直流-直流變換電路

1、第5章 直流-直流變換電路 機(jī)械工業(yè)出版社本章要點(diǎn)直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和分類；單象限直流斬波器（降壓式、升壓式、升-降壓式、Cuk電路）的基本電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；全橋式斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理變壓器隔離的斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理軟開(kāi)關(guān)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(diào)的直流電壓的過(guò)程稱為直流-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

2、。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)，半控元件的關(guān)斷只能通過(guò)強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)迫換流電路需要較大的換流電容等，造成了線路的復(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。5.1、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(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。 圖5-15.1.2 直流斬波器的分

3、類直流斬波器按照調(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有1）降壓式直流-直流變換(Buck Converter)；2）升壓式直流-直流變換(Boost Converter)；3）升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換(Boost-Buck Converter)；4）庫(kù)克直流-直流變換（Cuk Converter）。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。5.2、直流斬波器5.2.1、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

4、；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。 圖5-22、工作原理 1）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線性增加；如上圖(a)所示。2）在開(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。3、基本數(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

5、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tonT，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的線性變化而線性改變，而與電路其他參數(shù)無(wú)關(guān)。5.2.2 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 圖5-32、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)

6、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 。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 / toff1，故負(fù)載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓E，該變換電路稱為升壓式斬波電路。5

7、.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。 圖5-42、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

8、供的能量。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=U0 toff 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。5.2.4 Cuk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。 圖5-52、工作原理 1）當(dāng)控制開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)L1VT回路給L

9、1充電儲(chǔ)能，C通過(guò)CL2RVT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)L1CVD回路向電容C充電，極性為左正右負(fù)；L2通過(guò)L2VDRL2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。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

10、可得 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。5.2.5全橋式直流斬波電路 1、電路的特點(diǎn) 全橋斬波電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由兩個(gè)斬波控制開(kāi)關(guān)VT及與它們反并聯(lián)的二極管組成。優(yōu)點(diǎn)是變換器可以在四象限運(yùn)行 。 圖5-6 2、工作原理 如果變換器同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT在任一時(shí)刻都不同時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)決定。以負(fù)直流母線N為參考點(diǎn)，U點(diǎn)的電壓uUN由如下的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定：

11、當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，正的負(fù)載電流io將流過(guò)VT1；或當(dāng)VD1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)的負(fù)載電流io將流過(guò)VD1，則U點(diǎn)的電壓為：uUN=E 類似地，當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)的負(fù)載電流io將流入VT2；或當(dāng)VD2導(dǎo)通時(shí)，正的負(fù)載電流io將流過(guò)VD2，則U點(diǎn)的電壓為：uUN=0綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通，而與負(fù)載電流io的方向無(wú)關(guān)，因此UUN為： 式中，ton和toff分別是VT1的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間，DVT1是開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)占空比DVT1和DVT3

12、有關(guān)，而與負(fù)載電流io的大小和方向無(wú)關(guān)如果變換器同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)處于斷開(kāi)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(guān)系，所以應(yīng)該避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)處于斷開(kāi)的情況發(fā)生。 3、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式： 1）雙極性PWM控制方式 在該控制方式下，圖中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被當(dāng)作兩對(duì)開(kāi)關(guān)管，每對(duì)開(kāi)關(guān)管都是同時(shí)導(dǎo)通或斷開(kāi)的。 2）單極性PWM控制方式 在該控制方式下，每個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管是單獨(dú)控制的。 全橋式直流-直流變換器的輸出電流即使在負(fù)載較小的時(shí)候，也沒(méi)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

13、輸入輸出間實(shí)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(shí)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(jiàn)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(jié)構(gòu)在降壓變換器中，將變壓器插在VT管的右側(cè)-VD管的左側(cè)位置，即得下圖所示的正激變換器。由于變壓器原邊流過(guò)單向脈動(dòng)電流，鐵芯易飽和，須采取防飽和措施，即使變壓器鐵芯磁場(chǎng)周期性復(fù)位。另外，開(kāi)關(guān)器件位置可稍作變動(dòng)，使其發(fā)射極與電源相連接，便于設(shè)計(jì)控制電路。右圖是采用能量消耗法磁場(chǎng)復(fù)位方案的正激變換器。N1、N2分別為原、副邊繞組匝數(shù)。 正激

14、變換器原理圖 能量消耗法磁場(chǎng)復(fù)位的正激變換器原理圖2、工作原理在上述圖5-8中，1）開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，有 ，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。2）VT截止時(shí)，變壓器原邊電流經(jīng)VD3和DW續(xù)流，磁場(chǎng)能量消耗在穩(wěn)壓管上。VT承受的最高電壓為 E+UDW，UDW為DW的穩(wěn)壓值。正激變換器是具有隔離變壓器的降壓變換器，因而具有降壓變換器的一些特性。圖5-7圖5-85.3.2 反激變換器1、電路結(jié)構(gòu)反激變換器電路如圖所示。與升-降壓變換器相比較，反激變換器用變壓器代替了升-降壓變換器中的儲(chǔ)能電感。變壓器除了起輸入輸出電隔離作用外，還起儲(chǔ)能電感的作用。 反激變換器電路原理圖 帶LC濾波的反激變換器實(shí)用電路圖5

15、-9圖5-102、工作原理 1）當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，由于VD1承受反向電壓，變壓器副邊相當(dāng)于開(kāi)路，此時(shí)變壓器原邊相當(dāng)于一個(gè)電感。電源E向變壓器原邊輸送能量，并以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)起來(lái)。 2）當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT截止時(shí)，線圈中磁場(chǎng)儲(chǔ)能不能突變，將在變壓器副邊產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)使VD1承受正向電壓而導(dǎo)通，從而磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到負(fù)載上?？紤]濾波電感L及續(xù)流二極管VD2的實(shí)用反激變換器電路如圖所示。反激變換器電路簡(jiǎn)單，無(wú)需磁場(chǎng)復(fù)位電路，在小功率場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是磁芯磁場(chǎng)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。 5.3.3 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(chǎng)飽

16、和，需加磁場(chǎng)復(fù)位電路。另外，主開(kāi)關(guān)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(diǎn)。1、電路結(jié)構(gòu)電路如圖示，C1、C2為濾波電容，VD1、VD2為VT1、VT2的續(xù)流二極管，VD3、VD4為整流二極管，LC為輸出濾波電路。半橋式降壓變換器圖5-112、工作原理設(shè)濾波電容C1、C2上的電壓近似直流，且均為1）當(dāng)VT1關(guān)斷、VT2導(dǎo)通時(shí)，電源及電容C2上的儲(chǔ)能經(jīng)變壓器傳遞到副邊。同時(shí)，電源經(jīng)變壓器VT2向C1充電，C1儲(chǔ)能增加。2）當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷時(shí)，電源及電容C1上的儲(chǔ)能經(jīng)變壓器傳遞到副邊，此時(shí)，電源經(jīng)VT1變壓器向C2充電，C2儲(chǔ)能增加。變壓器副邊電壓經(jīng)VD3及VD4整流、LC濾波后即得到直流輸出電壓。通過(guò)交替控制VT1、VT2的開(kāi)通與關(guān)斷，并控制其占空比，即可控制輸出電壓大小。 5.3.4 全橋式隔離的降壓變換器全