第五章直流直流变流电路

1、第第5 5章章 直流直流变流电路直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 本章小结本章小结l直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流变直接直流变流电路流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 l直接直流变流电路直接直流变流电路l也称也称斩波电路（斩波电路（DC Chopper）。l功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。l一般是指直接将直流电变为另

2、一直流电，这种情况下输入与输出之间一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。不隔离。 l间接直流变流电路间接直流变流电路 l在直流变流电路中增加了在直流变流电路中增加了交流环节交流环节。 l在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直直交交直电路。直电路。 引言引言 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路5.1 基本斩波电路基

3、本斩波电路图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 l电路分析电路分析l 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V，图中为，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。闸管关断的辅助电路。 l设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在，在V关断时关断时给负载中电感电流提供通道。给负载中电感电流提供通道。l主要用于电子电路的供电电源，也主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况

4、下负载中均会出现等，后两种情况下负载中均会出现反电动势反电动势，如图中，如图中Em所示。所示。5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形l工作原理工作原理l t=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电，电源源E向负载供电，负载电向负载供电，负载电压压uo=E，负载电流，负载电流io按指按指数曲线上升。数曲线上升。l t=t1时控制时控制V关断关断，二极，二极管管VD续流，负载电压续流，负载电压uo近似为零近似为零，负

5、载电流呈指，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较数曲线下降，通常串接较大电感大电感L使负载电流连续使负载电流连续且脉动小。且脉动小。 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形l负载电流断续负载电流断续 当负载中当负载中L值较小值较小，在在V关断后关断后，到，到t2时刻时刻，负载电流已经衰减到负载电流已经衰减到零零，出现出现负载电流断续负载电流断续的情的情况。况。 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck

6、 Chopper）l 基本的数量关系基本的数量关系l 电流连续时电流连续时l负载电压的平均值为负载电压的平均值为 ttononUEEEottTonoff 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开为开关周期，关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。为导通占空比，简称占空比或导通比。 l电流断续时，负载电压电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。断续的情况。 (5-1)l 负载电流平均值为负载电流平均值为 (5-2)omoUEIR 5.1.1 降压斩波电路（降压斩

7、波电路（Buck Chopper）l斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式l 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM） T不变，改变不变，改变ton。l频率调制频率调制 ton不变，改变不变，改变T。l混合型混合型 ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比 第一种方式第一种方式应用最多应用最多5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）l对降压斩波电路进行解析对降压斩波电路进行解析 l 基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过程来两个过程来分析，初始条件分分析，初始条件分电流连续电流连续和和断续断续

8、。l 电流连续时电流连续时(5-9)(5-10)1/10/1111tmTEeEeEImeRReR 1/20/1111tmTEeEeEImeRReR 式中，式中， ， ， ， ，I10 和和 I20 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 /L R /T /mmEE 11/tTtT 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）把式（把式（5-9）和式（）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得）用泰勒级数近似，可得 平波电抗器平波电抗器L为无穷大，此时负载为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值电流最大值、最小值均等于平均值。 (5

9、-11) 1020om EIIIR (5-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即，即 则则(5-12)(5-13)2o onomoEI tRI TE I T moEEIR 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）假设电源电流平均值为假设电源电流平均值为I1，则有，则有 其值小于等于负载电流其值小于等于负载电流Io，由上式得，由上式得 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压

10、器即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。(5-14)(5-15)1onootIIIT 1oooEIEIU I 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）l 电流断续时电流断续时电流断续时，电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为，由此得出电流断续的条件为 输出电压平均值为输出电压平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为 (5-16)(5-17)(5-18)(5-19)1(1)lnxm etm 11eme ()1ononxmonxot ETttEttUm ETT 1201ddononxontttonxomotttUEEIititmTTRR

11、5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）l 例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，值极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压平均值计算输出电压平均值Uo，输，输出电流平均值出电流平均值Io。 解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为on2020080( )50otUEVT 输出电流平均值为输出电流平均值为om-80305( )10oU EIAR 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Choppe

12、r）l例例5-2 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，采用脉宽调制控制方式，T=20 s，当当ton=5 s时，计算输出电压时，计算输出电压平均值平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得：解：由题目已知条件可得：当当ton=5 s时，有时，有 由于由于 所以输出电流连续。所以输出电流连续。5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper

13、）M100.1100EmE 0.0010.0020.5LR 0.01T 0.0025 0.25ontT 0.00250.01110.24911eemee 此时输出平均电压为此时输出平均电压为 输出平均电流为输出平均电流为 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为输出电流的最大和最小值瞬时值分别为 5.1.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）on100 525( )20otUEVT oM-251030( )0.5oU EIAR 0.0025max0.01111000.130.19( )110.5eEeImAeRe 0.0025min0.01111000.129.81()110.5

14、eEeImAeRe l升压斩波电路升压斩波电路 (Boost Chopper) l工作原理工作原理l 假设假设L和和C值很大。值很大。lV处于处于通态通态时，电源时，电源E向电感向电感L充电，电流恒定充电，电流恒定I1，电容，电容C向负向负载载R供电，输出电压供电，输出电压Uo恒定。电恒定。电感感L上积蓄的能量为：上积蓄的能量为：EI1tonlV处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向负载提充电，并向负载提供能量。电感供能量。电感L释放的能量为释放的能量为(U0-E)I1toff5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 0iGE0ioI1a)b)图图5-2

15、升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 tontoffl基本的数量关系基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工作于稳态时，一个周期T中电感中电感L积蓄的能量与释放的能量积蓄的能量与释放的能量相等，即相等，即 化简得化简得 上式中的上式中的 (5-20)(5-21)5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 0iGE0ioI1a)b)图图5-2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 tontoff 11onooffEI tUE I t onoffooffoffttTUEEtt /1offT t l 将

16、升压比的倒数记作将升压比的倒数记作，即，即 ，则，则 和导通占空比和导通占空比 有如下关系有如下关系 式（式（5-21）可表示为）可表示为 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。 l如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即消耗，即 l输出电流的平均值输出电流的平均值Io为为 l电源电流电源电流I1为为 (5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)5.

17、1.2 升压斩波电路升压斩波电路 offtT 1 111oUEE 121ooUEIIER 1ooUEIRR 1ooEIU I l 例例5-3 在图在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极大，值极大，R=20 ，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出电，输出电流平均值流平均值Io。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： 输出电流平均值为：输出电流平均值为：5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 off4050133.3( )4025oTUEVt

18、 o133.36.667( )20oUIARttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 l典型应用典型应用 l 直流电动机传动直流电动机传动l单相功率因数校正（单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路电路l其他交直流电源中。其他交直流电源中。 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 ttTEiOOi1i

19、2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 l以用于直流电动机传动为例以用于直流电动机传动为例l 在直流电动机在直流电动机再生制动再生制动时把电能时把电能回馈给直流电源。回馈给直流电源。l电动机电枢电动机电枢电流连续电流连续和和断续断续两种工两种工作状态。作状态。l直流电源的电压基本是恒定的，不直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。必并联电容器。l基

20、于基于分时段线性电路思想分时段线性电路思想，电流连电流连续时得续时得L为无穷大时电枢电流的平为无穷大时电枢电流的平均值均值Io为为 (5-36)5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 moEEEImRR l当电枢电流断续时，可求得当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间持续的时间tx，即，即 当当 txt0ff 时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态，txt0ff 是电流断续的条件，即是电流断续的条件，即 tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图图5-3 用于直流电动机回馈能用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形量的升压斩波电路及其波形c）电流断续时

21、）电流断续时(5-37)(5-38)5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 1ln1ontxmetm 11eme otb)oti1i2tontoffILILa)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 l升降压斩波电路升降压斩波电路 l 工作原理工作原理l V导通导通时，电源时，电源E经经V向向L供供电使其贮能，此时电流为电使其贮能，此时电流为i1，同时同时C维持输出电压恒定并维持输出电压恒定并向负载向负载R供电。供电。lV关断关断时，时，L的能量向负载释的能量向负载释放，电流为放，电流为i2，负载电压极性，负载电压极性为上负下正，与电源电压极为

22、上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。性斩波电路。 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 otb)oti1i2tontoffILILa)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 l基本的数量关系基本的数量关系l 稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，对时间的积分为零，即即 (5-39)(5-40)l当当V处于通态期间，处于通态期间，uL=E；而；而当当V处于断态期间，处于断态期间，uL=-uo。于是：于是： 5.1.3 升降

23、压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 0d0TLut onooffE tUt所以输出电压为：所以输出电压为：改变导通比改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。 l 电源电流电源电流i1和负载电流和负载电流i2的平均值分别为的平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有，当电流脉动足够小时，有 由上式可得由上式可得 如果如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相

24、等，即为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 1ononooffonttUEEEtTt 12onofftIIt 2111offontIIIt 12oEIU I 图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a） 电路图电路图 b） 等效电路等效电路 l Cuk斩波电路斩波电路l 工作原理工作原理l V导通时，导通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 图图5

25、-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a） 电路图电路图 b） 等效电路等效电路 l Cuk斩波电路斩波电路l 工作原理工作原理l V导通时，导通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。lV关断时，关断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分别流过电流。回路分别流过电流。l输出电压的极性与电源电压输出电压的极性与电源电压极性相反极性相反。 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 l 由由(5-45)得得 从而可得从而可得l 由由L1和和L2的电压平均值为零，可得出输出电压的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压与

26、电源电压E的关系的关系 与升降压斩波电路相比，与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。动很小，有利于对输入、输出进行滤波。(5-46)(5-47)(5-48)5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 l基本的数量关系基本的数量关系lC的电流在一周期内的平均值应为零，即的电流在一周期内的平均值应为零，即(5-45)0d0TCit 21onoffI tI t 211offononontTtIItt 1onono

27、offonttUEEEtTt lSepic斩波电路斩波电路l 工作原理工作原理lV导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。lV关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，回路同时导电，此阶段此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于处于通态时向通态时向L2转移）转移）。l输入输出关系输入输出关系 图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 lSepic斩波电路斩波电路

28、l 工作原理工作原理lV导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。lV关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，回路同时导电，此阶段此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于处于通态时向通态时向L2转移）转移）。l输入输出关系输入输出关系 图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 1ononooffonttUEEEtTt lZeta斩波电路斩波电路 l工作原理工作原

29、理lV导通时，电源导通时，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。lV关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路， L1的能量转移至的能量转移至C1，能量，能量全部转移至全部转移至C1上之后，上之后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。l输入输出关系为输入输出关系为 l两种电路具有相同的输入输出关两种电路具有相同的输入输出关系，系，Sepic电路中，电源电流连续电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，波，反之，Zeta电路的电源电流断电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输续而负载电流连续；两种电路输出电压为正

30、极性的。出电压为正极性的。 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 1oUE 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 l概念概念l复合斩波电路复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。l多相多重斩波电路多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合构成相同结构的基本斩波电路组合构成 l电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路l斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既

31、可斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行电动运行，又，又可可再生制动再生制动，降压斩波电路能使电动机工作于第，降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升压斩波象限，升压斩波电路能使电动机工作于第电路能使电动机工作于第2象限。象限。l电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，此电路电电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第第1象限和第象限和第2象限。象限。5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 ttb)uoioiV1iD1iV2iD2

32、a)图图5-7 电流可逆斩波电路及其波形电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图电路图 b） 波形波形 l电路结构电路结构lV1和和VD1构成构成降压斩波电路降压斩波电路，电动机为电动，电动机为电动运行，工作于第运行，工作于第1象限。象限。lV2和和VD2构成构成升压斩波电路升压斩波电路，电动机作再生，电动机作再生制动运行，工作于第制动运行，工作于第2象限。象限。l必须防止必须防止V1和和V2同时导通而同时导通而导致电源短路。导致电源短路。l工作过程工作过程l两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。升压斩波器运行。 l第第3种工作方式种工作方式：

33、一个周期内：一个周期内交替交替地作为降压地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。斩波电路和升压斩波电路工作。l第第3种工作方式下，当一种斩波电路电流断续种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。流过。l一个周期内，电流不断，响应很快。一个周期内，电流不断，响应很快。 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 图图5-8 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 l桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和

34、反向电压，将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以使电动机可以4象限象限运行。运行。l工作过程工作过程l V4导通时，等效为图导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供所示的电流可逆斩波电路，提供正电压正电压，可使电，可使电动机工作于动机工作于第第1、2象限象限。l V2导通时，导通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供机提供负电压负电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第3、4象限象限。5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 tOtttttttOOOOOOO1u2u

35、3uoi1i2i3ioa)b)图图5-9 多相多重斩波电路及其波形多相多重斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。斩波电路而构成的。 相数相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。一个控制周期中电源侧的电流脉波数。 重数重数：负载电流脉波数。：负载电流脉波数。3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3个降压斩波电路单元个降压斩波电路单元并联并联而成。而成。 总输出电流为总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之

36、个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动倍，脉动频率也为频率也为3倍。倍。 总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉动幅值与电（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器平波电抗器总重总重量大为减轻。量大为减轻。 5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 当上述电路电源公用而负载为当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为个独立负载时，则为3相相1重斩波电路重斩波电路，当电源为当电源为3个独立电

37、源，向一个负载供电个独立电源，向一个负载供电时，则为时，则为1相相3重斩波电路重斩波电路。 电源电流的电源电流的谐波分量谐波分量比单个斩波电路时显著减小。比单个斩波电路时显著减小。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。续运行，使得总体的可靠性提高。5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 5.3.1 正激电路正激电路 5.3.2 反激电路反激电路 5.3.3 半桥电路半桥电路 5.3.4 全桥电路全桥

38、电路 5.3.5 推挽电路推挽电路 5.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流 5.3.7 开关电源开关电源5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 图图 5-10 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构l同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，也称为同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，也称为直直交交直电路直电路。 l采用这种结构较为复杂的电路来完成直流采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因直流的变换有以下原因l输出端与输入端需要隔离。输出端与输入端需要隔离。 l某些应用中需要相互隔离的多路输出。某些应用中需要相互隔离的多路输出。 l输出电

39、压与输入电压的比例远小于输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于或远大于1。l交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。和重量。l间接直流变流电路分类间接直流变流电路分类l单端单端(Single End): 变压器中流过的是直流脉动电流，正激电路和反激变压器中流过的是直流脉动电流，正激电路和反激l双端双端(Double End)：变压器中的电流为正负对称的交流电流，半桥、全变压器中的电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥和推挽电路。桥和推挽电路。 5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流

40、变流电路引言引言 图图 5-11 正激电路的原理图正激电路的原理图l 工作过程工作过程l 开关开关S开通开通后，变压器绕组后，变压器绕组W1两两端的电压为上正下负，与其耦合端的电压为上正下负，与其耦合的的W2绕组两端的电压也是上正下绕组两端的电压也是上正下负，因此负，因此VD1处于通态，处于通态，VD2为为断态，电感断态，电感L的电流逐渐增长。的电流逐渐增长。l S关断后关断后，电感，电感L通过通过VD2续流，续流，VD1关断。变压器的励磁电流经关断。变压器的励磁电流经N3绕组和绕组和VD3流回电源，所以流回电源，所以S关关断后承受的电压为：断后承受的电压为： 5.3.1 正激电路正激电路(F

41、orward) 13(1)SiNuUN SuSiLiS0ttttUi000图图 5-12 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形t1t2t3BRBSBHO图图 5-13 磁心复位过程磁心复位过程l变压器的磁心复位变压器的磁心复位l开关开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到随时间线性的增长，直到S关断，导致变压器关断，导致变压器的激磁电感饱和。的激磁电感饱和。l必须设法使激磁电流在必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为通的时间内降回零，这一过程称为变压器的变压器的磁心复位磁心复位。l变压

42、器的磁心复位所需的时间为变压器的磁心复位所需的时间为l输出电压输出电压(5-51)5.3.1 正激电路正激电路 3rston1NttN l输出电感电流不连输出电感电流不连续时，在负载为零续时，在负载为零的极限情况下的极限情况下 2oi1NUUN oon2i1UtNUNT l 输出滤波电感电流输出滤波电感电流连续时连续时 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图图 5-14 反激电路原理图反激电路原理图图图 5-15 反激电路的理想化波形反激电路的理想化波形l 工作过程工作过程lS开通开通后，后，VD处于断态，处于断态，W1绕组的电流线性增长，绕组的电流线性增长，电感储能增加。电感储

43、能增加。lS关断后关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过场能量通过W2绕组和绕组和VD向输出端释放，电压为向输出端释放，电压为 5.3.2 反激电路反激电路 l S开通前，开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工绕组中的电流已经下降到零，则称工作于作于电流断续模式电流断续模式，此时输出电压高于（，此时输出电压高于（5-53）的）的计算值，在负载为零的极限情况下，计算值，在负载为零的极限情况下， ，所以应该所以应该避免负载开路状态避免负载开路状态。 oU (5-53)oon2i1offUtNUN t l工作模式工作模式l当当S开通时，开通时，W2绕

44、组中的电流尚未下降到零，绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于则称工作于电流连续模式电流连续模式，输出输入电压关，输出输入电压关系为系为1io2SNuUUN图图 5-16 半桥电路原理图半桥电路原理图图图 5-17 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形l工作过程工作过程l S1与与S2交替导通，使变压器一次侧形成交替导通，使变压器一次侧形成幅值为幅值为Ui/2的的交流电压，改变开关的占交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压空比，就可以改变二次侧整流电压ud的的平均值，也就改变了输出电压平均值，也就改变了输出电压Uo。lS1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，处于通态，S

45、2导导通时，二极管通时，二极管VD2处于通态，当两个开处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组关都关断时，变压器绕组N1中的电流为中的电流为零，零，VD1和和VD2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电流。半的电流。lS1或或S2导通时电感导通时电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感两个开关都关断时，电感L的电流逐渐的电流逐渐下降，下降，S1和和S2断态断态时承受的峰值电压均时承受的峰值电压均为为Ui。 5.3.3 半桥电路半桥电路l由于由于电容电容的的隔直作用隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一

46、次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的变压器的偏磁偏磁和和直流磁饱和直流磁饱和。l 输出电压输出电压l滤波电感滤波电感L的的电流连续电流连续时时 l输出电感输出电感电流不连续电流不连续，输出电压，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-54）的计算值，并随负）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下载减小而升高，在负载为零的极限情况下(5-54)5.3.3 半桥电路半桥电路 oon2i1UtNUNT 2io12N UUN S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiL

47、OOOOOOOO图图 5-18 全桥电路原理图全桥电路原理图 图图 5-19 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形l工作过程工作过程l全桥电路中，全桥电路中，互为对角的两个开关同互为对角的两个开关同时导通时导通，同一侧半桥上下两开关，同一侧半桥上下两开关交替交替导通，使变压器一次侧形成幅值为导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。输出电压。l当当S1与与S4开通后，开通后，VD1和和VD4处于通态，处于通态，电感电感L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。l当当S2与与S3开通后，开通后，VD2和和VD3处于通态，处于通态，电感

48、电感L的电流也上升。的电流也上升。l当当4个开关都关断时，个开关都关断时，4个二极管都处个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电于通态，各分担一半的电感电流，电感感L的电流逐渐下降，的电流逐渐下降，S1和和S2断态时承断态时承受的峰值电压均为受的峰值电压均为Ui。5.3.4 全桥电路全桥电路 l如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有中将含有直流直流分量分量，会在变压器一次侧产生很大的直流，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串此全桥电

49、路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。联一个电容，以阻断直流电流。l为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。还应留有裕量。 5.3.4 全桥电路全桥电路 l输出电压输出电压(5-55)l滤波电感电流滤波电感电流连续连续时时 oon2i12UtNUNT l 输出电感电流输出电感电流不连续不连续，输出电压，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-55）的计算值，并）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下的极限情况下

50、2oi1NUUN S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图图 5-20 推挽电路原理图推挽电路原理图图图 5-21 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形l工作过程工作过程l 推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S1和和S2交替导通，交替导通，在绕组在绕组N1和和N1两端分别形成相位相反的两端分别形成相位相反的交流电压。交流电压。l S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，电感处于通态，电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，电感处于通态，电感L电流也逐渐上升。电流也逐渐上

51、升。l当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于都处于通态，各分担一半的电流，通态，各分担一半的电流，S1和和S2断态时断态时承受的承受的峰值电压峰值电压均为均为2倍倍Ui。 5.3.5 推挽电路推挽电路 如果如果S1和和S2同时导通，就相当于变压器同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能同时导通，每个开关各自的占空比不能超过超过50%，还要留有死区。，还要留有死区。 l当滤波电感当滤波电感L的的电流连续电流连续时时 l输出电感输出电感电流不连续电流不连续，输出电压，输出电压Uo将高于式（

52、将高于式（5-56）的计）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 (5-56)5.3.5 推挽电路推挽电路 oon2i12UtNUNT l 输出电压输出电压2oi1NUUN 电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简可靠性高，驱动电路简单单变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几百瓦几百瓦几千瓦几千瓦各种中、小功率电各种中、小功率电源源反激反激电路非常简单，成本很电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电低，可靠性高，驱动电路简单路简单难以达到较大的功率，难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几瓦几瓦几百瓦几百瓦小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消费计算机设备、消费电子设备电源。电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易变压器双向励磁，容易达到大功率达到大功率结构复杂，成本高，有直通结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路的多组隔离驱动电路几百瓦几百瓦几百千瓦几百千瓦大功率工业用电源、大功率工业用电源、焊接电源、电解电焊接电源、电解电源等源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关变压器偏磁问题，开关较少，