第5章直流-直流變換電路

1、第第5章章 直流直流-直流變換電路直流變換電路 本章要點本章要點直流斬波電路的基本結構和分類；直流斬波電路的基本結構和分類；單象限直流斬波器（降壓式、升壓式、升單象限直流斬波器（降壓式、升壓式、升-降壓式、降壓式、Cuk電路）的基本電路結構、工作原理和波形；電路）的基本電路結構、工作原理和波形；全橋式斬波電路的基本結構和工作原理全橋式斬波電路的基本結構和工作原理變壓器隔離的斬波電路的基本結構和工作原理變壓器隔離的斬波電路的基本結構和工作原理軟開關的基本概念。軟開關的基本概念。將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的直將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的直流電壓的過程稱為

2、直流流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通直流電壓變換。它的基本原理是通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關型開關型DC/DC變換電路，俗稱斬波器變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。直流變換。直流變換技術被廣泛應用于可控直流開關穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流技術被廣泛應用于可控直流開關穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流電機的調速控制。電機的調速控制。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，在直流斬波器中，因

3、輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。強迫換流電半控元件的關斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。強迫換流電路需要較大的換流電容等，造成了線路的復雜化和成本的提路需要較大的換流電容等，造成了線路的復雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以全控型電力電子器件具有自關斷高。因此，直流斬波器多以全控型電力電子器件具有自關斷能力的器件作為開關器件。能力的器件作為開關器件。5.1、直流斬波器的工作原理和分類、直流斬波器的工作原理和分類5.1.1 直流斬波器的基本結構和工作原理直流斬波器的基本結構和工作原理 下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開關下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開關

4、S可以是各種全控型可以是各種全控型電力電子開關器件，輸入電源電壓電力電子開關器件，輸入電源電壓E為固定的直流電壓。當為固定的直流電壓。當開關開關S閉合時，直流電流經過閉合時，直流電流經過S給負載給負載RL供電；開關供電；開關S斷開斷開時，直流電源供給負載時，直流電源供給負載RL的電流被切斷，的電流被切斷，L的儲能經二極管的儲能經二極管VD續(xù)流，負載續(xù)流，負載RL兩端的電壓接近于零。兩端的電壓接近于零。 圖圖5-15.1.2 直流斬波器的分類直流斬波器的分類直流斬波器按照調制形式可分為直流斬波器按照調制形式可分為1）脈沖寬度調制）脈沖寬度調制(PWM)；2）脈沖頻率調制）脈沖頻率調制(PFM)；

5、3）混合調制。）混合調制。按變換電路的功能分類有按變換電路的功能分類有1）降壓式直流）降壓式直流-直流變換直流變換(Buck Converter)；2）升）升壓式直流壓式直流-直流變換直流變換(Boost Converter)；3）升壓）升壓-降降壓復合型直流壓復合型直流-直流變換直流變換(Boost-Buck Converter)；4）庫克直流庫克直流-直流變換（直流變換（Cuk Converter）。）。按輸入直流電源和負載交換能量的形式又可分為按輸入直流電源和負載交換能量的形式又可分為1）單象限直流斬波器；）單象限直流斬波器；2）二象限直流斬波器。）二象限直流斬波器。5.2、直流斬波器、

6、直流斬波器5.2.1、降壓式直流斬波電路、降壓式直流斬波電路1 1、電路的結構、電路的結構電路中的電路中的VT采用采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在起續(xù)流作用，在VT關斷時為關斷時為電感電感L儲能提供續(xù)流通路；儲能提供續(xù)流通路；L為能量傳遞電感，為能量傳遞電感，C為濾波電為濾波電容，容，R為負載；為負載；E為輸入直流電壓，為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。為輸出直流電壓。 圖圖5-22、工作原理、工作原理 1）在控制開關）在控制開關VT導通導通ton期間，二極管期間，二極管VD反偏，反偏，則電源則電源E通過通過L向負載供電，此間向負載供電，此間iL增加，電感增加，電感L的的儲能也增加，這導致在

7、電感端有一個正向電壓儲能也增加，這導致在電感端有一個正向電壓uL=E-uo。這個電壓引起電感電流。這個電壓引起電感電流iL線性增加；如線性增加；如上圖上圖(a)所示。所示。2）在開關管）在開關管VT關斷時，電感中儲存的電能產生感關斷時，電感中儲存的電能產生感應電勢，使二極管導通，故電流應電勢，使二極管導通，故電流iL經二極管經二極管VD續(xù)續(xù)流，流，uL= -uo，電感，電感L向負載供電，電感向負載供電，電感L的儲能逐的儲能逐步消耗在步消耗在R上，電流上，電流iL下降。如上圖下降。如上圖(b)所示。所示。3、基本數(shù)量關系、基本數(shù)量關系在穩(wěn)態(tài)情況下，電感電壓波形是周期性變化的，電感電壓在在穩(wěn)態(tài)情況

8、下，電感電壓波形是周期性變化的，電感電壓在一個周期內的積分為一個周期內的積分為0，即，即 設輸出電壓的平均值為設輸出電壓的平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達為：，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達為： （E-U0）ton=U0（T-ton）即即 式中式中D為導通占空比；為導通占空比；ton為為VT的導通時間；的導通時間；T為開關周期。為開關周期。通常通常tonT，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當輸入，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當輸入電壓電壓E不變時，輸出電壓不變時，輸出電壓Uo隨占空比隨占空比D的線性變化而線性改的線性變化而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關。變，而與電路其他參數(shù)無關。TTt

9、LtLLonondtudtudtu 0 0 0EDETtUon 05.2.2 升壓式直流斬波電路升壓式直流斬波電路1、電路的結構、電路的結構斬波開關斬波開關VT與負載并聯(lián)連接，儲能電感與負載呈串聯(lián)連接與負載并聯(lián)連接，儲能電感與負載呈串聯(lián)連接 圖圖5-32、工作原理、工作原理 1）當）當VT導通時，電源導通時，電源E向串在回路中的電感向串在回路中的電感L充電，電感充電，電感電壓左正右負；而負載電壓上正下負，此時在電壓左正右負；而負載電壓上正下負，此時在R與與L之間的之間的二極管二極管VD被反偏截止。由于電感被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流的恒流作用，此充電電流為恒值為恒值I1。另外，

10、。另外，VD截止時截止時C向負載向負載R放電，由于放電，由于C已經被已經被充電且充電且C容量很大，所以負載電壓保持為一恒值，記為容量很大，所以負載電壓保持為一恒值，記為U0。設設VT的導通時間為的導通時間為ton，則此階段電感，則此階段電感L上的儲能可以表示上的儲能可以表示為為 ；2）在）在VT關斷時，儲能電感關斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左負右正，兩端電勢極性變成左負右正，VD轉為正偏，電感轉為正偏，電感L與電源與電源E疊加共同向電容疊加共同向電容C充電，向負充電，向負載載R供能。如果供能。如果VT的關斷時間為的關斷時間為toff，則此時間內電感，則此時間內電感L釋放釋放的能量可以表示為

11、的能量可以表示為 。on1tEIoff1o)(tIEU 3、基本數(shù)量關系、基本數(shù)量關系當電路處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期內電感當電路處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期內電感L儲存的能量與釋放的儲存的能量與釋放的能量相等，即能量相等，即 =由上式可求出負載電壓由上式可求出負載電壓U0的表達式，即的表達式，即 U0 = 由斬波電路的工作原理可看出，周期由斬波電路的工作原理可看出，周期T toff，或，或T / toff1，故，故負載上的輸出電壓負載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓高于電路輸入電壓E，該變換電路稱為，該變換電路稱為升壓式斬波電路。升壓式斬波電路。on1tEIoff1o)(tIEU EtTEtttoffof

12、foffon5.2.3 升降壓式直流斬波電路升降壓式直流斬波電路1、電路的結構、電路的結構該電路的結構是儲能電感該電路的結構是儲能電感L與負載與負載R并聯(lián)，續(xù)流二極管并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反反向串接在儲能電感與負載之間。向串接在儲能電感與負載之間。 圖圖5-42、工作原理、工作原理 1）當開關）當開關VT導通時，電源導通時，電源E經經VT給電感給電感L充電儲能，電充電儲能，電感電壓上正下負，此時感電壓上正下負，此時VD被負載電壓（下正上負）和電感被負載電壓（下正上負）和電感電壓反偏，流過電壓反偏，流過VT的電流為的電流為i1（=iL），方向如上圖），方向如上圖a所示。所示。由于此時由于此時VD反

13、偏截止，電容反偏截止，電容C向負載向負載R供能并維持輸出電供能并維持輸出電壓基本恒定，負載壓基本恒定，負載R及電容及電容C上的電壓極性為上負下正，與上的電壓極性為上負下正，與電源極性相反；電源極性相反；2）當開關）當開關VT關斷時，電感關斷時，電感L電壓極性變反（上負下正），電壓極性變反（上負下正），VD正偏導通，電感正偏導通，電感L中的儲能通過中的儲能通過VD向負載向負載R和電容和電容C釋釋放，放電電流為放，放電電流為i2，電容，電容C被充電儲能，負載被充電儲能，負載R也得到電感也得到電感L提供的能量。提供的能量。3、基本數(shù)量關系、基本數(shù)量關系電路處于穩(wěn)態(tài)時，每個周期內電感電壓電路處于穩(wěn)態(tài)時

14、，每個周期內電感電壓uL對時間的積分值為對時間的積分值為零，即零，即在開關在開關VT導通期間，有導通期間，有uL=E；而在；而在VT截止期間，截止期間，uL= -u0。于是有于是有Eton=U0 toff 輸出電壓表達式可寫成輸出電壓表達式可寫成改變改變D輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。當當 時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；降壓變換；當當 時，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時為時，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時為升壓變換升壓變換。Tdtu0L0EDDEtTtEttU1ononoffo

15、n02/10 D12/1 D5.2.4 Cuk直流斬波電路直流斬波電路1、電路的特點、電路的特點Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進電路，其原理圖斬波電路是升降壓式斬波電路的改進電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點是直流輸入電流和負載輸出電及等效電路如下所示。優(yōu)點是直流輸入電流和負載輸出電流連續(xù)，脈動成分較小。流連續(xù)，脈動成分較小。 圖圖5-52 2、工作原理、工作原理 1）當控制開關）當控制開關VT導通時，電源導通時，電源E經經L1VT回路給回路給L1充電充電儲能，儲能，C通過通過CL2RVT回路向負載回路向負載R輸出電壓，負載輸出電壓，負載電壓極性為下正上負。電壓極性為下正上負。2）當

16、控制開關）當控制開關VT截止時，電源截止時，電源E通過通過L1CVD回路向回路向電容電容C充電，極性為左正右負；充電，極性為左正右負；L2通過通過L2VDRL2回回路向負載路向負載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負，與電源電輸出電壓，電壓的極性為下正上負，與電源電壓相反。壓相反。3、基本數(shù)量關系、基本數(shù)量關系穩(wěn)態(tài)時，電容穩(wěn)態(tài)時，電容C在一個周期內的平均電流為零，即在一個周期內的平均電流為零，即設電源電流設電源電流i1的平均值為的平均值為I1，負載電流，負載電流i2的平均值為的平均值為I2，開關，開關S接通接通B點時相當于點時相當于VT導通，如果導通時間為導通，如果導通時間為ton，則電容電流，則

17、電容電流和時間的乘積為和時間的乘積為I2 ton；開關；開關S接通接通A點時相當于點時相當于VT關斷，如關斷，如果關斷時間為果關斷時間為toff，則電容電流和時間的乘積為，則電容電流和時間的乘積為I1toff。由電容。由電容C在一個周期內的平均電流為零的原理可寫出表達式在一個周期內的平均電流為零的原理可寫出表達式 從而可得從而可得 TCdti00off1on2tItIEDDEtTtEttEIIU1ononoffon210忽略忽略Cuk斬波電路內部元件斬波電路內部元件L1、L2、C和和VT的損耗，根據(jù)的損耗，根據(jù)上圖等效電路，可得到：電源輸出的電能上圖等效電路，可得到：電源輸出的電能EI1等于負

18、載上等于負載上得到的電能得到的電能U0I2，即，即 。由此可以得出輸出電壓由此可以得出輸出電壓U0與輸人電壓與輸人電壓E的關系為的關系為 可見，可見，Cuk斬波電路與升降壓式斬波電路的輸出表達式完斬波電路與升降壓式斬波電路的輸出表達式完全相同。全相同。201IUEI EDDEtTtEttEIIU1ononoffon2105.2.5全橋式直流斬波電路全橋式直流斬波電路 1 1、電路的特點、電路的特點 全橋斬波電路有兩個橋臂，每個橋臂由兩個斬波控制開全橋斬波電路有兩個橋臂，每個橋臂由兩個斬波控制開關關VT及與它們反并聯(lián)的二極管組成。優(yōu)點是變換器可以在及與它們反并聯(lián)的二極管組成。優(yōu)點是變換器可以在四

19、象限運行四象限運行 。 圖圖5-6 2、工作原理、工作原理 如果變換器同一橋臂的兩個開關管如果變換器同一橋臂的兩個開關管VT在任一時刻都不同在任一時刻都不同時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關管的狀態(tài)決定。完全由開關管的狀態(tài)決定。以負直流母線以負直流母線N為參考點，為參考點，U點的電壓點的電壓uUN由如下的開關狀態(tài)由如下的開關狀態(tài)決定：當決定：當VT1導通時，正的負載電流導通時，正的負載電流io將流過將流過VT1；或當；或當VD1導通時，負的負載電流導通時，負的負載電流io將流過將流過VD1，則，則U點的電壓為：點的電壓為：uUN=E 類似地，當類似地，當VT2導

20、通時，負的負載電流導通時，負的負載電流io將流入將流入VT2；或當或當VD2導通時，正的負載電流導通時，正的負載電流io將流過將流過VD2，則，則U點的電點的電壓為：壓為：uUN=0VT1offonUN0EDTtEtUVT3VNEDU綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導通還是下半部分導通，而與負載電流io的方向無關，因此UUN為： 式中，ton和toff分別是VT1的導通和斷開時間，DVT1是開關管VT1的占空比。由此可知，UUN僅取決于輸入電壓E和VT1的占空比DVT1。類似地， 因此，輸出電壓Uo(=UUN-UVN)也與變換器的輸入電壓E、開關占空比DVT1和DVT3有關，而與負載電

21、流io的大小和方向無關如果變換器同一橋臂的兩個開關管同時處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關系，所以應該避免兩個開關管同時處于斷開的情況發(fā)生。 3、全橋式變換器有兩種、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：的控制方式： 1）雙極性）雙極性PWM控制方式控制方式 在該控制方式下，圖中的（在該控制方式下，圖中的（VT1、VT4）和）和(VT2、VT3)被當作兩對開關管，每對開關管都是同時導通或斷開的。被當作兩對開關管，每對開關管都是同時導通或斷開的。 2）單極性）單極性PWM控制方式控制方式 在該控制方式下，每個橋臂的開關管是單獨控制

22、的。在該控制方式下，每個橋臂的開關管是單獨控制的。 全橋式直流全橋式直流-直流變換器的輸出電流即使在負載較小的直流變換器的輸出電流即使在負載較小的時候，也沒有電流斷續(xù)現(xiàn)象。時候，也沒有電流斷續(xù)現(xiàn)象。 5.3 變壓器隔離的直流-直流變換器 若要求輸入輸出間實現(xiàn)電隔離，可在基本DC-DC變換電路中加入變壓器，得到用變壓器實現(xiàn)電隔離的直流變換器。變壓器可插在基本變換電路中的不同位置，從而得到多種形式的變換器主電路。常見的有單端正激變換器，反激變換器，半橋及全橋式降壓變換器等。5.3.1 正激變換器1、電路結構、電路結構在降壓變換器中，將變壓器插在VT管的右側-VD管的左側位置，即得下圖所示的正激變換

23、器。由于變壓器原邊流過單向脈動電流，鐵芯易飽和，須采取防飽和措施，即使變壓器鐵芯磁場周期性復位。另外，開關器件位置可稍作變動，使其發(fā)射極與電源相連接，便于設計控制電路。右圖是采用能量消耗法磁場復位方案的正激變換器。N1、N2分別為原、副邊繞組匝數(shù)。 正激變換器原理圖正激變換器原理圖 能量消耗法磁場復位的正激變換器原理圖能量消耗法磁場復位的正激變換器原理圖2 2、工作原理、工作原理在上述圖在上述圖5-8中，中，1）開關管）開關管VT導通時，有導通時，有 ，電源能量經變壓器傳遞到負載側。ENNU)(1222 2）VTVT截止時，變壓器原邊電流經截止時，變壓器原邊電流經VDVD3 3和和DWDW續(xù)流

24、，磁場能量消續(xù)流，磁場能量消耗在穩(wěn)壓管上。耗在穩(wěn)壓管上。VTVT承受的最高電壓為承受的最高電壓為 E E+ +U UDWDW，U UDWDW為為DWDW的穩(wěn)壓值。的穩(wěn)壓值。正激變換器是具有隔離變壓器的降壓變換器，因而具有降壓正激變換器是具有隔離變壓器的降壓變換器，因而具有降壓變換器的一些特性。變換器的一些特性。圖圖5-7圖圖5-85.3.2 反激變換器反激變換器1 1、電路結構、電路結構反激變換器電路如圖所示。與升反激變換器電路如圖所示。與升-降壓變換器相比較，反激變降壓變換器相比較，反激變換器用變壓器代替了升換器用變壓器代替了升-降壓變換器中的儲能電感。變壓器除了降壓變換器中的儲能電感。變壓

25、器除了起輸入輸出電隔離作用外，還起儲能電感的作用。起輸入輸出電隔離作用外，還起儲能電感的作用。 反激變換器電路原理圖反激變換器電路原理圖 帶帶LC濾波的反激變換器實用電路濾波的反激變換器實用電路圖圖5-9圖圖5-102、工作原理、工作原理 1）當開關管）當開關管VT導通時，由于導通時，由于VD1承受反向電壓，變壓器副承受反向電壓，變壓器副邊相當于開路，此時變壓器原邊相當于一個電感。電源邊相當于開路，此時變壓器原邊相當于一個電感。電源E向變向變壓器原邊輸送能量，并以磁場形式存儲起來。壓器原邊輸送能量，并以磁場形式存儲起來。 2）當開關管）當開關管VT截止時，線圈中磁場儲能不能突變，將在截止時，線

26、圈中磁場儲能不能突變，將在變壓器副邊產生上正下負的感應電勢，該感應電勢使變壓器副邊產生上正下負的感應電勢，該感應電勢使VD1承承受正向電壓而導通，從而磁場儲能轉移到負載上?？紤]濾波受正向電壓而導通，從而磁場儲能轉移到負載上。考慮濾波電感電感L及續(xù)流二極管及續(xù)流二極管VD2的實用反激變換器電路如圖所示。的實用反激變換器電路如圖所示。反激變換器電路簡單，無需磁場復位電路，在小功率場合應反激變換器電路簡單，無需磁場復位電路，在小功率場合應用廣泛。缺點是磁芯磁場直流成分大，為防止磁芯飽和，磁用廣泛。缺點是磁芯磁場直流成分大，為防止磁芯飽和，磁芯磁路氣隙較大，磁芯體積較大。芯磁路氣隙較大，磁芯體積較大。 5.3.3 半橋式隔離的降壓變換器半橋式隔離的降壓變換器在正激、反激變換器中，變壓器存在磁場飽和，需加磁場復在正激、反激變換器中，變壓器存在磁場飽和，需加磁場復位電路。另外，主開關器件承受的電壓高于電源電壓。半橋式位電路。另外，主開關器件承受的電壓高于電源電壓。半橋式和全橋式隔離的變換器則可以克服這些缺點。和全橋式隔離的變換器則可以克服這些缺點。1、電路結構、電路結構電路如圖示，電路如圖示，C1、C2為濾波電容，為濾波電容，VD1、VD2為為VT1、VT2的的續(xù)流二極管，續(xù)流二極管，VD3、VD4為整流二極管，為整流二極管，LC為輸出濾波電路。為輸出濾波電路。