直流斩波电路

1、电力电子技术电力电子技术 第第5章章 直流变换电路直流变换电路电力电子技术电力电子技术 第第5章章 直流变换电路直流变换电路. 引言引言 直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 直接直流变流电路 也称斩波电路（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电。 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。 间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。 电力电子技术电力电子技术 根据电路是否具备电能回馈能力、输出端和

2、输入端是否电气隔离以及电路的结构形式等三个原则，可以对电力电子电路进行如图5-1所示的分类。各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总的来说，非回馈型比回馈型结构简单、成本低，绝大多数应用不需开关电源有回馈能力。非隔离型电路比隔离型电路结构简单、成本低，但大多数应用需要开关电源的输出端和输入端隔离，或需要多组相互隔离输出，因此隔离电路的应用较广。非隔离型也有不少应用，像开关型稳压器、直流斩波器等。电力电子技术电力电子技术 5.1 直接斩波电路直接斩波电路5.1.1 降压（降压（Buck)型电路型电路5.1.2 升压（升压（Boost)型电路型电路5.1.3 升降压型电路升降压型电路5.1.4

3、 Cuk型电路型电路5.1.5 Sepic型电路和型电路和Zeta电路电路电力电子技术电力电子技术 5.1 直接直流变换电路直接直流变换电路 引言引言 两个基本的原理：两个基本的原理：稳态条件下，电感两端电压在一个周期内的平均值为0。（在一个周期内，电感电流的增量等于电流的减量）稳态条件下，电容电流在一个周期内的平均值为0。（在一周期内，电容的充放电量相等。）电力电子技术电力电子技术 直流变换器的工作原理直流变换器的工作原理工作原理：工作原理：图中图中S是可控开关，是可控开关，R为为纯阻性负载。纯阻性负载。 占空比：占空比： T为开关为开关S的工作周期，的工作周期，Ton为导通时间，为导通时间

4、，Toff为关断时间。占为关断时间。占空比空比 则则由波形可知由波形可知输出电压的平均值输出电压的平均值为为： onTDT,(1.)onoffTDT TD T001TonOddTUu dtUDUTT电力电子技术电力电子技术 输出电压平均值的改变： D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压U0总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变输出电压的大小。占空比的改变：通过改变Ton 或T都可以实现。 脉冲宽度调制方式（PWM控制方式）： 周期T不变，通过改变开通时间Ton改变占空比的控制方式。 脉冲频率调制方式（PFM控制方式） ： 开通时间Ton不变，通过改变周期T改变占空比的控制方式。

5、 混合调制方式： 周期T和开通时间Ton都改变来改变占空比的控制方式。电力电子技术电力电子技术 5.1.1 降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)电力电子技术电力电子技术 工作原理工作原理c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图5-1 降压斩波电路

6、得原理图及波形vt=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。vt=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。v通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。v动画演示。电力电子技术电力电子技术 数量关系数量关系v电流连续 负载电压平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 a-导通占空比导通占空比v 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值：电力电子技术电力电子技术 对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想

7、，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。 电流连续时得出1/10/1111tmTEeEeEImeRReR1/20/1111tmTEeEeEImeRReR式中， ， ， ， ，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 1020om EIIIR 平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)RL /电力电子技术电力电子技术 5.1.1 降压型直流变换器（降压型直流变换器（Buck）电路结构如图所示:续流二极管续流二极管输入直输入直

8、流电压流电压滤波电感滤波电感滤波电容滤波电容负载负载电力电子技术电力电子技术 Buck变换器电感电流连续状态时的工作特性： Buck变换器有两种可能的情况：电感电流连续模式CCM和电感电流断续模式DCM。电感电流连续是指电感电流在整个周期内都存在；而电感电流断续是指电感电流在开关管V阻断期间后期一段时间内，电感电流已降为0。处于这两种情况的临界点称为电感电流临界连续状态，这时在开关管阻断结束，电感电流刚好结束。 理想的电力电子变换器 开关管V和二极管VD从导通变阻断或从阻断变导通，过渡时间为0，且通态压降为0，断态漏电流为0。 在一个周期内，输入电压Ud保持不变，输出电压有很小的纹波，可认为U

9、o保持恒定。 电感和电容均为无损耗的理想储能元件。 线路阻抗为0。电力电子技术电力电子技术 两种开关状态：在一个周期内，Ton期间，V导通，VD截止，称为开关状态1；Toff期间，V阻断，VD导通，称为开关状态2. 开关状态1 Ton期间， V导通，VD截止，等效电路见（图5.2a） 令t=0时，开关管V导通，电源电压Ud通过V给负载供电，电感储能，由于输出滤波电容两端的电压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uLUdUo保持不变，所以电感电流线性增加，在t =Ton =DT时，iL达到最大值。在此期间， iV iL，也是线性增加的；ic iL Io，也是线性增加的。电感电流的增量为：LLLdo

10、ondiiiLLLUUdttT00ddLonUUUUiTDTLL电力电子技术电力电子技术 开关状态2 Toff期间， V截止，VD导通，等效电路（图5.2b） tTon时，开关管V阻断，电感电流不能突变，VD导通为L续流。电感释放能量，给负载供电，由于输出滤波电容两端的电压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uL-Uo保持不变，所以电感电流线性减小，在t =T 时，iL减小到最小值。 此期间， iVD iL，是线性减小的；ic iL Io，也是线性减小的，从ILmax-Io 减小到ILmin-Io 。电感电流的减小量为：当tT后，开关管开通，进入下一个周期。LLLLooffdiiiuLLLUdt

11、tT (1)oLUiD TL电力电子技术电力电子技术 结论：当电路处于稳态时，电感电流得增加和减小量是相等的，由、 可以得到：因为： 所以：因此：Buck直流变换器为降压型直流变换器 电压电流基本关系： 假设变换器没有能力损耗，则：从而得到输入和输出电流之间的关系0(1)doLLLUUUiDTiD TiLL odUDU01onTDTodUUddooU IU IdoIDI电力电子技术电力电子技术 见图5.2（c）稳态时，一个开关周期内，C的充放电平均电流相等，所 以负载输出的平均电流Io 就是iL 的 平均值 ，即：这样就可以求出电感电流的最大和最小值： 开关管V和二极管VD的电流幅值与电感电流

12、最大值相等 开关管V和二极管VD的电压幅值相等 电容在一个周期内的放电电荷为： 输出电压的脉动量（脉动峰-峰值)为: maxmin2LLoIIImax11(1) 22oLoLURIIiD TRLmin11(1) 22oLoLURIIiD TRLVVDdUUU12228LLiiTQf2(1)8ooD UQuCLCf电力电子技术电力电子技术 2. Buck变换器电感电流断续状态时的工作特性： 三种开关状态 与电感电流连续的状态时相比，增加了V和VD都截止的第三种工作状态。如图所示： 临界连续状态 临界负载电流临界负载电流当实际负载电流 IoIok，电感电流连续，否则电感电流断续。max()(1)(

13、1)1122222dodoOKLLD UUDD UD UIIiLfLfLf电力电子技术电力电子技术 3.降压斩波电路设计举例降压斩波电路设计举例（1）设计指标：）设计指标： 输入电压：200300V直流 输出电压：180V 最大输出电流：20A 开关频率：20kHz 输出电压纹波：1V（2）设计步骤）设计步骤 首先选择元件电压：开关管、二极管最高电压： 输入电压最大值300V输出滤波电容电压： 输出电压180V电力电子技术电力电子技术 选择输出电感纹波电流：开关管、二极管电流峰值： 电感电流峰值：输出滤波电容纹波电流： 电感纹波电流：电感电流有效值： 近似等于输出电流 20A设计电感：m ax

14、1222LIIIAoAIIo4%20AIIo4%206(1)300(10.6)0.650100.94dUDD TLm HI电力电子技术电力电子技术 输出电容的计算（理想电容）： 输出电容的计算（考虑电容等效串联电阻）：CITCTIUo812221FUITCo2518105048625.041IURoESR电力电子技术电力电子技术 初选开关管为: IGBT APT APT30GT60BR (600V, 30A) 二极管为: IXYS DSEI30-06A (600V, 37A) APT APT30GT60BR主要参数|正向压降(30A) 2.2V|正向最大电流(25) 58A|正向最大电流(10

15、0) 30A|结壳热阻 0.5K/W IXYS DSEI 30-06A 主要参数|正向平均电流(85) 37A|正向压降(37A) 最大1.6V|结壳热阻 1K/W 电力电子技术电力电子技术 5.1.2 升压型直流变换器（升压型直流变换器（Boost）典型电路：如下图所示。输入直输入直流电压流电压升压电感升压电感保持输出电保持输出电压恒定压恒定负载负载续流二极管续流二极管 全控型全控型器件器件。滤波电容滤波电容电力电子技术电力电子技术 电路结构和升压原理电路结构和升压原理 像Buck变换器那样，在电源和负载之间串接一个通-断控制的开关器件，不可能获得高于电源电压的直流电压。为了获得高于电源电压

16、的直流输出电压，一个简单而有效的办法就是利用电感线圈L在其电流减小时所产生的反电动势。当电感电流减小时，反电动势为正值，与电源一起为负载供电，则负载获得高于电源的电压 Boost变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，电感L在输入侧，称为升压电感。 Boost变换器也有两种运行模式：电感电流连续模式CCM和电感电流断续模式DCM。电力电子技术电力电子技术 Boost变换器电感电流连续状态时的工作特性： 假设 Boost变换器为理想变换器 两种开关状态 开关状态1 Ton期间 V导通，VD截止，等效电路为图3.3（a） 电源电压加在电感L上，电感电流iL线性增加。 当tTon时，电感

17、电流达到最大值iLmax。在V导通期间，电感电流的增量为： 在此期间， 线性增加；电容C为负载供电， LLddiuULdtddLonUUiTD TLLVLiicooiiI 电力电子技术电力电子技术 开关状态2 Toff期间， V截至，VD导通，等效电路 见（图图3.3b） tTon时，开关管V阻断，电感电流不能突变，VD导通为L续流。电感释放能量，和电源一起给负载供电，由于输出滤波电容两端的电压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uLUd-Uo保持不变，所以电感电流线性减小，在t =T 时，iL减小到最小值ILmin。 此期间， iVD iL，是线性减小的；ic iL Io，也是线性减小的,从I

18、Lmax-Io 减小到ILmin-Io 。 电感电流的减小量为：当tT后，开关管开通，进入下一个周期。( )LLLdooffidiuUULLdtT (1)odLUUiD TL电力电子技术电力电子技术 结论： 当电路处于稳态时，电感电流得增加和减小量是相等的，由、 可以得到：因为： ， 所以：因此Boost变换器为升压变换器。(1)dodLLLUUUiDTiD TiLL 1doUUD01onTDTodUU电力电子技术电力电子技术 基本电压电流关系：基本电压电流关系：假设变换器没有能力损耗，则： 从而得到输入和输出电流之间的关系开关管V和二极管VD的电流幅值与电感电流最大值相等开关管V和二极管VD

19、的电压幅值相等输出电压的脉动峰-峰值 Ton期间，负载电流Io靠电容C放电来供给，uo下降可近似认为放电电流为一常数。ddooU IU I1odIIDVVDoUUUoonooITDIQuCCCf 见图5.3（c）电力电子技术电力电子技术 2. Boost变换器电感电流断续状态时的工作特性： 三种开关状态 与电感电流连续的状态时相比，增加了V和VD都截止的第三种工作状态。如图所示： 临界连续状态 临界负载电流临界负载电流当实际负载电流 IoIok，电感电流临界连续；当实际负载电流 IoIok，电感电流断续，否则电感电流连续。max()112222dodOKLLD UD UUIIiLfLf电力电子

20、技术电力电子技术 5.1.3 升降压型直流变换器升降压型直流变换器 Buck-Boost变换器典型电路：变换器典型电路：输入直输入直流电压流电压续流二极管续流二极管储能电感储能电感 全控型全控型器件器件。保持输出保持输出电压恒定电压恒定电力电子技术电力电子技术 前面讲到的Buck变换器只能降压，Boost变换器只能升压，而Buck-Boost变换器既能升压也能降压。Buck-Boost变换器是在Buck变换器的基础上串联一个Boost变换器组成的。输出和输入电压反相，也成为反相型直流变换器 和Buck、Boost变换器一样， Buck-Boost变换器也存在电感电流连续和电感电流断续两种工作模

21、式。概述概述电力电子技术电力电子技术 Buck-Boost变换器电感电流连续状态时的工作原理： 假设：与前述Buck变换器的假设相同 工作过程有两种开关状态： 开关状态1 Ton期间 V导通，VD截止，等效电路为图3.4（a） 电源电压加在电感L上，电感电流iL线性增加。 当tTon时，电感电流达到最大值iLmax。在V导通期间，电感电流的增量为： 在此期间， 线性增加；电容C为负载供电， ( )LLLdonidiuULLdtTddLonUUiTD TLLVLiicooiiI 电力电子技术电力电子技术 开关状态2 Toff期间， V截至，VD导通，等效电路（图图3.4b） tTon时，开关管V

22、阻断，电感电流不能突变，VD导通为L续流。电感释放能量，给负载供电，由于输出滤波电容两端的电压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uL-Uo保持不变，所以电感电流线性减小，在t =T 时，iL减小到最小值ILmin。 此期间， iVD iL，是线性减小的；ic iL Io，也是线性减小的,从ILmax-Io 减小到ILmin-Io 。 电感电流的减小量为： 当tT后，开关管开通，进入下一个周期。( )LLLooffidiuULLdtT (1)oLUiD TL电力电子技术电力电子技术 结论： 当电路处于稳态时，电感电流的增加和减小量是相等的，由、 可以得到：因为： 所以：当0D0.5时，UoUd，

23、为降压变换器； 当0.5DUd，为升压变换器。因此Buck-Boost变换器为升降压变换器。(1)doLLLUUiDTiD TiLL 1doD UUD01onTDT电力电子技术电力电子技术 Buck-Boost 电路仿真实例电路仿真实例测量测量电路电路触发触发电路电路示波示波器器测量测量电路电路电力电子技术电力电子技术 Buck-Boost 电路仿真输出波形电路仿真输出波形正常情况下的波形稳态情况下的波形电力电子技术电力电子技术 基本电压电流关系：基本电压电流关系：假设变换器没有能量损耗，则： 从而得到输入和输出电流之间的关系开关管V和二极管VD的电流幅值与电感电流最大值相等开关管V和二极管V

24、D的电压幅值相等电容在一个周期内的放电电荷为： 输出电压的脉动峰-峰值为：ddooU IU I1odD IIDVVDodUUUUoonoQITID ToocID TUD TQuCCRCooUD TCR u 见图5.4（c）电力电子技术电力电子技术 临界负载电流临界负载电流当实际负载电流 IoIok，电感电流临界连续；当实际负载电流 IoIok，电感电流连续，否则电感电流断续。2. Buck-Boost变换器电感电流断续状态 三种开关状态 与电感电流连续的状态时相比，增加了V和VD都截止的第三种工作状态。如图所示： 临界连续状态max112222ddOKLLD T UD UIIiLLf电力电子技

25、术电力电子技术 5.2.4 Cuk直流变换器直流变换器 Cuk直流变换器典型电路：直流变换器典型电路：L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容电力电子技术电力电子技术 概述概述1980年，Slobodan.Cuk教授提出了以他的名字命名的直流变换器Cuk直流变换器。 Cuk直流变换器的思路就是在Boost变换器的基础上串联了一个Buck变换器。 Cuk直流变换器储能电感L1和L2绕在同一磁心上形成变压器，选择合适的匝数比，理论上称为“零纹波”电压输出，是一种具有电压补偿的直流变换器。 Cuk变换器也存在电流连续和断续两种工作模式，但这里指的是二极管VD的电流在Toff是连续还是断续

26、。电力电子技术电力电子技术 Cuk变换器电流连续的工作原理： 假设：与前述的Buck变换器假设相同；另外，由于电容C1足够大，假定UC1保持不变。 工作过程有两种开关状态： 开关状态1 Ton期间 V导通，VD截止，等效电路图5.5（a） 以V为界，形成两个回路。左回路由电源Ud、L1、V组成；右回路由V、C1、L2、R和C2组成。 左回路：电源电压加在电感L1上，uL1Ud ，电感电流iL1线性增加。 1( )1111LLLdonidiuULLdtT1( )1dLUD TiL电力电子技术电力电子技术 右回路：C1通过V给负载供电，L2储能，uL2UC1-Uo，电感L2电流线性增加。在此期间，

27、 也是线性增加的； 波形图见图5.5（c）2( )22122LLLCoonidiuUULLdtT12( )2()coLUUD TiL12VTLLiii 开关状态2 Toff期间 V阻断，VD导通，等效电路 图5.5（b） 以VD为界，形成两个回路。左回路由电源Ud、L1、C1、VD组成；右回路由VD、C1、L2、R和C2组成。电力电子技术电力电子技术 右回路：L2通过VD续流给负载供电，uL2-Uo，电感L2电流线性减小，电流减小量为：在此期间， 也是线性减小的，波形图见图5.5（c）1( )11111LLLdCoffidiuUULLdtT 11( )1() (1)CdLUUDTiL2( )2

28、222LLLooffidiuULLdtT 2( )2(1)oLUDTiL12VDLLiii左回路：电源电压和电感L1一起为C1充电，uL1UdUC1 ，电感电流iL1线性减小，电流减小量为：电力电子技术电力电子技术 结论：当电路处于稳态时，电感L1电流的增加和减小量是相等的，由、 可以得到：当电路处于稳态时，电感L1电流的增加和减小量是相等的，由、 可以得到：由上式的： 图5.5 和Buck-Boost电路一样，Cuk变换器为升降压变换器。11( )1( )111() (1)dCdLLLUD TUUDTiiiLL 11dCUUD12( )2( )222()(1)cooLLLUUD TUD Ti

29、iiLL 1oCUD U1odDUUD电力电子技术电力电子技术 2. Cuk变换器电流断续状态 由于电感L1和L2较小，可能储存的能量在Toff期间释放完，造成电流断续。 临界连续: 电感L1和L2储存的能量在Toff结束时恰好释放完。 根据前面所讨论的方法，有兴趣的同学自己推导一下临界负载电流。电力电子技术电力电子技术 Cuk变换器是用电容作为传输能量的元件，而前面的三种直流变换器是用电感作为传输能量的元件。 Cuk变换器也是一种输出电压与输入电压极性相反的直流变换器。 Cuk变换器比前面三种复杂，但它能达到输入、输出电流连续的效果，而且通过将输入输出电感耦合，可以“零纹波”，使体积小型化。

30、 Cuk变换器虽然电路拓扑较佳，但并不广为应用，原因是能量转换用的电容需要耐受极大的纹波电流，这种电容成本高，可靠性稍差一些。 说明：电力电子技术电力电子技术 5.1.5 Sepic 和和Zeta直流变换器直流变换器Sepic 直流变换器主电路直流变换器主电路Zeta 直流变换器主电路直流变换器主电路典型电路：电力电子技术电力电子技术 Sepic 直流变换器工作特性分析：直流变换器工作特性分析： 开关状态开关状态1 Toff期间 V开通，VD关断，等效电路 图5.6（a) 以V为界，形成了两个回路：UdL1V回路和C1VL2回路。两回路同时导电，L1和L2贮能，电感电流线性增加；负载R由电容C

31、2 供电。 开关状态开关状态2 Ton期间 V关断，VD截止，等效电路图5.6（b) 以VD为界形成两个回路，UdL1C1VDRC回路及L2VDRC回路同时导电，此阶段Ud和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）；L2通过VD续流，为负载提供能量。电力电子技术电力电子技术 Sepic直流变换器输出输入电压关系：稳态时，对于电感两端的电压在一个周期内平均值为0，可得：)1)(011DUUUDUUCddL210(1)LCUUD UD令上式中的UL10和UL20，消去UC1可得：注：在上式中UC1UddoUDDU1 Sepic电路较复杂，限制了其使用范围，具有输

32、出电压比输入电压可高可低的特点，它可用于要求输出电压较低的单相功率因数校正电路。电力电子技术电力电子技术 Zeta直流变换器工作特性分析：直流变换器工作特性分析： 开关状态开关状态1 Ton期间 V开通，VD关断，等效电路 图5.7（a) 电源Ud经开关管V向电感L1储能；同时电源和C1一起向负载供电，电感L2储能，C1放电，电感电流 和 都线性增加。1Li2Li 开关状态开关状态2 Toff期间 V阻断，VD导通，等效电路 图5.7（b) 电感L1释放能量经VD续流给C1充电；电感L2释放能量，经VD续流为负载供电，电感电流 和 都线性减小。1Li2Li电力电子技术电力电子技术 Zeta直流

33、变换器输出输入电压关系：稳态时，对于电感两端的电压在一个周期内平均值为0，可得：11(1)LdCUUDUD2100()(1)LdCUUUUDUDdoUDDU1令上式中的UL10和UL20，消去UC1可得：注：在上式中UC1UoZeta和Sepic两种电路相比较，具有相同的输出输入关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波；反之Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。 电力电子技术电力电子技术 六种基本的斩波电路小节六种基本的斩波电路小节电路电路特点特点电压比公式电压比公式应用领域应用领域Buck只有降压，不能升压，输出电压和输入电压同极性，输出电流脉动大，输入电流脉

34、动小，结构简单。各种降压型开关稳压器。Boost只能升压，不能降压，输出和输入电压同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。各种升压型开关稳压器，升压型功率因数校正电路（PFC）Buck - Boost 能升压，能降压，输出和输入电压极性相反，输出输入电流脉动大，不能空载工作，结构复杂。反相型开关稳压器。Cuk能升压，能降压，输出和输入电压极性相反，输出输入电流脉动小，不能空载工作，结构复杂。对输入输出纹波要求高的反相开关稳压器。Sepic能升压，能降压，输出和输入电压同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构复杂。升降压型功率因数校正电路。Zeta能升压

35、，能降压，输出和输入电压同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂。对输出纹波要求高的升降压型功率因数校正电路。0dUDU011dUUD01dUDUD01dUDUD01dUDUD01dUDUD电力电子技术电力电子技术 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电力电子技术电力电子技术 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成 电流可逆斩波电路 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，又可再生制动。 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限

36、。 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 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，故其可工作于第1象限和第2象限。电力电子技术电力电子技术 a） 电流可逆斩波电路及波形电路结构和工作过程：V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。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，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电力电子技术电力电子技术 5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电

37、路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路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。桥式可逆斩波电路 工作过程分析：使V4保持通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限使V2保持通态时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。电力电子技术电力电子技术 5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路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相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数一个控制周期内负载电流的脉波数电力电子技术电力电子技术 3相3

38、重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 3 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3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小 。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。电力电子技术电力电子技术 当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3 3相相1 1重重斩波电路斩波电路。 而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1 1相相3 3重重斩波电路斩波电路。 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。电力电子技术电力电子技术 5.3 间接直流变换电

39、路间接直流变换电路5.3.1 正激型电路正激型电路5.3.2 反激型电路反激型电路5.3.3 半桥型电路半桥型电路5.3.4 全桥型电路全桥型电路5.3.5 推挽型电路推挽型电路 5.3.6 高频整流电路高频整流电路电力电子技术电力电子技术 隔离型直流变换电路隔离型直流变换电路直流交流直流的变换,也称间接直流变换电路,同基本的直流斩波电路相比,在电路中增加了交流环节,也称直交直电路,主要应用于开关电源等装置中。电路的典型结构如下图：高压（方波）低压高频整流低压大电流高压电力电子技术电力电子技术 采用这种结构的原因：大功率的转换；输入端和输出端需要电气隔离；某些应用中需要相互隔离的多路输出；输出

40、电压和输入电压的比例远大于1或远小于1；交流环节采用较高的频率，可以减小变压器和滤波电感的体积和重量。通常工作频率高于20kHz这一人耳听觉的极限，以避免变压器和电感产生刺耳的噪声。整流电路中，通常采用快恢复二极管或通态压降低的肖特基二极管。电力电子技术电力电子技术 隔离型直流变换器的分类：隔离型电路隔离型电路单端电路双端电路正激型电路正激型电路反激型电路反激型电路半桥型电路半桥型电路全桥型电路全桥型电路推挽型电路推挽型电路变压器中的电流是直流脉动的电流变压器中的电流是正负对称的交流电力电子技术电力电子技术 5.3.1 正激型电路正激型电路典型单端正激直流变换器： 如图 单端 ：变压器中流过脉

41、动的直流电流； 正激：当开关V导通时，VD1随即导通； Forword变换器是Buck变换器的拓扑，中间加入了变换器； 变压器的优点：（前面已提到） 变压器的处理：由于变压器的励磁电流和漏感储能，在V关断时，会产生危险的过电压，需增加一个去磁绕组(或回能绕组）和一个回能二极管。 电力电子技术电力电子技术 正激电路(Forward)的工作过程（见图5.8）开关V开通后，变压器绕组W1两端的电压为上“+”下“-”负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上“+”下“-” 。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；V关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD

42、3流回电源，所以V关断后承受的电压为：13(1)ViNuUN电力电子技术电力电子技术 磁心复位过程： 开关管V开通后，变压器的励磁电流从零开始线性增加 ； 开关管V关断后，必须设法使励磁电流降到零，否则在下一个周期内，励磁电流的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中累积起来，越变越大，从而导致变压器的励磁饱和，励磁电流迅速增加，最终损坏电路中的开关元件。因此在V关断后，使励磁电流降到零，这一过程称为变压器的磁心复位。变压器的绕组W3和二极管VD3组成复位电路。（见图5.8） 正激变换器输出与输入电压之间的关系：21oUNDUiN电力电子技术电力电子技术 电流断续工作状态：电路在一个周期内有

43、3种工作状态，和Buck电路分析类似，在这里不再赘述。除了上述的单端正激型电路之外，正激电路还有其他的形式，例如双开关正激型电路，如图所示：双开关正激型电路的工作原理与单开关正激型电路基本相同。正激电路结构简单可靠，广泛应用于功率为数百瓦数千瓦的开关电源中。该电路的缺点是变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第象限利用率较低。电力电子技术电力电子技术 5.3.2 反激电路反激电路V开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；V关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。反激电路为Boost-Buck电路的拓扑。典型单端反激直流变换器：如图反激：V

44、开通，VD截止，称为反激。一次侧储能，二次侧释放能量。单端反激直流变换器工作过程分析：（见图5.9）电力电子技术电力电子技术 反激直流变换器也存在两种状态： 如果当V开通，绕组W2中的电流尚为下降到零，称为电流连续； 如果当V截止，绕组W2中的电流已经下降到零，即： 称为电流断续。 （见图5.9） 电流连续时，输入和输出电压之间的关系：VDoffTT211oUNDUiND电力电子技术电力电子技术 5.3.3 半桥电路半桥电路典型半桥型直流变换器：如图S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。

45、电容分压：C1、C2每个电容上分压为Ui/2 “双端”：变压器流过的是正负相等的交流。工作过程分析：电力电子技术电力电子技术 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。见图（5.10）半桥电路也是Buck电路的拓扑。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;电力电子技术电力电子技术 输入输出电压关系：电感电流连续时：电感电流不连续时： 输出电压将高于上式，在负载为零的极限下 212oiUNDUN 为了避

46、免上下两个开关在换流过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关管各自的占空比小于0.5。2112oiUNUN电力电子技术电力电子技术 典型全桥型直流变换器：如图 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输出电压。（见图5.11）当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。全桥电路也是Buck电路的拓扑。全桥电路中，互为对角的两个开关同时同时导通，同一

47、侧半桥上下两开关5.3.4 全桥电路全桥电路电力电子技术电力电子技术 输出输入电压的关系： 电感电流连续时 电感电流断续时，输出电压高于上式，并随负载减小而升高，在负载为零的极限下，有212oiUNDUN21oiUNUN电力电子技术电力电子技术 5.3.5 推挽电路推挽电路S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。推挽电路也是Buck电路的拓扑。见（图5.12）典型推挽直流变换器：如图推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。电力电子技术电力电子技术 输出输入电压间的关系：电感电流连续时：电感电流不连续时：并随负载减小而升高，在负载为零的极限下，有212oiUNDUN21oiUNUN电力电子技术电力电子技术 各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较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