第3章 直流斩波电路

1、第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路 3.1 概述概述 3.2 非隔离型斩波电路非隔离型斩波电路 3.3 隔离型斩波电路隔离型斩波电路 本章小结本章小结本章主要内容本章主要内容l非隔离型斩波电路非隔离型斩波电路Buck电路，电路，Boost电路，电路，Buck-Boost电路，电路，Cuk电路。电路。l隔离型斩波电路隔离型斩波电路正激变换电路，反激变换电路，推挽式变换正激变换电路，反激变换电路，推挽式变换电路，半桥变换电路，全桥逆变电路。电路，半桥变换电路，全桥逆变电路。2021-11-20电力电子技术22021-11-20电力电子技术电力电子技术33.1 概述概述直流直流-直流变流电路（

2、直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流直接直流变流电路变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（斩波电路（DC Choppers）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。电。 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下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。输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路间接直流变流电路 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。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔

3、离，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直因此也称为直-交交-直电路。直电路。 2021-11-20电力电子技术电力电子技术4直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流直接直流变流电路变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（斩波电路（DC Chopper）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。电。 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下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

4、离。输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路间接直流变流电路 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。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直因此也称为直交交直电路。直电路。 3.1 概述概述2021-11-20电力电子技术电力电子技术5基本斩波电路基本斩波电路占空比占空比输出电压输出电压ontDT01ontonoiiitUU dtUDUTT直流斩波的基本工作原理直流斩波的基本工作原理2021-11-20电力电子技术电力电子技术6脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，P

5、WM) 又称为又称为定频调宽控制定频调宽控制实现：保持斩波周期实现：保持斩波周期 T 不变，只改变开关导通时间不变，只改变开关导通时间 ton，输出电压脉冲宽度随之改变。，输出电压脉冲宽度随之改变。特点：电路基本工作频率固定，滤除输出电压中高特点：电路基本工作频率固定，滤除输出电压中高次谐波的滤波器设计较容易。次谐波的滤波器设计较容易。直流斩波的基本控制方式直流斩波的基本控制方式2021-11-20电力电子技术电力电子技术7脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM) l定宽调频控制定宽调频控制(Pulse Frequency Modulation，PFM)

6、 实现：保持导通时间不变实现：保持导通时间不变 ton，改变斩波周期，改变斩波周期 T，即改变脉冲频率，达到改变占空比的目的，从即改变脉冲频率，达到改变占空比的目的，从而改变电路输出电压平均值。而改变电路输出电压平均值。 特点：斩波电路和控制电路简单，但电路的控特点：斩波电路和控制电路简单，但电路的控制制频率是变化的频率是变化的，输出滤波器设计较困难。，输出滤波器设计较困难。直流斩波的基本控制方式直流斩波的基本控制方式2021-11-20电力电子技术电力电子技术8脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM) l定宽调频控制定宽调频控制(Pulse Frequ

7、ency Modulation，PFM)l混合控制（混合控制（Mixed Control），又称），又称调频调宽控制调频调宽控制 实现：同时改变斩波电路的工作周期实现：同时改变斩波电路的工作周期 T 和开关的导和开关的导通时间通时间 ton。 特点是：可大幅度改变输出电压大小，但也存在着特点是：可大幅度改变输出电压大小，但也存在着由于由于频率变化频率变化所引起的滤波器设计较困难的问题。所引起的滤波器设计较困难的问题。直流斩波的基本控制方式直流斩波的基本控制方式第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路 3.1 概述概述 3.2 非隔离型斩波电路非隔离型斩波电路 3.3 隔离型斩波电路隔离型斩波电

8、路 本章小结本章小结2021-11-20电力电子技术电力电子技术103.2 非隔离型斩波电路非隔离型斩波电路 3.2.1 降压斩波电路降压斩波电路 Buck 3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路 Boost 3.2.3 升降压斩波升降压斩波 Buck-Boost 电路和电路和 Cuk斩波电路斩波电路 3.2.4 Sepic 斩波电路和斩波电路和 Zeta 斩波电路斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术113.2.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 电路结构电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，大多数

9、情况为反电动势负载。池负载，大多数情况为反电动势负载。 2021-11-20电力电子技术电力电子技术12工作原理分析工作原理分析开关开关V有驱动信号时，有驱动信号时，导通，则导通，则VD截止。截止。L储存能量，电源储存能量，电源E向向负载供电，负载电压负载供电，负载电压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。3.2.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 2021-11-20电力电子技术电力电子技术13工作原理分析工作原理分析控制控制V V关断后，关断后，VDVD导通续导通续流。流。u uo o近似为零，负载电流近似为零，负载电流呈指数曲线下降。呈指

10、数曲线下降。通常串接较大电感通常串接较大电感L L使负使负载电流连续且脉动小。载电流连续且脉动小。3.2.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 2021-11-20电力电子技术电力电子技术14电感足够大，电流连续。电感足够大，电流连续。则电路稳态时，负载电则电路稳态时，负载电流在一个周期的初值和流在一个周期的初值和终值相等。终值相等。负载电压平均值：负载电压平均值：tUEDETono输出负载电压平均值最输出负载电压平均值最大为大为E E，改变占空比可降，改变占空比可降低输出电压大小，所以此低输出电压大小，所以此电路为电路为降压斩波电路。降压斩波电路。3.2.1 降压斩波电

11、路（降压斩波电路（Buck Chopper） 2021-11-20电力电子技术电力电子技术15 应用：降压型直流开关电源稳压器，不可应用：降压型直流开关电源稳压器，不可逆直流调速系统。逆直流调速系统。不考虑元件损耗，电路输入功率与输出功率相等。不考虑元件损耗，电路输入功率与输出功率相等。iEIU Ioo1oioIEIUD3.2.1 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 2021-11-20电力电子技术电力电子技术163.2.1 降压斩波电路降压斩波电路基本数量关系基本数量关系 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 ononoonoffttUEEDEttT

12、负载电流平均值为负载电流平均值为 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处于断处于断态的时间，态的时间，T 为开关周期，为开关周期，D 为为导通占空比导通占空比，简称简称占空比占空比或或导通比导通比。 REUImoo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，一平均值会被抬高，一般般不希望出现电流断续不希望出现电流断续的情况。的情况。 2021-11-20电力电子技术电力电子技术173.2.1 降压斩波电路降压斩波电路思考：思考： 输入电流输入电流是连续的还是断续的？是连续的还是断续的？ 哪些因素会使哪些因素会使输出电流输出电流出现断续的出现

13、断续的情况？如果出现断续，应怎样调节情况？如果出现断续，应怎样调节电路参数，使输出电流连续？电路参数，使输出电流连续？ 2021-11-20电力电子技术电力电子技术185.1.1 降压斩波电路降压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术195.1.1 降压斩波电路降压斩波电路LC滤波滤波负载负载2021-11-20电力电子技术电力电子技术205.1.1 降压斩波电路降压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术213.2.1 降压斩波电路降压斩波电路onoffII :;0:;0LononoononoffoffooffoffIuLTItEULItItULIt因为电感电流连续

14、时因为电感电流连续时()oono offEUtU t电感电压伏伏-秒平衡秒平衡正负部分正负部分面积相等面积相等ononoonoffttUEEDEttT2021-11-20电力电子技术电力电子技术223.2.1 降压斩波电路降压斩波电路斩波电路的数量关系分斩波电路的数量关系分析可以由电感电压伏析可以由电感电压伏-秒秒平衡，和电容的电流充平衡，和电容的电流充放平衡关系获得。放平衡关系获得。它们反映了电路在稳态它们反映了电路在稳态工作情况下储能元件的工作情况下储能元件的充放电平衡关系。充放电平衡关系。2021-11-20电力电子技术电力电子技术233.2.1 降压斩波电路降压斩波电路例例4-1 在图

15、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，输出电流平均值输出电流平均值Io。 解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为电压平均值为 输出电流平均值为输出电流平均值为 )(805020020onVETtUo)( 5103080-moAREUIo2021-11-20电力电子技术电力电子技术24储存电能储存电能 电路结构电路结构保持输保持输出电压出电压3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路2021

16、-11-20电力电子技术电力电子技术25储存电能储存电能 电路结构电路结构保持输保持输出电压出电压3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路降压斩波电路降压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术26工作原理工作原理V V导通时，导通时，VDVD截止，电源向截止，电源向电感提供能量，负载消耗电感提供能量，负载消耗能量由电容提供。能量由电容提供。负载电压等于电源电压。负载电压等于电源电压。电感、电容足够大，可认电感、电容足够大，可认为负载电压和电源电流恒为负载电压和电源电流恒定。定。3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术27V V关断时，关断时，V

17、DVD导通，电源和导通，电源和电感同时向负载供电，电电感同时向负载供电，电容充电。容充电。负载电压高于电源电压。负载电压高于电源电压。工作原理工作原理3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术28工作波形工作波形升压斩波电路的结构及工作原理2021-11-20电力电子技术电力电子技术293.2.2 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 升压斩波电路升压斩波电路 请利用电感电压伏请利用电感电压伏-秒平衡秒平衡关系，推导出该电路的基关系，推导出该电路的基

18、本数量关系。本数量关系。 ?oUE2021-11-20电力电子技术电力电子技术30电路数量关系电路数量关系设设V通态的时间为通态的时间为ton，此阶段，此阶段L L上积蓄的能量为上积蓄的能量为设设V断态的时间为断态的时间为toff，则此期间电感，则此期间电感L L释放能量为释放能量为稳态时，一个周期稳态时，一个周期T中中L积蓄能量与释放能量相等：积蓄能量与释放能量相等：off1otIEU ontEI111ttTUEEEttDonoffooffoff11()onooffEI tUE I t化简得：化简得： T/ T/t toffoff11，输出电压高于电源电压，故为，输出电压高于电源电压，故为3

19、.2.2 升压斩波电路升压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术31电压升高的原因：电压升高的原因：电感电感 L L 储能使电压泵升；储能使电压泵升； 电容电容 C C 可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载负载 R R 消耗，即消耗，即 ：注意：升压斩波电路输出电压不可能低于输入电注意：升压斩波电路输出电压不可能低于输入电压。占空比不要接近为压。占空比不要接近为 1 1， 以免电路损耗。以免电路损耗。 oo1IUEI 3.2.2 升压斩波电路升压斩波电路2021-11-20电力电子技术

20、电力电子技术323.2.2 升压斩波电路升压斩波电路例例4-2 在图在图 3-5 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，采用脉宽调制控制方式，当当 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，输出电流平均值输出电流平均值 Io。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： )( 3 ffVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667. 6203 .133oARUIo2021-11-20电力电子技术电力电子技术333.2.2

21、 升压斩波电路升压斩波电路思考：思考： 输入电流输入电流是连续的还是断续的？输出电流是连续的还是断续的？输出电流io呢？呢？2021-11-20电力电子技术电力电子技术343.2.2 升压斩波电路升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)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 典型应用典型应用 一是用于直流电动一是用于直流电动机传动；二是用作单相机传动；二是用作

22、单相功率因数校正（功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路；三是用于其他交电路；三是用于其他交直流电源中。直流电源中。 2021-11-20电力电子技术电力电子技术35升降压斩波电路升降压斩波电路 3.2.3 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5-4 升降压斩波电路结构升降压斩波电路结构 降压斩波电路降压斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术36V导通时，导通时，VD截止，截止，电源向电感提供能量，电源向电感提供能量，电感储能；负载能量由电感储能；负载能量由电容提供。电容提供。电容电压极性下正上负，电容电压极性下正上负，与电

23、源极性相反。与电源极性相反。电路工作基本原理电路工作基本原理3.2.3 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:onLtuE2021-11-20电力电子技术电力电子技术37V关断时，电感释放关断时，电感释放能量，同时提供给负能量，同时提供给负载和向电容充电。载和向电容充电。电容电压极性下正上电容电压极性下正上负，与电源极性相反。负，与电源极性相反。电路工作基本原理电路工作基本原理 3.2.3 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:offLotuu2021-11-20电力电子技术电力电子技术38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

24、对时间的积分为零对时间的积分为零由电感电压伏由电感电压伏-秒平衡：秒平衡：电路工作基本原理电路工作基本原理 3.2.3 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:onLoffLotuEtuu0onoffotEtu/()/1ononooffonttTDuEEEtTtTD 2021-11-20电力电子技术电力电子技术39 结论结论改变占空比，改变输出电压大小。改变占空比，改变输出电压大小。当当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时时为升压，故称作为升压，故称作，也称之为也称之为Buck-Boost 变换器。变换器。1DUEDo3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk

25、斩波电路斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术403.2.3 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 offonttII21由上式可得由上式可得 2111offontDIIItD输出功率和输入功率相等，即输出功率和输入功率相等，即 21IUEIootb)oti1i2tontoffILIL2021-11-20电力电子技术电力电子技术41offon21ttII电路特点：电路特点：输入电流断续；输入电流断续；输出电压极性与输入相反。输出电压极

26、性与输入相反。用途：常用于电池供电设备中产生负电源的电路，用途：常用于电池供电设备中产生负电源的电路，也可用于各种开关稳压器中。也可用于各种开关稳压器中。3.2.3 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2021-11-20电力电子技术电力电子技术42offon21ttII升降压斩波电路电容电压存在波动，引起负载电流升降压斩波电路电容电压存在波动，引起负载电流波动；输入端电流断续；对电源和负载电磁干扰大。波动；输入端电流断续；对电源和负载电磁干扰大。为此提出性能改进的为此提出性能改进的CukCuk斩波电路：斩波电路：输入和输出端输入和输出端都串联电感，减小电流脉动。都串联电感，

27、减小电流脉动。3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路升降压斩波电路升降压斩波电路Cuk斩波电路斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术43 CukCuk斩波电路斩波电路可以看成由升压斩波电路和降压斩波电路串联可以看成由升压斩波电路和降压斩波电路串联而成。两个电感为储能电感，电容为传递能量而成。两个电感为储能电感，电容为传递能量的耦合电容。的耦合电容。3.2.3 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2021-11-20电力电子技术电力电子技术44 CukCuk斩波电路斩波电路3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电

28、路电路工作基本原理电路工作基本原理V V 导通时，导通时，VD VD 截止。截止。电源向电感电源向电感 L1 L1 提供能提供能量，负载能量由电容提量，负载能量由电容提供，电感供，电感 L2 L2 储能。储能。 负载电压极性下正上负。负载电压极性下正上负。12:()onLonLCotuEtuUu 2021-11-20电力电子技术电力电子技术45 Cuk Cuk斩波电路斩波电路3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路电路工作基本原理电路工作基本原理 V 关断时，电感关断时，电感 L1 释释放能量，放能量，VD 导通。电源导通。电源和电感和电感 L1 同时向电容充同时向电

29、容充电。负载由电感电。负载由电感 L2 供电。供电。12:offLCoffLotuEUtuu 2021-11-20电力电子技术电力电子技术46 Cuk Cuk斩波电路斩波电路3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路电路工作基本原理电路工作基本原理12:offLCoffLotuEUtuu 12:()onLonLCotuEtuUu ()0()0onCoffCoono offEtEUtUu tu t111CoUEDDuED 2021-11-20电力电子技术电力电子技术47 Cuk Cuk斩波电路斩波电路3.2.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路电路工

30、作基本原理电路工作基本原理 一周期中，一周期中，V 关断时，关断时，C 吸收能量；吸收能量； V 导通时，导通时，C 释放能释放能量，从而将能量从输量，从而将能量从输入端传递到输出端，入端传递到输出端，起到了传递能量的作起到了传递能量的作用。用。2021-11-20电力电子技术电力电子技术48结论：结论：Cuk 电路输出与输入电压关系与升降电路输出与输入电压关系与升降压电路相同，也是反极性。但输入和输出电压电路相同，也是反极性。但输入和输出电流均连续，且脉动小，有利于对输入、输出流均连续，且脉动小，有利于对输入、输出进行滤波，减小了电路的电磁干扰。进行滤波，减小了电路的电磁干扰。3.2.3 升

31、降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术493.2.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导回路同时导电，电，L1和和L2贮能。贮能。 V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，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，既向负载供电，同时也向同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移）转移）。图图5-6 a)Sepic斩波电路斩

32、波电路 2021-11-20电力电子技术电力电子技术503.2.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路输入输出关系输入输出关系 1ononooffonttDUEEEtTtD图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路 2021-11-20电力电子技术电力电子技术513.2.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V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。 V关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路， L1的能量转的能量转移至移至C1，能量全部转移至，

33、能量全部转移至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。图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 2021-11-20电力电子技术电力电子技术523.2.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路 输入输出关系为输入输出关系为 1oDUED两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电

34、压为正极性的。出电压为正极性的。 图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路 3.1 概述概述 3.2 非隔离型斩波电路非隔离型斩波电路 3.3 隔离型斩波电路隔离型斩波电路 本章小结本章小结2021-11-20电力电子技术电力电子技术543.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 3.3.1 正激电路正激电路 3.3.2 反激电路反激电路 3.3.3 推挽电路推挽电路 3.3.4 半桥电路半桥电路 3.3.5 全桥电路全桥电路 3.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流 3.3.7 开关电源开关电源2021-11-20电力电子技术电

35、力电子技术55概述概述间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构直流直流交流交流直流直流变换：变换： 输出端与输入端需要隔离。输出端与输入端需要隔离。 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。 输出电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。 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤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。波电感、滤波电容的体积和重量。2021-11-20电力电子技术电力电子技术56概述概述间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构间接直流变流电路分为间接直流变流电

36、路分为单端单端(Single End)和和双端双端(Double End)电路：电路： 单端单端电路中，变压器中流过的是电路中，变压器中流过的是直流脉动电流直流脉动电流 正激电路和反激电路属于单端电路正激电路和反激电路属于单端电路 双端双端电路中，变压器中的电流为电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流正负对称的交流电流 半桥、全桥和推挽电路属于双端电路半桥、全桥和推挽电路属于双端电路 2021-11-20电力电子技术电力电子技术573.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO正激电路的原理图正激电路的原理图正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形 工作过程工作过程 开关开

37、关S开通开通后，变压器绕组后，变压器绕组W1两端的电压为两端的电压为上正下负，与其耦合的上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压绕组两端的电压也是上正下负，因此也是上正下负，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。2021-11-20电力电子技术电力电子技术583.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO正激电路的原理图正激电路的原理图正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形 工作过程工作过程 S关断后关断后，电感，电感L通过通过VD2续流，续流，VD1关断。关断。变压器的励磁电流经变压器的励磁电流经N3绕组和绕组和VD3流

38、回电源。流回电源。2021-11-20电力电子技术电力电子技术593.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO图图 5-11 正激电路的原理图正激电路的原理图图图 5-12 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形变压器磁心复位电路变压器磁心复位电路变压器的磁心复位变压器的磁心复位S S开通后，变压器激磁电流增大，直到开通后，变压器激磁电流增大，直到S S关断，须使激磁电流关断，须使激磁电流在在S S关断后到下一次再开通时间内降回零。否则下一周期将在关断后到下一次再开通时间内降回零。否则下一周期将在上一周期结束时的电流值上增加，导致变压器激磁电感饱和，上一周期结束时的电流值上

39、增加，导致变压器激磁电感饱和，损坏开关器件。损坏开关器件。这一过程称为这一过程称为变压器的磁心复位变压器的磁心复位。2021-11-20电力电子技术电力电子技术603.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO图图 5-11 正激电路的原理图正激电路的原理图图图 5-12 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形变压器磁心复位电路变压器磁心复位电路S S关断期间，变压器励磁电流减小为零之前，开关关断期间，变压器励磁电流减小为零之前，开关承受的电压高于电源电压，为：承受的电压高于电源电压，为：1i3(1)SNuUN2021-11-20电力电子技术电力电子技术613.3.1 正激电

40、路正激电路BRBSBHO磁心复位过程磁心复位过程 变压器的磁心复位所需的时变压器的磁心复位所需的时间为间为on13rsttNNt输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 oon22i11UtNNDUN TN输出电感电流不连续时，在输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下负载为零的极限情况下 i12oUNNU 2021-11-20电力电子技术电力电子技术623.3.1 正激电路正激电路 结论：正激变换电路可看作为具有隔离变压器的降压结论：正激变换电路可看作为具有隔离变压器的降压斩波电路。斩波电路。2021-11-20电力电子技术电力电子技术63电路结构电路结构 与升降压

41、电路比较，用变压器代替储能电感，与升降压电路比较，用变压器代替储能电感，所以变压器不仅起隔离作用，还起储能电感作用。所以变压器不仅起隔离作用，还起储能电感作用。3.3.2 反激电路反激电路升降压电路升降压电路反激电路反激电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术643.3.2 反激电路反激电路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工作过程工作过程 S开通开通后，后，VD处于断态，处于断态，W1绕组的绕组的电流线性增长，电感储能增加。负载电流线性增长，电感储能增加。负载由电容供电

42、。由电容供电。 S关断后关断后，W1绕组的电流被切断，变绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过压器中的磁场能量通过W2绕组和绕组和VD向输出端释放，提供负载能量，电容向输出端释放，提供负载能量，电容充电。开关电压为充电。开关电压为uUNNUSio122021-11-20电力电子技术电力电子技术653.3.2 反激电路反激电路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工作过程工作过程副边电感电流未降到零时，开副边电感电流未降到零时，开关电压为关电压为uUNNUSio12反激：反激：电源能

43、量是在开关电源能量是在开关关关断断期间传递到负载侧的。期间传递到负载侧的。2021-11-20电力电子技术电力电子技术663.3.2 反激电路反激电路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 工作模式工作模式 当当S开通时，开通时，W2绕组中的电流绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于尚未下降到零，则称工作于电流连续电流连续模式模式，输出输入电压关系为，输出输入电压关系为offon12iottNNUU S开通前，开通前，W2绕组中的电流已绕组中的电流已经下降到零，则称工作于经下降到零，则

44、称工作于电流断续模电流断续模式式，此时输出电压高于（，此时输出电压高于（5-53）的计）的计算值，在负载为零的极限情况下算值，在负载为零的极限情况下Uo 所以应该避免负载开路状态。所以应该避免负载开路状态。2021-11-20电力电子技术电力电子技术67 电路特点电路特点l 结构简单，元器件数量少，成本低，小功率开关结构简单，元器件数量少，成本低，小功率开关电源中应用。尤其是多电源输出时。电源中应用。尤其是多电源输出时。l 变压器利用率低，开关器件承受的电流峰值大，变压器利用率低，开关器件承受的电流峰值大，不适用于较大功率的开关电源。不适用于较大功率的开关电源。3.3.2 反激电路反激电路20

45、21-11-20电力电子技术电力电子技术68电路结构特点电路结构特点l变压器有中心抽头。变压器有中心抽头。l二极管既做整流，又做续流。二极管既做整流，又做续流。l可看作为两个单端正激组合而成，常用于多端输出电路。可看作为两个单端正激组合而成，常用于多端输出电路。3.3.3 推挽电路推挽电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术69工作过程工作过程l两个开关交替导通。两个开关交替导通。lS1导通时，导通时，VD1也导通，也导通，L电电流逐渐上升。流逐渐上升。lS2导通时，导通时，VD2处于通态，处于通态，L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。l当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和

46、VD2都处于通态，各分担都处于通态，各分担一半的电流。一半的电流。l开关断开时，承受开关断开时，承受2倍电源倍电源电压。电压。3.3.3 推挽电路推挽电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术70 S1和和S2同时导通，相当于变压器一次绕组短路，因此应同时导通，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免，每个开关占空比不能超过避免，每个开关占空比不能超过50%，还要留有死区。，还要留有死区。 输出电压输出电压当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io2输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于电流连续时的将高于电流连续时的计算值，并

47、随负载减小而升高，在负载为零的极限情况计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下下 UNNUoi213.3.3 推挽电路推挽电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术71l电路特点电路特点输入回路只有一个开关，导通压降小，通态损耗小，适输入回路只有一个开关，导通压降小，通态损耗小，适合输入电压较低的电源。合输入电压较低的电源。开关器件承受开关器件承受2 2倍电源电压。倍电源电压。两个开关性能不可能完全相同，两个半周期工作情况不两个开关性能不可能完全相同，两个半周期工作情况不完全对称，有偏磁问题。完全对称，有偏磁问题。3.3.3 推挽电路推挽电路2021-11-20电力电子技术电力

48、电子技术72l电路结构特点：电路结构特点：电源侧两个大电容；电源侧两个大电容；两个开关与电源串接。两个开关与电源串接。3.3.4 半桥电路半桥电路高频交流高频交流全波整流电路全波整流电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术73工作过程：工作过程：S1与与S2交替导通，使变压器一交替导通，使变压器一次侧形成幅值为次侧形成幅值为Ui/2的交流电的交流电压，改变开关占空比，可改变压，改变开关占空比，可改变二次侧整流电压二次侧整流电压ud平均值，即平均值，即改变了输出电压改变了输出电压Uo。S1导通时，导通时，VD1导通；导通；S2导通导通时，时，VD2导通。当两个开关都导通。当两个开关都关断

49、时，关断时，VD1和和VD2都导通，都导通，各分担一半的电流。各分担一半的电流。3.3.4 半桥电路半桥电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术74S1或或S2导通时导通时L电流逐渐电流逐渐上升。上升。两个开关都关断时，两个开关都关断时，L电流逐电流逐渐下降；渐下降；S1和和S2断态断态时承受的峰值电时承受的峰值电压均为压均为Ui。 由于由于电容电容的的隔直作用隔直作用，半，半桥电路对由于两个开关导桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的不容易发生变压器的

50、偏磁偏磁和和直流磁饱和直流磁饱和。3.3.4半桥电路半桥电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术753.3.4 半桥电路半桥电路输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上将高于上式计算值，并随负载减小而升高，在负载为式计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下零的极限情况下2i12oUNNU2021-11-20电力电子技术电力电子技术76电路特点电路特点l 变压器利用率高，无偏磁问题；变压器利用率高，无偏磁问题；l 与全桥电路比，开关器件少，但器件承受电压高；与全桥电

51、路比，开关器件少，但器件承受电压高；l 用于数百瓦至数千瓦的电源。用于数百瓦至数千瓦的电源。3.3.4 半桥电路半桥电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术77电路结构电路结构互为对角的两个开关同时导通互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开，同一侧半桥上下两开关关交替交替导通，变压器一次侧形成幅值为导通，变压器一次侧形成幅值为U Ui i的交流电压，的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。改变占空比就可以改变输出电压。3.3.5 全桥电路全桥电路高频交流高频交流单相二极管整流电路单相二极管整流电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术78当当S1与与S4开通后，开通后，

52、VD1和和VD4导导通，通，L电流逐渐上升。电流逐渐上升。当当S2与与S3开通后，开通后，VD2和和VD3导导通，通，L电流也上升。电流也上升。4个开关都关断时，个开关都关断时，4个二极管个二极管都导通，各分担一半电感电流，都导通，各分担一半电感电流，L电流逐渐下降。电流逐渐下降。lS1和和S2断态时承受的峰值电压断态时承受的峰值电压均为均为Ui。3.3.5 全桥电路全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD 1iS2tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO2021-11-20电力电子技术电力电子技术79如如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

53、，则交流电压uT中含中含有有直流分量直流分量，在变压器一次侧产生很大的直流分量，造，在变压器一次侧产生很大的直流分量，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，可在一次侧回路串一电容，阻断直流电流。产生，可在一次侧回路串一电容，阻断直流电流。为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关占为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关占空比不能超过空比不能超过50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。 3.3.5 全桥电路全桥电路2021-11-20电力电子技术电力电子技术803.3.5 全桥电路全桥电路输出电压输出电压 滤波电感电流连

54、续时滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io2 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上将高于上式计算值，并随负载减小而升高，在负载为零式计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下的极限情况下 UNNUoi212021-11-20电力电子技术电力电子技术81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，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压