第三講直流斬波電路

5.3間接直流變換電路5.3.1正激型電路5.3.2反激型電路5.3.3半橋型電路5.3.4全橋型電路5.3.5推挽型電路

5.3.6高頻整流電路主要內(nèi)容1當(dāng)前第1頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)1、概述直流—交流—直流的變換，也稱間接直流變換電路，同基本的直流斬波電路相比，在電路中增加了交流環(huán)節(jié)，也稱直交直電路，主要應(yīng)用于開關(guān)電源等裝置中。電路的典型結(jié)構(gòu)如下圖：高壓（方波）低壓高頻整流低壓大電流高壓5.3間接直流變換電路2當(dāng)前第2頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)2、采用這種結(jié)構(gòu)的原因：大功率的轉(zhuǎn)換；輸入端和輸出端需要電氣隔離；某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出；輸出電壓和輸入電壓的比例遠(yuǎn)大于1或遠(yuǎn)小于1；交流環(huán)節(jié)采用較高的頻率，可以減小變壓器和濾波電感的體積和重量。通常工作頻率高于20kHz——這一人耳聽覺的極限，以避免變壓器和電感產(chǎn)生刺耳的噪聲。整流電路中，通常采用快恢復(fù)二極管或通態(tài)壓降低的肖特基二極管。5.3間接直流變換電路3當(dāng)前第3頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3帶隔離變壓器的DC-DC變換器（1）單端變換器：變換器只需一個(gè)開關(guān)管，變換器中變壓器的磁通只在單方向變化；（2）雙端變換器：變換器需要兩個(gè)以上開關(guān)管，變換器中變壓器的磁通在雙方向變化；（3）正激變換器：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將能量直接傳送至負(fù)載；（4）反激變換器：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感中，當(dāng)開關(guān)管阻斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載；3、分類：4當(dāng)前第4頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)隔離型直流變換器的分類：隔離型電路單端電路雙端電路正激型電路反激型電路半橋型電路全橋型電路推挽型電路變壓器中的電流是直流脈動的電流變壓器中的電流是正負(fù)對稱的交流5.3間接直流變換電路全波電路5當(dāng)前第5頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器單端正激DC/DC變換器ovOF***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB6當(dāng)前第6頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器N2、D2導(dǎo)電；N3、D1、D3截止1、Ton=DTs期間T導(dǎo)通：***sVLi2i3i1iovLD3N1N2N3D1D2CsiTCBH

F

D

O

AN1的感應(yīng)電動勢：N2的感應(yīng)電動勢：N3的感應(yīng)電動勢：7當(dāng)前第7頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器N2、D2導(dǎo)電；N3、D1、D3截止1、Ton=DTs期間T導(dǎo)通：***sVLi2i3i1iovLD3N1N2N3D1D2CsiTCBH

F

D

O

A磁通量增加：輸出電壓：8當(dāng)前第8頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器N2、D2導(dǎo)電；N3、D1、D3截止1、Ton=DTs期間T導(dǎo)通：***sVLi2i3i1iovLD3N1N2N3D1D2CsiTCBH

F

D

O

A電感L兩端電壓為9當(dāng)前第9頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器由于T關(guān)斷，i1=0，磁通減小，三個(gè)繞組產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢。i3將N3感應(yīng)電勢經(jīng)D3反送至電源，i3減小到零;iL經(jīng)D1續(xù)流。電感L兩端電壓為：2、Toff

=(1-D)Ts期間，T截止，D2截止：

Li***sV2i3iovLD3AN1N2N3D1D2CsiTCHB

F

DO10當(dāng)前第10頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器磁通減小量為：2、Toff

=(1-D)Ts期間，T截止，D2截止：

Li***sV2i3iovLD3AN1N2N3D1D2CsiTCHB

F

DO11當(dāng)前第11頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器

在整個(gè)周期中，如果磁通增加量大于磁通減小量，即：

在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，鐵芯磁通都將增加，很快鐵芯飽和不能工作。因此，必須要求D<Dmax，使磁通復(fù)位。磁心復(fù)位過程12當(dāng)前第12頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.1單端正激變換器根據(jù)電感L直的伏秒平衡原理，得到輸出直流平均電壓為：變壓比為：在T阻斷，D3導(dǎo)通器件，開關(guān)管T兩端電壓為：13當(dāng)前第13頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)雙管正激變換器T1和T2具有相同的占空比；T1、T2導(dǎo)通時(shí)，D1、D2反偏截止，電源通過變壓器向負(fù)載輸送能量T1、T2截止時(shí)，iL經(jīng)D續(xù)流，變壓器激磁電流經(jīng)D1、D2返回電源，起去磁作用。不需要專門的去磁繞組;多一個(gè)開關(guān)管；開關(guān)管上承受的電壓僅為Vd，小于單管變換器。(c)雙管正激變換器**T2T1D2D1CLDsVLiN114當(dāng)前第14頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.2單端反激變換器反激變換器——開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感（變壓器）中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載單端變換器——變壓器磁通僅在單方向變化(a)Buck－Boost變換器sV-+RCLTD15當(dāng)前第15頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)T導(dǎo)通時(shí)的關(guān)系式N1*為正，D1截止T導(dǎo)電結(jié)束時(shí)16當(dāng)前第16頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)T導(dǎo)通時(shí)的關(guān)系式T阻斷后的最初瞬間，i1=0，但磁場儲能不能發(fā)生突變，因此繞組N1的磁能轉(zhuǎn)化為N2繞組的磁能：可得故N2繞組的初值電流為：17當(dāng)前第17頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)T阻斷時(shí)的關(guān)系式電流i2、磁通Ф減小，電流i2從i20線性減小到i2min，則：磁通Ф減小量為：在T再次開通時(shí)，N2繞組的電流i2min轉(zhuǎn)到N1繞組的電流初值i10：18當(dāng)前第18頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)綜合通、斷兩種情況的關(guān)系式穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)在一個(gè)周期TS中變壓器增加的磁通應(yīng)等于減少的磁通量，所以得到輸出直流電壓平均值：變壓比：電流i1的初值為：N1繞組的最大電流：19當(dāng)前第19頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)關(guān)系式N2繞組的最小電流：電流i2不斷流的條件i2min≥0，所以有：20當(dāng)前第20頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)關(guān)系式開關(guān)管阻斷、D1導(dǎo)通時(shí)承受的正向電壓++21當(dāng)前第21頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)雙管反激變換器T1、T2同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)阻斷；導(dǎo)通時(shí)將電源能量儲存在變壓器中，阻斷時(shí)儲存的能量送給負(fù)載，原方繞組電流通過D1、D2和電源續(xù)流、去磁。T1、T2所承受的最高電壓僅為電源電壓Vs

(c)雙管反激變換器**T2T1D2D1CsVD22當(dāng)前第22頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.3半橋電路典型半橋型直流變換器：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。電容分壓：C1、C2每個(gè)電容上分壓為Ui/2

“雙端”：變壓器流過的是正負(fù)相等的交流。工作過程分析：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);23當(dāng)前第23頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)當(dāng)兩個(gè)開關(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。半橋電路也是Buck電路的拓?fù)洹?.3.3半橋電路uG1uG2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO24當(dāng)前第24頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)輸入輸出電壓關(guān)系：電感電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電流極限為零：電感電流不連續(xù)時(shí)：

輸出電壓將高于上式，在負(fù)載為零的極限下

為了避免上下兩個(gè)開關(guān)在換流過程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象而損壞開關(guān)，每個(gè)開關(guān)管各自的占空比小于0.5。5.3.3半橋電路25當(dāng)前第25頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)典型全橋型直流變換器：

全橋電路也是Buck電路的拓?fù)洹?.3.4全橋電路全橋電路中，互為對角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)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。26當(dāng)前第26頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)全橋電路工作原理：當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，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。5.3.4全橋電路uG1uG2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO27當(dāng)前第27頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)輸出輸入電壓的關(guān)系：

電感電流連續(xù)時(shí)

電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓高于上式，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限下，有5.3.4全橋電路28當(dāng)前第28頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)5.3.5推挽電路S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，電感L電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍Ui。推挽電路也是Buck電路的拓?fù)?。典型推挽直流變換器：推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N'1兩端分別形成相位相反的交流電壓。29當(dāng)前第29頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)輸出輸入電壓間的關(guān)系：電感電流連續(xù)時(shí)：電感電流不連續(xù)時(shí)：并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限下，有5.3.5推挽電路uG1uG2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO30當(dāng)前第30頁\共有34頁\編于星期六\16點(diǎn)各種不同的間接直流變流電路的比較電路優(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(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(lì)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(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)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏