电力电子第8章变流电路的组合

1、第第 8 章变流电路的组合章变流电路的组合8.1 8.1 相控整流电路的串并联相控整流电路的串并联 8.2 8.2 多重化逆变电路多重化逆变电路 8.3 8.3 级联式变流器级联式变流器 8.4 8.4 开关电源开关电源 小小 结结 电磁感应定律 （1）在电磁感应过程中，感生电流所产生的磁通总是阻止磁通的变化。即在磁通增加时，感生电流所产生的磁通与原来磁通方向相反，削弱原磁通的增长；当磁通减小时，感生电流产生的磁通与原来磁通方向相同，阻止原磁通减小。这就是楞次定律。当通过线圈的磁通发生变化时，在线圈两端就要产生感应电动势e。磁通变化越快，感应电动势e就越大。（2）当电压u加在线圈输入端时，在线

2、圈中产生电流，引起磁芯中磁场变化互感同名端电流从两个线圈的同名端流入，磁通是相互加强的；反之磁通互相抵消。线圈N1中电流i1在N2上产生的互感电势为线圈N2中电流i2在N1上产生的互感电势为互感磁势耦合系数将互感磁通与总磁通之比称为耦合度当两个线圈都有电流流通，通过互感互相影响。无漏感时K=1变压器空载（次级不接负载）（1） 假设初级与次级线圈全耦合K=1 N1的端电压 （L1:次级开路时的初级电感。） 在时间t时磁芯中磁通和线圈中的电流分别为变压器空载（次级不接负载）（2）因为全耦合L2:初级开路时的次级电感初级开路时的次级电感。变压器负载状态如果将次级与负载接通，在次级线圈中就产如果将次级

3、与负载接通，在次级线圈中就产生电流生电流i2=u2/Z流经负载。电流流经负载。电流i2在线圈在线圈N2中中产生产生磁势磁势i2N2将产生磁通将产生磁通2，与初级，与初级i1N1产产生的磁通生的磁通1的方向相反。为了维持与空载一的方向相反。为了维持与空载一样的感应电势样的感应电势e1所需的磁通变化量所需的磁通变化量1t= 1- 2。必须加大输入电流。必须加大输入电流i1保持激磁保持激磁磁势磁势i1tN1基本不变，即基本不变，即i1tN1=i1N1- i2N2得出得出i1=i1t +i2*N2/N1当激磁电感很大时，理想为无穷大，则激磁电流为当激磁电感很大时，理想为无穷大，则激磁电流为0。则。则i

4、1=i2*N2/N1负载电流越大，反射到初级电流就越大负载电流越大，反射到初级电流就越大理想变压器等效电路理想变压器：如果磁芯磁导率u=，激磁电流为零，同时初级与次级线圈全耦合，且线圈电阻为零，也不考虑磁芯损耗和饱和。当输出端有负载时，输入电流增加。因此变压器的等效输入阻抗i1=i2*N2/N1磁芯的磁滞回线Bs:饱和磁感应强度Br:剩余磁感应强度Hc:矫顽磁力8.4 8.4 开关电源开关电源 8.4.1 8.4.1 带隔离变压器的单端变换电路带隔离变压器的单端变换电路 由由BuckBuck、BoostBoost、Boost-BuckBoost-Buck和和CukCuk四种四种DC-DCDC-

5、DC变换衍生变换衍生 在基本在基本DC-DCDC-DC变换电路中插入了隔离变压器，使电源和负变换电路中插入了隔离变压器，使电源和负载之间有电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容载之间有电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性，适当的变压比还可以使电源电压与负载电压匹配。性，适当的变压比还可以使电源电压与负载电压匹配。 带隔离变压器的带隔离变压器的DC-DC变换电路可分为单端电路（变换电路可分为单端电路（Single End）和双端电路（）和双端电路（Double End）两大类，）两大类， 单端变换器变压器磁通只在一个方向上变化，正激和反激单端变换器变压器磁通只在一个方向上变化

6、，正激和反激电路属于单端电路，电路属于单端电路， 双端变换器变压器磁通作正反方向变化，半桥和全桥电路双端变换器变压器磁通作正反方向变化，半桥和全桥电路属于双端电路属于双端电路。 一一 单端正激变换器单端正激变换器（Forward ConverterForward Converter） N1原边绕组、原边绕组、 N2副边绕组副边绕组N3磁通复位绕组磁通复位绕组T开关管作斩波控制开关管作斩波控制T导通时，导通时，N1电流电流i1上升上升,变压变压器铁心磁通增加，在副边绕组器铁心磁通增加，在副边绕组N2中感生电势，使二极管中感生电势，使二极管D2导导通，通，D3截止，电感电流截止，电感电流iL= i

7、2向向负载供电。负载供电。T导通时，因为磁通复位绕组导通时，因为磁通复位绕组N3中感生负电压，中感生负电压，D1截止，截止，N3中没有电流。中没有电流。T关断时，电感关断时，电感L经负载和经负载和D3续流。电容续流。电容C用于使输出电压用于使输出电压U0稳定。稳定。磁通复位绕组磁通复位绕组N3的作用是，因为变压器原边只在的作用是，因为变压器原边只在T导通时导通时有单方向电流，铁心的磁化也是单向的，在电流为零时，有单方向电流，铁心的磁化也是单向的，在电流为零时，铁心仍有剩磁，当下次铁心仍有剩磁，当下次T导通时，变压器磁通从剩磁开始上导通时，变压器磁通从剩磁开始上升，在升，在T重复通断中，重复通断

8、中， 剩磁越积越多，最后导致铁心饱和，剩磁越积越多，最后导致铁心饱和，使变压器励磁电流迅速增加可以损坏开关管使变压器励磁电流迅速增加可以损坏开关管T。为了避免铁。为了避免铁心的饱和现象，增加了磁通复位绕组。在心的饱和现象，增加了磁通复位绕组。在T关断时，变压器关断时，变压器电流下降，磁通下降，在电流下降，磁通下降，在N3中感应电动势为上中感应电动势为上“”，下，下“”，D1导通，产生电流导通，产生电流i3，i3与与i1反方向使铁心消除剩反方向使铁心消除剩磁，这过程称为磁通的复位，这对单激式变换器是很重要磁，这过程称为磁通的复位，这对单激式变换器是很重要的。的。 在在T T导通时（导通时（0 0

9、t tonon）变压器副边电压变压器副边电压 dUNNu122T关断时（关断时（tonT）, 副边电压副边电压消磁过程（消磁过程（ tontk ）dUNNu322开关管开关管T T承受的峰值电压为：承受的峰值电压为： dUNNu311ddddTmUNNNUNNUuUu331311N3N3在在N1N1中感生的电压为中感生的电压为单端正激变换器的工作过程如下：单端正激变换器的工作过程如下：T消磁结束（消磁结束（t tk kT T ）02uddonDOkUUNNTtUU123Tton12NNk 变换器输出电压变换器输出电压若取变压器若取变压器N3=N1,则正激变换器的最大占空比则正激变换器的最大占空

10、比max0.5,开关管开关管T的最大反向电压为的最大反向电压为2Ud。式中：式中：调整匝比输出电压调整匝比输出电压UO可以高于可以高于Ud,也可以低也可以低于于 Ud双开关正激变换电路双开关正激变换电路 T1、T2导通时：电源经变压器向负载端输出电流导通时：电源经变压器向负载端输出电流T1和和T2关断时，电感关断时，电感L经二极管经二极管D3续流，同时变压器励磁续流，同时变压器励磁电流经电流经D1、D2向电源向电源Ud返回磁能。返回磁能。双管正激变换器比单管电路多用一个开关管，但开关管承双管正激变换器比单管电路多用一个开关管，但开关管承受电源电压受电源电压Ud，单管电路低一倍。同时变压器少了一

11、个磁通，单管电路低一倍。同时变压器少了一个磁通复位绕组。复位绕组。双开关正激电路常用在功率较大，电源与负载之间需要隔离的双开关正激电路常用在功率较大，电源与负载之间需要隔离的DC/DC变换。变换。 二二 单端反激变换器（单端反激变换器（Flyback ConverterFlyback Converter） 电流电流i2有两种情况有两种情况211121iLW 12202221WiLW222121NNLLmax12120iNNi开关开关T T导通时，电流导通时，电流i1 1上升，上升，铁心磁通增大，原边绕组电感铁心磁通增大，原边绕组电感L L1 1储能。储能。T T关断时，原边电流关断时，原边电流

12、i1 1转移到转移到副边，即铁心磁场储能经副边，即铁心磁场储能经N N2 2绕组绕组输出，在转换瞬间电感输出，在转换瞬间电感L L2 2储能。储能。在不考虑绕组电阻和漏感情况下在不考虑绕组电阻和漏感情况下所以所以i2的初始电流为：的初始电流为：电流电流i2有两种情况有两种情况（1） 电流连续时电流连续时 T1导通前，导通前，i2下降为下降为I10, T1导通时导通时i1从从I10开始增加。开始增加。T1关断时，关断时，i2从从I20下降。下降。（2） 电流断续时电流断续时 T1导通前，导通前，i2已经下降为已经下降为0, T1导通导通时时i1从从0开始增加。开始增加。电流连续时电流连续时（0t

13、on和和tonT），变压器磁场储能变化，变压器磁场储能变化量应该相等，即量应该相等，即u2正负半周面积应相等，因此正负半周面积应相等，因此 )9.8(1)(1212120ddononOdononUNNUNNtTtUUNNtUtT单端反激电路是单端反激电路是DC/DC升压降压型变换器，升压降压型变换器，电路不能电路不能空载运行。空载运行。 开关管开关管T1关断时，承受的最高正向电压关断时，承受的最高正向电压VTmax为为Tton式中：占空比式中：占空比？伏秒平衡021maxUNNUVdT三三 变压器隔离型变压器隔离型Cuk变换器变换器 电容应除以电容应除以12NNk 2k2k在在Cuk电路（图电

14、路（图4.7a）基础上）基础上,将电容将电容C1拆分为拆分为C11、C12两两个电容，并在两电容间插入了隔离变压器。个电容，并在两电容间插入了隔离变压器。与原与原Cuk电路比电路比电感值应乘以电感值应乘以副边电流应除以变比副边电流应除以变比k。变压器副边电压应乘以变压器变比变压器副边电压应乘以变压器变比8.4.2 8.4.2 双端双端DC/AC/DCDC/AC/DC变换电路变换电路 一一 半桥式半桥式DC/AC/DCDC/AC/DC变换电路变换电路 T1、T2和和C1、C2组成半桥式电路，取直流侧串联电容组成半桥式电路，取直流侧串联电容C1C2 副边带中心抽头的变压器和副边带中心抽头的变压器和

15、D3、D4组成单相双半波整流组成单相双半波整流变换器输出电压变换器输出电压两个开关管以相同占空两个开关管以相同占空比交替通断，变压器原边比交替通断，变压器原边电压电压uAB波形如图波形如图8.21b。，。，在开关管导通时，整流输在开关管导通时，整流输出电压与变压器变比有关出电压与变压器变比有关ABouNNu12在电流在电流iL连续时，连续时，变换器输出电压变换器输出电压 为占空比，为占空比，00，故，故D4导通，导通， ip经经LrT3D4续流，续流， ip下降为下降为图中的图中的i2段。在段。在t1 t2中因为中因为D4导通，导通，uC40，所以，所以T4能能在零电压状态导通。在零电压状态导

16、通。换流阶段换流阶段3 3（t2 2t3 3）：）： t2 2时时T T3 3关断关断, , 并联的并联的C3C3充电需要一定时间，因此充电需要一定时间，因此T T3 3能在零电能在零电压状态下关断。随压状态下关断。随C C3 3充电，充电，uC3C3升高，升高，B B点电位上升，点电位上升，uAB逐步逐步从从0 0反向增加（图反向增加（图8.24c8.24c和图和图8.25b8.25b），）， uAB进入负半周。进入负半周。换流阶段换流阶段4 4（t3 3t4 4t5 5）：）： C3充电电流是等效电感和充电电流是等效电感和Lr的续流电流，该电流一方面经的续流电流，该电流一方面经C3D4Lr

17、给给C3充电，同时还经充电，同时还经C2CdD4将储能回馈电将储能回馈电源，因此源，因此ip继续下降为图继续下降为图8.25b的的i3段。段。 t3时随时随C2放电结束，放电结束，D2导通，因导通，因此此ip经经D2和和D4续流，电流迅速下降续流，电流迅速下降（ ip i4）。在）。在t4时时ip到到0，T2、T4开始导通，开始导通， ip负向增加（反向建负向增加（反向建流），流），Lr反向储能。在反向储能。在t4t5间间uABUd, 但但D5和和D6尚在换流中尚在换流中（图（图8.25d），），D5和和D6都导通，因都导通，因此此uo=0。在。在t5后，后，D5和和D6换流完换流完毕，（图毕

18、，（图8.25c）。）。 8.4.3 8.4.3 开关电源芯片和应用举例开关电源芯片和应用举例 带光电隔离的电压反馈开关电源电路带光电隔离的电压反馈开关电源电路 模块模块38423842控制的反激型开关电源控制的反激型开关电源 8.4.4 8.4.4 直流开关电源与直流开关电源与AC/DCAC/DC整流的比较整流的比较 AC-DCAC-DC整流电路与交流电网间采用整流变压器隔离，整流整流电路与交流电网间采用整流变压器隔离，整流变压器工作在工频变压器工作在工频50H50HZ Z，变压器体积重量都很大，消耗铜，变压器体积重量都很大，消耗铜铁材料多。整流器输出电压波动较大，输出直流电压纹波铁材料多。整流器输出电压波动较大，输出直流电压纹波大，含低次谐波，后级滤波器的体积也较大，不利于整机大，含低次谐波，后级滤波器的体积也较大，不利于整机设计的小型轻型化，主要用于中、大容量设备的整流设计的小型轻型化，主要用于中、大容量设备的整流 AC-DC-AC-DCAC-DC-AC-DC结构变换级数多，但其中间结构变换级数多，但其中间DC-ACDC-AC变换采变换采用了高频用了高频PWMPWM技术，并插入高频变压器作隔离和电压调整。技术，并插入高频变压器作隔离和电压调整。变压器的铁心截面与频率成反比，高频变压器的体积重量变压器的铁心截面与频率成反比，高频变压器的体