明確的界限。

?當采用6脈波三相橋式電路時，一般認為輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。80/536.3.1單相交交變頻電路圖6-18交交變頻電路的輸入位移因數(shù)◆輸入功率因數(shù)

?輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。

?在輸出電壓的一個周期內(nèi)，

角以90°為中心而前后變化。

?輸出電壓比

越小，半周期內(nèi)

的平均值越靠近90°，位移因數(shù)越低；負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。

?不論負載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后的。81/536.3.1單相交交變頻電路◆輸出電壓諧波

?輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。?采用三相橋式電路時，輸出電壓主要諧波的頻率為

6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…

12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…

?采用無環(huán)流控制方式時，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。82/536.3.1單相交交變頻電路◆輸入電流諧波

?輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。

?采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為和式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。(6-19)(6-20)83/536.3.2三相交交變頻電路圖6-19公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）■交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)使用三相交交變頻電路，三相交交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成的。■電路接線方式

◆公共交流母線進線方式

?由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120°的單相交交變頻電路構(gòu)成。

?電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上。

?因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離；?主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。

84/536.3.2三相交交變頻電路圖6-20輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖

◆輸出星形聯(lián)結(jié)方式

?三組輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。

?因為三組輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此用三個變壓器供電。

?構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構(gòu)成回路，形成電流。85/536.3.2三相交交變頻電路■輸入輸出特性

◆輸出上限頻率和輸出電壓諧波與單相交交變頻電路是一致的。

◆輸入電流

?總的輸入電流由三個單相電路的同一相輸入電流合成而得到。

?有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。

?諧波頻率為200t/ms輸出電壓單相輸出時U相輸入電流三相輸出時U相輸入電流200t/ms200t/ms圖6-21交交變頻電路的輸入電流波形和式中k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。(6-21)(6-22)86/536.3.2三相交交變頻電路◆輸入功率因數(shù)

?總輸入功率因數(shù)為?三相電路總的有功功率為各相有功功率之和。

?視在功率不能簡單相加，而應(yīng)該由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小，因此三相交交變頻電路總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路。

?從另一個角度看，三相的輸入位移因數(shù)與單相輸出時相同，由于三個單相交交變頻電路的部分輸入電流諧波相互抵消，三相系統(tǒng)的基波因數(shù)增大，使其功率因數(shù)得以提高。

?功率因數(shù)低仍是三相交交變頻電路的一個主要缺點。(6-23)87/536.3.2三相交交變頻電路■改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓

◆基本思路：三相交交變頻電路中，各相輸出的是相電壓，而加在負載上的是線電壓，如果在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負載上，利用這一特性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。

◆直流偏置

?當負載電動機低速運行時，變頻器輸出電壓幅值很低，各組變流電路的

角都在90°附近，因此輸入功率因數(shù)很低。

?如果給各相的輸出電壓都疊加上同樣的直流分量，控制角

將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變。88/536.3.2三相交交變頻電路圖6-22梯形波控制方式的理想輸出電壓波形◆梯形波輸出控制方式

?相當于給相電壓中疊加了三次諧波，也稱為交流偏置。?使三組單相變頻器的輸出電壓uAN’均為梯形波（也稱準梯形波），梯形