電力電子技術 第4章 直流-直流變換電路

第4章直流-直流變換電路12023/2/14.1直流斬波器的基本電路4.4晶閘管作為電力電子開關的斬波器4.3直流斬波器在電力傳動中的應用4.2帶輸出變壓器的直流變換電路4.5斬控式交流調壓電路<>2023/2/124.1直流斬波器的基本電路基本電路<>4.1.1降壓型（Buck)斬波電路4.1.2升壓型（Boost)斬波電路4.1.3升-降壓型（Buck-Boost)斬波電路4.1.4丘克(Quk)電路4.1.1降壓型（Buck)斬波電路降壓型（Buck)斬波電路電流斷續(xù)電路構成電流連續(xù)><42023/2/14.1.1降壓型（Buck)斬波電路——電路構成圖中S為電力電子開關，可用全控型電力電子器件來實現(xiàn)，也可用晶閘管加適當?shù)膿Q流電路來實現(xiàn)。電力電子開關按照一定的規(guī)律周期性地開通和關斷，其工作周期為T，開關接通的時間為Ton，關斷的時間為Toff。

斬波周期為：Ton與T的比值為占空比D

VD為續(xù)流二極管，與電子開關交替工作。L為儲能電感，C為濾波電容器，R為負載電阻，U為直流電源52023/2/14.1.1降壓型（Buck)斬波電路——電流連續(xù)在S閉合期間，回路方程為

S關斷器件的回路電壓方程為

在一個周期中電感電流的變化規(guī)律為

62023/2/14.1.1降壓型（Buck)斬波電路——電流連續(xù)負載電壓與電源電壓的關系為電感電流的峰-峰值IPP為

電感電流連續(xù)的臨界值ILB為

在D=0.5時達到最大值，就是說在D=0.5時電流最容易斷續(xù)。

72023/2/14.1.1降壓型（Buck)斬波電路——電流斷續(xù)如果令電流斷續(xù)時電感電流平均值（也就是負載電流平均值IO）與ILB的比值為k，不難推出電流斷續(xù)時負載電壓與D和k的關系為4.1.2升壓型（Boost)斬波電路升壓型（Boost)斬波電路元件選擇電流斷續(xù)電流連續(xù)電路構成<>92023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電路構成S閉合時，電源U、電感L、S形成回路，S兩端的電壓為0，電源向電感輸送電能，電感電流上升。由于S的閉合二極管VD兩端的電壓為－UO，VD阻斷，C通過R形成放電回路，供給負載電壓。102023/2/1如果S斷開，切斷了電感的充電回路，由于電感中的電流不能突變，電感、電源、二極管和負載形成回路。電感兩端出現(xiàn)感應電壓，方向左負右正，該電壓與電源順向串聯(lián)后與負載連接，使得電容器兩端的電壓即負載電壓高于電源電壓，所以該電路叫做升壓型斬波器。4.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電路構成112023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電流連續(xù)仍設電子開關S閉合的時間為Ton，電子開關斷開的時間為Toff。閉合時電感電壓uL=U，S斷開時uL=U－UO，uL的波形為矩形波。電感電壓不可能出現(xiàn)直流成分，uL波形的正面積與負面積應相等，即UTon=（U－UO）Toff?；騏DT=（UO－U）（1－D）T，由此得出負載電壓與電源電壓的關系為

122023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電流連續(xù)

電感電流的變化規(guī)律為電感電流iL的峰-峰值為

臨界電流ILB為

132023/2/1臨界電流ILB為

二極管的電流平均值就是負載電流平均值，在臨界連續(xù)時，二極管電流IVD為一三角形，其平均值IOB為三角形的面積除以開關周期T，即

4.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電流連續(xù)142023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電流斷續(xù)Boost電路在電感儲能不夠大時也會出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象152023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——電流斷續(xù)可計算出此時UO與U的關系為

162023/2/14.1.2升壓型（Boost)斬波電路——元件選擇

電子開關的選擇：電子開關承受的最大電壓為Uo,通過的電流按下式計算：

續(xù)流二極管的電壓和電流的選擇原則與電子開關相同。電感的選擇與斬波頻率、電源電壓、占空比以及臨界連續(xù)電流等因素有關，為：

電容：電容的大小決定輸出電壓的波動程度，可按下式計算

4.1.3升-降壓型（Buck-Boost)斬波電路<>升-降壓型特性曲線電路結構數(shù)量關系182023/2/14.1.3升-降壓型（Buck-Boost)斬波電路——電路結構結構特點：在與升壓和降壓電路相同的拓撲結構上S、L、VD的位置又發(fā)生了變化。仍定義開關S的工作周期為T，S閉合的時間為Ton，S斷開的時間為Toff工作過程：在S閉合期間，電源通過開關與電感形成回路，電感電流上升，在圖中該電流的方向是順時針的。此時二極管承受反壓阻斷，負載電流由電容器放電提供。S斷開時，由于電感電流不能突變，電流通過負載和二極管形成回路，向電容器充電和供給負載以電能，在圖中，電流的方向是反時針的。

192023/2/14.1.3升-降壓型（Buck-Boost)斬波電路——數(shù)量關系電感電壓不可能有直流成分，即uL波形的正負面積相等由此得出負載電壓與電源電壓的關系為：202023/2/14.1.3升-降壓型（Buck-Boost)斬波電路——特性曲線電路結構丘克(Quk)電路工作原理4.1.4丘克(Quk)電路222023/2/14.1.4丘克(Quk)電路——電路結構電源端和負載端分別串接了電感L1和L2，電感量很大，使得電源電流iL1和負載電流iL2為恒定值，在以下的討論中將電源和負載都看成具有恒流特性iL1=Ii；iL2=IO。該電路的儲能元件為電容器C，它的作用相當于Buck-Boost電路中的儲能電感。丘克電路的主路接線圖232023/2/14.1.4丘克(Quk)電路——工作原理

S閉合期間S斷開期間

負載電流和電源電流之間的關系為

電路無損耗，輸入功率等于輸出功率，輸入電壓和輸出電壓的關系為

4.2帶輸出變壓器的直流變換電路直流變換器<>4.2.1單端正激直流變換器4.2.2回掃式（單端反激式）直流變換器4.2.3雙管正激式直流變換器4.2.4雙管反激式直流變換器252023/2/14.2.1單端正激直流變換器帶輸出變壓器的單端正激（Forward）直流變換器的主電路原理圖如圖所示。由下面的分析可看出，該電路實際上是在Buck電路中加入了變壓器，許多特點與Buck電路相似。圖中S為電子開關，N1為輸出變壓器的初級，N2為變壓器的次級線圈，N3的作用是在S斷開時為變壓器磁場能量的釋放提供通道。262023/2/1在S閉合時，線圈N1兩端電壓u1=U，電流i1流過N1，按圖中所標同名端的位置，次級線圈N2兩端的電壓上正下負，N3兩端的電壓下正上負。電壓的大小為4.2.1單端正激直流變換器272023/2/14.2.1單端正激直流變換器VD1正偏導通，VD2、VD3均承受反壓而截止。N1中的電流i1開始上升，i1中包括兩部分：耦合電流i01和激磁電流ir1。ir1從0開始上升i01產生的磁通Ф01恰好與i2產生的磁通Ф2相抵消，總磁通為Ф，激磁磁通為Фr1，則282023/2/14.2.1單端正激直流變換器

虛線圈中的部分為一個除去電源和開關部分的Buck電路，根據(jù)上面的分析虛線圈以外的部分可等效成一個直流電源U’和一個電子開關S’。S’與S同步動作，U’的大小為

由于激磁電流ir1線性上升，磁能釋放電流i3又線性下降，所以i3下降到0所需的時間可以用幾何方法來求得，設i3下降到0的時間為TF，則

因此負載電壓為292023/2/14.2.2回掃式（單端反激式）直流變換器回掃式（Flyback）直流變換器如圖所示，該電路又稱單端反激式直流變換器，由下面的分析可知，它相當于在Buck-Boost電路中插入了變壓器而形成.電源與N1接通，N1、N2的“點”端電壓為正，二極管VD承受反壓而截止，N2中無電流，對N1不產生影響，電路中只相當于一個電感與電源連接，這與Buck-Boost電路是完全相同的。S閉合期間302023/2/14.2.2回掃式（單端反激式）直流變換器

S斷開期間，N1的電流通路被截斷，電路的磁場能量轉移到N2中，線圈的“點”端電壓為負，使得VD導通，N2、VD、UO構成回路，回路電壓方程為312023/2/14.2.2回掃式（單端反激式）直流變換器在S開通和關斷的兩種情況下電路中均為一個線圈有電流而另一個線圈無電流，所以變壓器在此電路中相當于一個電感，u1相當于電感電壓，在一個工作周期中，u1的平均值應為0，S閉合的持續(xù)時間為DT，S關斷的持續(xù)時間為（1－D）T，因此

322023/2/14.2.3雙管正激式直流變換器S1和S2關斷后，N2中的電流消失，但磁路中儲存的磁能必須要有一個釋放的途徑。根據(jù)楞次定律，N1中電流的方向不能突變，繞組中感應電壓的方向為“?”端為負，N1中的電流通過VD1、直流電源正極、直流電源負極、VD2形成回路。可見消磁作用是通過上述回路完成的，因此就省掉了消磁繞組。該電路的變壓器只有初級和次級兩個繞組而沒有消磁繞組。但是比單端正激式電路多了一個電子開關。兩個電子開關S1和S2也是單向導電型的，電流只能從上向下流動。電路工作時S1和S2同時開通，此時變壓器初級繞組兩端的電壓為上正下負，兩個二極管處于關斷狀態(tài)，變壓器把由于S1和S2導通形成的電流耦合到次級，經整流后供給負載。332023/2/14.2.4雙管反激式直流變換器反激式直流變換器不需要消磁繞組，其變壓器實際上相當于一個電感。電子開關接通時直流電源通過初級繞組為電感供給能量，電子開關關斷時，電感的儲能通過次級繞組釋放。但是完全作到這一點的條件是兩個繞組必須完全緊密地耦合，也就是沒有漏感。實際上變壓器的漏感是不會完全沒有的，如果變壓器的初級繞組存在著漏感，從電源吸收的能量以磁能的形式儲存，一部分磁力線與N1和N2共同交鏈，而另一部分僅與N1交鏈，這部分能量不可能傳輸?shù)阶儔浩鞯拇渭墶．旊娮娱_關關斷時，這些能量會在初級繞組形成過電壓。為防止這個過電壓造成的危害，常在變壓器的初級加RCD吸收網絡（關于吸收網絡詳見電力電子器件的緩沖電路一節(jié)）。采用雙管反激式直流變換器的電路形式可以不設RCD吸收網絡4.3.2降壓和升壓型斬波器組合供電的電力傳動系統(tǒng)4.3.3可以四象限運行的直流電力傳動系統(tǒng)4.3直流斬波器在電力傳動中的應用直流斬波器應用<>4.3.1降壓型斬波器供電的電力傳動系統(tǒng)4.3.4升壓型斬波器在串級調速系統(tǒng)中的應用4.3直流斬波器在電力傳動中的應用直流電動機是通過調節(jié)其電樞或勵磁繞組的電壓來達到調速目的的，前者一般叫調壓調速，后者叫調磁調速。直流電機所需的電能一般都來自交流電網，對其進行調速大致有兩種方案：

362023/2/14.3.1降壓型斬波器供電的電力傳動系統(tǒng)圖中沒有濾波電容C，因為電動機兩端的電壓Ud基本上等于電動機的旋轉電動勢E，而旋轉電動勢正比于電動機的轉速，電動機的轉子部分有很大的慣性，機械時間常數(shù)比斬波器電子開關的工作周期要大得多，在若干個斬波周期中轉速不會產生明顯的變化，所以轉子的慣性本身就有良好的濾波作用.電感周圍的虛線框的意思是電動機的轉子本身就有很大的電感，實際電路中是不是再外接電感根據(jù)具體需要而定。缺點：要想快速地制動只能采取能耗制動或摩擦制動等措施，使電機在較短的時間減速或停機。并且，電機的制動能量也不可能回饋到電網。372023/2/14.3.2降壓和升壓型斬波器組合供電的電力傳動系統(tǒng)用一個降壓型斬波器（Buck）和一個升壓型斬波器（Boost）組合起來，共同驅動一臺直流電動機，可以做到既能在電動狀態(tài)為電動機調速又能為電動機施加制動力矩，并且可以將制動能量回饋到電源。

S1、VD2組成Buck電路，電源把能量輸送給負載。S2、VD1組成Boost電路，負載把能量回饋給電源。

382023/2/14.3.2降壓和升壓型斬波器組合供電的電力傳動系統(tǒng)在電流很小時，S1、S2、VD1、VD2這4個開關器件是交替配合工作的，其控制規(guī)律如下：在電感電流iL的上升階段，為電子開關S1加導通控制信號uK1；在電感電流iL的下降階段，為電子開關S2加導通控制信號uK2。由于電子開關實際上都是單向導電的全控型電力電子器件，對其施加開通驅動信號它未必就能夠導通，還必須要求電感電流的實際方向與電子開關的導通方向一致。因此可能出現(xiàn)兩個電子開關都不導通的現(xiàn)象，在這種情況下電感電流就要通過兩個二極管中的一個形成回路。392023/2/1H型結構的電路是對稱的，但對于4個橋臂，控制信號是不對稱的。通常通過S2、S4所在的橋臂控制電動機的正轉和反轉，因此這兩個橋臂又稱為方向臂。

如果欲使電機反轉，則S2始終保持導通狀態(tài)，S4始終保持截止狀態(tài)，電路中B點與電源正極連接。此時電路也是一種二象限斬波電路只是電源的極性反接。在電動機的正轉狀態(tài)（無論電動還是制動），S4始終保持導通狀態(tài)，S2始終保持截止狀態(tài)。電路中B點與電源負極連接。不難看出，此時的等效電路與二象限斬波電路相同。4.3.3可以四象限運行的直流電力傳動系統(tǒng)402023/2/14.3.3可以四象限運行的直流電力傳動系統(tǒng)412023/2/14.3.4升壓型斬波器在串級調速系統(tǒng)中的應用串級調速是將繞線式交流異步電動機的三相轉子電流通過匯流環(huán)引出，作為電源進入三相不可控整流電路進行整流，整流器的輸出端與晶閘管有源逆變電路的直流側相連接，作為有源逆變的直流電源。逆變后得到的交流電經變壓器耦合又回送到電網，既達到了調速的目的，又充分利用了電能。但是，在電動機轉速較低時，由于轉子電壓降低，整流器輸出直流電壓也降低。這個電壓就是逆變器的直流電源電壓，因為它的降低，要想不影響逆變電路的工作，就必須增大逆變角β。由第二章可知，逆變角越大，逆變電路交流側的功率因數(shù)就越低。如果在整流器的輸出和逆變器的直流輸入端之間加入一個升壓型斬波器，可以提高功率因數(shù)，電路如圖所示。422023/2/14.3.4升壓型斬波器在串級調速系統(tǒng)中的應用礦井井架礦井提升機礦井提升機控制臺用于礦井提升機的串級調速設備4.4用晶閘管作為電力電子開關的直流斬波器城市無軌電車大量使用直流斬波技術，許多是有晶閘管構成的工礦用電力機車也普遍使用由晶閘管構成的直流斬波器4.4用晶閘管作為電力電子開關的直流斬波器<>4.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器4.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器4.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器晶閘管直流斬波器4.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器波形圖工作過程電路結構晶閘管定寬調頻直流斬波器<>462023/2/14.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器——電路結構晶閘管定寬調頻型斬波器的主電路原理圖如圖所示。圖中VT為主晶閘管，它與周圍的電容器C、電感L1和L2、二極管VD共同組成電力電子開關，

LP為濾波電感，VDR為續(xù)流二極管。直流電源U通過上述斬波電路為直流電動機M供電?？梢钥闯?，這是一個降壓型直流斬波器。晶閘管定寬調頻型直流斬波器主電路原理圖472023/2/14.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器——波形圖482023/2/14.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器——工作過程續(xù)流二極管導通階段，負載電流流經續(xù)流二極管，iVDR=id=Id。ud=0，晶閘管兩端的電壓uVT=U>0，晶閘管具備主電路開通條件。由于電感L1和L2中均沒有電流，電容器兩端電壓為電源電壓U，左正右負。等效電路如右圖。

1t=0時向晶閘管VT發(fā)出觸發(fā)脈沖，VT導通，VT的導通給續(xù)流二極管加反向電壓使其截止，此階段開始電子開關向負載供電，ud=U。VT的導通同時也構成了L1C振蕩的回路，如右圖。2492023/2/14.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器——工作過程晶閘管關斷以后，由于電感中的電流不能突變，電流必然要尋求新的回路。新的振蕩回路為：C、L1、L2、VD，如圖。電容器電流的一部分為負載電流id，另一部分為L2、VD支路的電流，即iC=

id+iVD。3t=t4時，電容器電流達到最大值，之后開始下降，晶閘管承受的電壓由負變?yōu)檎藭r的等效電路如圖4-32（c）?？梢钥闯?，此階段的等效電路與上一階段相同，只是電感電壓的方向發(fā)生了變化。當t=t5時，iC下降到Id，續(xù)流二極管關斷。4502023/2/14.4.1晶閘管定寬調頻直流斬波器——工作過程續(xù)流二極管關斷以后的等效電路如右圖。二極管承受反壓截止，電源經過電容器C、電感L1給負載供電。由于負載的恒流作用，電容器被以恒定電流Id充電，電壓uC線性增長。56.在t=t6時，恒流充電使電容器電壓略大于電源電壓，續(xù)流二極管導通，負載電壓為0，進入續(xù)流二極管VDR與電容器換流的階段，等效電路如圖所示。64.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器波形圖工作過程電路結構晶閘管脈寬可調直流斬波器<>522023/2/14.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器——電路結構VT1稱為主晶閘管，VDR為續(xù)流二極管，LP為濾波電感，M為直流電動機。圖中的其它元件組成換流電路，其中VT2為輔助晶閘管，其作用是控制脈沖寬度、關斷主晶閘管。電路工作時，主晶閘管與輔助晶閘管的觸發(fā)信號為同一頻率，主晶閘管先導通，延遲一段時間后輔助晶閘管又導通，主晶閘管在同時關斷。532023/2/14.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器——波形圖542023/2/14.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器——工作過程1.在t=0時觸發(fā)VT1，VT1導通后由于電感L2的作用，形成VT1和VDR的換流過程，本階段的等效電路如圖4-34（a）。

2.VT1導通階段，等效電路如圖4-34（b），直流電源通過主晶閘管和電感L2向負載供電，iVT1=iL2=Id，由于流過電感的電流為直流Id，電感電壓為0，ud=U。以上兩個階段換流電路處于待工作狀態(tài)，電容器兩端電壓保持UC0。552023/2/14.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器——工作過程3.t=t2時，觸發(fā)輔助晶閘管VT2，VT2導通后構成L1C振蕩回路，換流電路開始工作，等效電路圖4-34（c）所示。

4.VT2關斷后，由VD1和仍處于導通狀態(tài)的VT1構成新的振蕩回路，電路繼續(xù)振蕩。其等效電路如4-34（d）所示。562023/2/14.4.2晶閘管脈寬可調直流斬波器——工作過程5.VT1關斷后，VD2導通，形成新的振蕩回路，其等效電路如圖4-34（e）所示。該振蕩電路的總電感為L=L1+L2，電路的參數(shù)發(fā)生了變化。

6.VD2關斷后，電源經C、L1、VD1、L2給負載供電，等效電路如圖4-34（f）所示。因負載具有恒流特性，該電路的電流為Id，電感兩端的電壓突變?yōu)?，負載電壓ud=U-uC，主晶閘管兩端的電壓uVT1=uC。4.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器波形圖工作過程電路結構逆導型晶閘管的直流斬波器<>582023/2/14.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器——電路結構VT1主晶閘管，其作用是向負載輸出斬波脈沖。VT2為輔助晶閘管，其作用是觸發(fā)導通后引發(fā)換流電路的振蕩，關斷主晶閘管。VDR為續(xù)流二極管。VT2與L、C組成換流電路。VDR為續(xù)流二極管。VT2與L、C組成換流電路。用逆導型晶閘管構成直流斬波器的主電路，電路的結構可以簡化。592023/2/14.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器——波形圖602023/2/14.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器——工作過程在t=t1時，向VT1發(fā)觸發(fā)信號，VT1中的晶閘管部分導通，使續(xù)流二極管承受反向電壓而截止。電源經VT1中的晶閘管部分向負載供電。ud=U，流過VT1中晶閘管的電流為iVT1=Id。換流電路的狀態(tài)沒有變化，電容器兩端仍保持初始電壓UC0。1到t=t3時，振蕩電流下降到負的最大值，電容器電壓下降到0。此后，振蕩電流從負的最大值開始上升，電容器電壓從0向負的方向增長。3在t=t2時，觸發(fā)VT2，VT2中的晶閘管導通，構成LC振蕩回路，振蕩電流和電容器兩端的電壓的參考方向如圖圖4-36中所示。

2612023/2/14.4.3逆導型晶閘管的直流斬波器——工作過程t=t4時為振蕩的半個周期，電容器電壓下降到負的最大值，VT2中晶閘管的電流下降到0，晶閘管關斷。此后，振蕩電流變?yōu)檎?，流過VT2中的二極管部分，構成新的振蕩回路。4到t=t5時，iC=Id，晶閘管電流iVT1=0，VT1中的晶閘管關斷。此后，振蕩電流繼續(xù)增大，iC>Id，電流流過VT1中的二極管部分。VT1中的二極管的正向導通壓降為其中的晶閘管施加反向電壓以保證其可靠截止。5t=t6時，振蕩電流增大到正的最大值，以后開始下降，流過VT1中二極管的電流開始逐漸減小，電容器電壓繼續(xù)上升。6到t=t7時，振蕩電流減小到與負載電流相等，VT1中二極管的電流減小到0，二極管關斷。74.5斬控式交流調壓電路<>斬控式交流調壓電路4.5.1斬控式交流調壓器的工作原理4.5.2電源與負載端的隔離4.5.3雙向電力電子開關632023/2/14.5.1斬控式交流調壓器的工作原理——基本結構

642023/2/1

4.5.1斬控式交流調壓器的工作原理——基本結構式中φk=kπD——為k次諧波的初相角；ω0=2π/T，為e