直流-直流變換電路課件

3.1直接DC/DC變換電路3.1.1

降壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路3.1.3

升降壓斬波電路3.1.4Cuk斬波電路3.1.5Sepic斬波電路3.1.6Zeta斬波電路3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?.1直接DC/DC變換電路3.1.1降壓斬3.1.1降壓斬波電路3.1.1降壓斬波電路升壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路3.1.23.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?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?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

電流可逆斬波電路:降壓斬波與升壓斬波電路組合。因電樞電流可正可負(fù)，但電壓只有一種極性，故可工作于第1、2象限。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。防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路降壓運(yùn)行時(shí)的波形升壓運(yùn)行時(shí)的波形00uottio0uottio3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路——降電流可逆斬波電路a)電路圖第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。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(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐穞tb)uoioiV1i

D1iV2iD2電流可逆斬波電路a)電路圖第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交橋式可逆斬波電路——兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。橋式可逆斬波電路

使V4保持通時(shí)，等效為電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。使V3保持通時(shí)，V1、VD1和V2、VD2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。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窐蚴娇赡鏀夭娐贰獌蓚€(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)tOtttttttOOOOOOOu1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成總輸出電流為3個(gè)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(dòng)頻率也為3倍?？偟妮敵鲭娏髅}動(dòng)幅值變得很小。所需平波電抗器總重量大為減輕?？傒敵鲭娏髯畲竺}動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐穞OtttttttOOOOOOOu1u2u3uoi1i2i33.2變壓器隔離型DC/DC變換器3.2.1正激電路3.2.2反激電路3.2.3半橋電路3.2.4全橋電路3.2變壓器隔離型DC/DC變換器3.2.1正激電路采用這種結(jié)構(gòu)的變換原因：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。變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動(dòng)直流直流逆變電路變壓器隔離型DC/DC變換器變壓器隔離型DC/DC變換器：先將直流逆變?yōu)榻涣?，再整流為直流電，也稱為直-交-直電路。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器采用這種結(jié)構(gòu)的變換原因：變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動(dòng)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。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器電感、電容和變壓器二次側(cè)的電壓或電流方程：令Δt=TS/n

在電壓和電流不變的條件下，工作頻率越高，則所需濾波電感的電感值越?。凰铻V波電容的電容值也越??；所需變壓器的繞組匝數(shù)越少，所需鐵心的橫截面積也越小，從而可以選用較小的濾波電感、濾波電容和變壓器。因此，通過(guò)提高工作頻率也可以使濾波電感、濾波電容和變壓器的體積和重量顯著降低。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3.2變壓器隔離型DC/DC變換器工作頻率應(yīng)高于20kHz這一人耳的聽(tīng)覺(jué)極限，以免變壓器和電感產(chǎn)生刺耳的噪聲。隨著電力半導(dǎo)體器件和磁性材料的技術(shù)進(jìn)步，電路的工作頻率己達(dá)幾百kHz~幾MHz。由于工作頻率較高，逆變電路通常使用全控型器件，如MOSFET、IGBT等。整流電路中通常采用快恢復(fù)二極管或通態(tài)壓降較低的肖特基二極管。帶隔離變壓器的直流變換器都是由基本的直流斬波器派生而來(lái)。由降壓斬波器派生出正激變換器、半橋變換器、全橋變換器等，由升降壓斬波器派生出反激變換器。帶隔離變壓器的直流變換器分為單端和雙端電路兩大類。在單端電路中，變壓器中流過(guò)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(duì)稱的交流電流。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器工作頻率應(yīng)高于20kH3.2.1正激電路單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖開(kāi)關(guān)S開(kāi)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(zhǎng)。S關(guān)斷后，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，電感L電流逐漸減小。變壓器的勵(lì)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1）正激電路的工作過(guò)程Sg000iLiSUdtttontofftt0uSt0t1t2Ud3.2.1正激電路單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖開(kāi)關(guān)S開(kāi)通后，變3.2.1正激電路BRBSBHO磁心復(fù)位過(guò)程2）變壓器的磁心復(fù)位S開(kāi)通后，變壓器的激磁電流im1由零開(kāi)始隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷.S關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通的一段時(shí)間內(nèi)，必須設(shè)法使im1降回到零（變壓器的磁心復(fù)位)，否則下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，im1將在本周期結(jié)束時(shí)的剩余值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開(kāi)關(guān)周期中依次累積起來(lái)，從而導(dǎo)致變壓器的勵(lì)磁電感飽和。勵(lì)磁電感飽和后，im1會(huì)更加迅速地增長(zhǎng)，最終損壞開(kāi)關(guān)器件。3.2.1正激電路BRBSBHO磁心復(fù)位過(guò)程2）變壓器的3.2.1正激電路輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電壓在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，利用“電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零”的原理，得單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖Ud

電感電流連續(xù)的臨界條件為電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，Uo＝UdN2/N1。3.2.1正激電路輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓33.2.1正激電路電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電壓?jiǎn)伍_(kāi)關(guān)正激電路的原理圖Ud

正激型電路的電壓比可看成是將輸入電壓Ud按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)降壓型電路得到的。半橋型、全橋型電路也是如此。雙開(kāi)關(guān)正激型電路中，每個(gè)開(kāi)關(guān)承受的斷態(tài)電壓均為Ud，比單開(kāi)關(guān)正激型電路低，故適合用于高壓輸入電源中使用。雙開(kāi)關(guān)正激型電路原理圖3.2.1正激電路電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電3.2.1正激電路4）電路特點(diǎn)正激型電路簡(jiǎn)單可靠，廣泛用于功率為數(shù)百瓦～數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源中。變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線平面的第1象限，變壓器沒(méi)有得到充分利用，因此同樣的功率，其變壓器體積、重量和損耗大于全橋型、半橋型和推挽型電路。較適用于在電源和負(fù)載條件惡劣、干擾很強(qiáng)的環(huán)境下使用同時(shí)又對(duì)體積、重量及效率要求不太高的開(kāi)關(guān)電源場(chǎng)合。3.2.1正激電路4）電路特點(diǎn)正激型電路簡(jiǎn)單可靠，廣泛用3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形

反激電路原理圖

該電路可以看成是將升降壓型電路中的電感換成變壓器繞組W1和W2而得到的。因此在工作中變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。S開(kāi)通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)W2繞組和VD向輸出端釋放。此時(shí)：Ud3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形反激電路原理圖3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形

反激電路原理圖

電流連續(xù)：反激型電路的電壓比可看成是將輸入電壓Ud按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)升降壓型斬波電路得到的。3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形反激電路原理圖3.2.2反激電路電流斷續(xù)模式：S開(kāi)通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。

輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，，因此該電路不應(yīng)工作于負(fù)載開(kāi)路狀態(tài)。反激電路的電流斷續(xù)波形

反激電路原理圖

反激型電路的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，元器件數(shù)少，因此成本較低。變壓器的工作點(diǎn)也僅處于磁化曲線平面的第Ⅰ象限，利用率低。廣泛適用于數(shù)瓦～數(shù)十瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源中。3.2.2反激電路電流斷續(xù)模式：輸出電壓隨負(fù)載減小而升高3.2.3半橋電路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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。1）工作過(guò)程圖8-21半橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖8-22半橋電路的理想化波形3.2.3半橋電路S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成3.2.3半橋電路2）數(shù)量關(guān)系由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)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。圖8-21半橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖8-22半橋電路的理想化波形當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：

如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，

3.2.3半橋電路2）數(shù)量關(guān)系由于電容的隔直作用，半橋電3.2.4全橋電路全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)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(kāi)通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開(kāi)通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個(gè)開(kāi)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。1）工作過(guò)程圖8-23全橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖8-24全橋電路的理想化波形3.2.4全橋電路全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通3.2.4全橋電路如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)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。2）數(shù)量關(guān)系濾波電感電流連續(xù)時(shí)：

輸出電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下：

圖8-23全橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖8-24全橋電路的理想化波形3.2.4全橋電路如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不3.2.5推挽電路電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾百W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)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(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W~幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源表8-1各種不同的間接直流變流電路的比較3.2.5推挽電路變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率表8-3.3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲(在原理上可降為零)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率（理論上開(kāi)關(guān)頻率提高可不受限制）

3.3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)3.3.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲。t0a）硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程uiP0uituuiiP003.3.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流均3.3.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。uiP0uitt0uiP0uitt0a）軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b）軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程3.3.1硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)軟開(kāi)關(guān)：在原電路中增加了小電感3.3.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)開(kāi)通前其兩端電壓為零——開(kāi)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電流關(guān)斷開(kāi)關(guān)關(guān)斷前其電流為零——關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗和噪聲。零電壓關(guān)斷與開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容能延緩開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電壓上升的速率，從而降低關(guān)斷損耗。零電流開(kāi)通與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電感能延緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通后電流上升的速率，降低了開(kāi)通損耗。當(dāng)不指出是開(kāi)通或是關(guān)斷，僅稱零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷?？侩娐分械闹C振來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3.2零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通當(dāng)不指出是開(kāi)通3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類（1）準(zhǔn)諧振電路－準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準(zhǔn)諧振，是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路。準(zhǔn)諧振電路可分為：零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路c)零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元b)零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元a)零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開(kāi)關(guān)單元特點(diǎn)：諧振電壓峰值很高，要求器件耐壓須提高；諧振電流有效值很大，電路中存在大量無(wú)功功率的交換，電路導(dǎo)通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓、負(fù)載變化而改變，因此電路只能采用脈沖頻率調(diào)制方式來(lái)控制。3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類（1）準(zhǔn)諧振電路－準(zhǔn)諧振電路3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類2）零開(kāi)關(guān)PWM電路

引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開(kāi)關(guān)過(guò)程前后。零開(kāi)關(guān)PWM電路可以分為：

特點(diǎn)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式。b)零電流開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電流開(kāi)關(guān)PWM電路a)零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類2）零開(kāi)關(guān)P3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類

3）零轉(zhuǎn)換PWM電路

采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻，但諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過(guò)程的影響很小。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：

零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路零電流轉(zhuǎn)換PWM電路

特點(diǎn)：電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)和從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。b）零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元a）零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元3.3.3軟開(kāi)關(guān)電路的分類3）零轉(zhuǎn)換PWM電3.1直接DC/DC變換電路3.1.1

降壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路3.1.3

升降壓斬波電路3.1.4Cuk斬波電路3.1.5Sepic斬波電路3.1.6Zeta斬波電路3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?.1直接DC/DC變換電路3.1.1降壓斬3.1.1降壓斬波電路3.1.1降壓斬波電路升壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路3.1.23.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?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?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

電流可逆斬波電路:降壓斬波與升壓斬波電路組合。因電樞電流可正可負(fù)，但電壓只有一種極性，故可工作于第1、2象限。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。防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路降壓運(yùn)行時(shí)的波形升壓運(yùn)行時(shí)的波形00uottio0uottio3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路——降電流可逆斬波電路a)電路圖第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。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(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐穞tb)uoioiV1i

D1iV2iD2電流可逆斬波電路a)電路圖第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交橋式可逆斬波電路——兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。橋式可逆斬波電路

使V4保持通時(shí)，等效為電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。使V3保持通時(shí)，V1、VD1和V2、VD2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。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窐蚴娇赡鏀夭娐贰獌蓚€(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)tOtttttttOOOOOOOu1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成總輸出電流為3個(gè)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(dòng)頻率也為3倍。總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小。所需平波電抗器總重量大為減輕?？傒敵鲭娏髯畲竺}動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。3.1.7復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐穞OtttttttOOOOOOOu1u2u3uoi1i2i33.2變壓器隔離型DC/DC變換器3.2.1正激電路3.2.2反激電路3.2.3半橋電路3.2.4全橋電路3.2變壓器隔離型DC/DC變換器3.2.1正激電路采用這種結(jié)構(gòu)的變換原因：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。變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動(dòng)直流直流逆變電路變壓器隔離型DC/DC變換器變壓器隔離型DC/DC變換器：先將直流逆變?yōu)榻涣?，再整流為直流電，也稱為直-交-直電路。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器采用這種結(jié)構(gòu)的變換原因：變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動(dòng)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。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器電感、電容和變壓器二次側(cè)的電壓或電流方程：令Δt=TS/n

在電壓和電流不變的條件下，工作頻率越高，則所需濾波電感的電感值越??；所需濾波電容的電容值也越小；所需變壓器的繞組匝數(shù)越少，所需鐵心的橫截面積也越小，從而可以選用較小的濾波電感、濾波電容和變壓器。因此，通過(guò)提高工作頻率也可以使濾波電感、濾波電容和變壓器的體積和重量顯著降低。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3.2變壓器隔離型DC/DC變換器工作頻率應(yīng)高于20kHz這一人耳的聽(tīng)覺(jué)極限，以免變壓器和電感產(chǎn)生刺耳的噪聲。隨著電力半導(dǎo)體器件和磁性材料的技術(shù)進(jìn)步，電路的工作頻率己達(dá)幾百kHz~幾MHz。由于工作頻率較高，逆變電路通常使用全控型器件，如MOSFET、IGBT等。整流電路中通常采用快恢復(fù)二極管或通態(tài)壓降較低的肖特基二極管。帶隔離變壓器的直流變換器都是由基本的直流斬波器派生而來(lái)。由降壓斬波器派生出正激變換器、半橋變換器、全橋變換器等，由升降壓斬波器派生出反激變換器。帶隔離變壓器的直流變換器分為單端和雙端電路兩大類。在單端電路中，變壓器中流過(guò)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(duì)稱的交流電流。3.2變壓器隔離型DC/DC變換器工作頻率應(yīng)高于20kH3.2.1正激電路單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖開(kāi)關(guān)S開(kāi)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(zhǎng)。S關(guān)斷后，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，電感L電流逐漸減小。變壓器的勵(lì)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1）正激電路的工作過(guò)程Sg000iLiSUdtttontofftt0uSt0t1t2Ud3.2.1正激電路單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖開(kāi)關(guān)S開(kāi)通后，變3.2.1正激電路BRBSBHO磁心復(fù)位過(guò)程2）變壓器的磁心復(fù)位S開(kāi)通后，變壓器的激磁電流im1由零開(kāi)始隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷.S關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通的一段時(shí)間內(nèi)，必須設(shè)法使im1降回到零（變壓器的磁心復(fù)位)，否則下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，im1將在本周期結(jié)束時(shí)的剩余值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開(kāi)關(guān)周期中依次累積起來(lái)，從而導(dǎo)致變壓器的勵(lì)磁電感飽和。勵(lì)磁電感飽和后，im1會(huì)更加迅速地增長(zhǎng)，最終損壞開(kāi)關(guān)器件。3.2.1正激電路BRBSBHO磁心復(fù)位過(guò)程2）變壓器的3.2.1正激電路輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電壓在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，利用“電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零”的原理，得單開(kāi)關(guān)正激電路的原理圖Ud

電感電流連續(xù)的臨界條件為電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，Uo＝UdN2/N1。3.2.1正激電路輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓33.2.1正激電路電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電壓?jiǎn)伍_(kāi)關(guān)正激電路的原理圖Ud

正激型電路的電壓比可看成是將輸入電壓Ud按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)降壓型電路得到的。半橋型、全橋型電路也是如此。雙開(kāi)關(guān)正激型電路中，每個(gè)開(kāi)關(guān)承受的斷態(tài)電壓均為Ud，比單開(kāi)關(guān)正激型電路低，故適合用于高壓輸入電源中使用。雙開(kāi)關(guān)正激型電路原理圖3.2.1正激電路電感電流連續(xù)的情況下輸出電壓3）輸出電3.2.1正激電路4）電路特點(diǎn)正激型電路簡(jiǎn)單可靠，廣泛用于功率為數(shù)百瓦～數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源中。變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線平面的第1象限，變壓器沒(méi)有得到充分利用，因此同樣的功率，其變壓器體積、重量和損耗大于全橋型、半橋型和推挽型電路。較適用于在電源和負(fù)載條件惡劣、干擾很強(qiáng)的環(huán)境下使用同時(shí)又對(duì)體積、重量及效率要求不太高的開(kāi)關(guān)電源場(chǎng)合。3.2.1正激電路4）電路特點(diǎn)正激型電路簡(jiǎn)單可靠，廣泛用3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形

反激電路原理圖

該電路可以看成是將升降壓型電路中的電感換成變壓器繞組W1和W2而得到的。因此在工作中變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。S開(kāi)通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)W2繞組和VD向輸出端釋放。此時(shí)：Ud3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形反激電路原理圖3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形

反激電路原理圖

電流連續(xù)：反激型電路的電壓比可看成是將輸入電壓Ud按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)升降壓型斬波電路得到的。3.2.2反激電路反激電路的電流連續(xù)波形反激電路原理圖3.2.2反激電路電流斷續(xù)模式：S開(kāi)通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。

輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，，因此該電路不應(yīng)工作于負(fù)載開(kāi)路狀態(tài)。反激電路的電流斷續(xù)波形

反激電路原理圖

反激型電路的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，元器件數(shù)少，因此成本較低。變壓器的工作點(diǎn)也僅處于磁化曲線平面的第Ⅰ象限，利用率低。廣泛適用于數(shù)瓦～數(shù)十瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源中。3.2.2反激電路電流斷續(xù)模式：輸出電壓隨負(fù)載減小而升高3.2.3半橋電路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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。1）工作過(guò)程圖8-21半橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖8-22半橋電路的理想化波形3.2.3半橋電路S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成3.2.3半橋電路2）數(shù)量關(guān)系由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)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。圖8-21半橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖8-22半橋電路的理想化波形當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：

如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，

3.2.3半橋電路2）數(shù)量關(guān)系由于電容的隔直作用，半橋電3.2.4全橋電路全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)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(kāi)通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開(kāi)通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個(gè)開(kāi)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。1）工作過(guò)程圖8-23全橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖8-24全橋電路的理想化波形3.2.4全橋電路全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通3.2.4全橋電路如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)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。2）數(shù)量關(guān)系濾波電感電流連續(xù)時(shí)：

輸出電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下：

圖8-23全橋電路原理圖

S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖8-24全橋電路的理想化波形3.2.4全橋電路如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不3.2.5推挽電路電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾百W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)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(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W~幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源表8-1各種不同的間接直流變流電路的比較3.2.5推挽電路變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率表8-3.3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)小型化、輕量化、對(duì)效率和電磁兼容性也有更高的要求。電力電子裝置高頻化濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲(在原理上可降為零)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率（理論上開(kāi)關(guān)頻率提高可不受限制）

3.3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)