第5章 斩波电路2016

1、1 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 第第5章章 直流直流-直流斩波电路直流斩波电路2 直流直流变换器作用：固定直流可控直流。 变换器中的功率器件工作于开关状态。 应用：直流开关电源，直流电机驱动。直流直流变换器的系统组成直流直流变换器的系统组成第第5章章 直流直流-直流斩波电路直流斩波电路3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

2、入输出间的隔离，因此也称为因此也称为直直交交直电路直电路。 第第5章章 直流直流-直流斩波电路直流斩波电路直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直接直流变流电路直流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功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。输入与输出之间不隔离。流电。输入与输出之间不隔离。隔离，能量变换？隔离，能量变换？4第第5章章 直流直流-直流斩波电路直流斩波电路 直流直流变换器的主要种类：基本结构

3、：基本结构： 降压变换器（降压变换器（Buck converter)Buck converter) 升压变换器（升压变换器（Boost converter)Boost converter)复合结构：升降压变换器（复合结构：升降压变换器（BuckBuckBoost converter)Boost converter) 全桥变换器（全桥变换器（full bridge converter)full bridge converter) 5控制输出电压控制输出电压vo 平均值的方法：控制开关通断时间。平均值的方法：控制开关通断时间。onodstVVTonstDT称为占空比直流直流变换器又称直流直流变换器

4、又称斩波器，斩波器，开关器件应为开关器件应为全控型全控型。5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路6直流直流变换器直流直流变换器的三种控制方式的三种控制方式（改变占空比的方式）（改变占空比的方式）脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWMPWM（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation） 周期不变，通过周期不变，通过导通时间导通时间的改变的改变，控制输出电压。，控制输出电压。脉冲频率调制脉冲频率调制PFMPFM（Pulse Frequency ModulationPulse Frequency Modulation） 导通时间不变，导通时间不变，改变导通的改变导

5、通的周期周期来改变输出电压。来改变输出电压。混合型调制：混合型调制：t tonon和和T Ts s都可调都可调，以改变占空比。，以改变占空比。onoddstVVDVT PWM（脉冲宽度调制）是直流直流变换器中最常用的控制方法。5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路7脉冲宽度脉冲宽度调制电路调制电路onscontrolsttDTvV5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路80011( )sonTtonoodddssstVv t dtV dtVDVTTT平均输出电压平均输出电压1odDVV 降压变换1.基本的降压变换电路基本的降压变换电路 假定：恒定的输入电压、理想的开关、纯电阻负载假定：恒定的输入电压

6、、理想的开关、纯电阻负载5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路9基本电路的基本电路的缺陷缺陷实际的负载应为感性实际的负载应为感性。即使。即使是阻性负载，负载回路中仍会是阻性负载，负载回路中仍会存在分布电感。开关断开时，存在分布电感。开关断开时，必须有吸收电感储能的回路，必须有吸收电感储能的回路，否则开关会因过压而损坏。否则开关会因过压而损坏。输出输出电压波动电压波动太大（太大（0或或Vd）解决方法解决方法增加增加二极管二极管，形成续流回路，吸收电感储能。，形成续流回路，吸收电感储能。负载侧接入负载侧接入低通滤波器低通滤波器（由电感和电容构成），（由电感和电容构成），减小输出电压的波动。减小输出电

7、压的波动。5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路10低通低通滤波器滤波器续流续流二极管二极管 滤波器滤波器输入电压输入电压2.实用的降压变换电路实用的降压变换电路 变换器变换器输出电压输出电压11n 低通滤波器的作用低通滤波器的作用滤波器输入电压滤波器输入电压包含直流分量包含直流分量Vo和谐波分量和谐波分量谐波分量谐波分量直流分量直流分量Vo滤波器输入电压滤波器输入电压谐波分量的频率为谐波分量的频率为开关频率的整数倍开关频率的整数倍滤波器滤波器的转折频的转折频率率fc远小于开关频远小于开关频率率fs，可滤除输出可滤除输出电压中的谐波电压中的谐波开关频率开关频率fs转折频率转折频率开关频率开关频率

8、fs输出电压输出电压12n 续流二极管的作用续流二极管的作用续流续流二极管二极管开关闭合时，二极管反向截止，开关闭合时，二极管反向截止，Vd通过电感向负载通过电感向负载提供电流。提供电流。开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负载释放电感中的储能。载释放电感中的储能。采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？13 稳态的含义：电压、稳态的含义：电压、电流为电流为重复的周期波重复的周期波。11()( )LLi tTi t电感电流电感电流11( )( )1( )( )LLtLLLtdi tLv

9、 tdti ti tv dL 稳态时电感电流稳态时电感电流1110tTLtv dT稳态时电感电压在一个周期内的平均值平均值为零。面积面积A面积面积B3. 稳态电路中电感上电压、电流的特点稳态电路中电感上电压、电流的特点L伏秒平衡原则伏秒平衡原则14电容电压电容电压11( )( )1( )( )cctccctdv tCi tdtv tv ti dC 稳态时电容电压稳态时电容电压11()( )ccv tTv t110tcti dT稳态时电容电流在一个周期内的平均值平均值为零。面积面积A面积面积B4. 稳态电路中电容上电压、电流的特点稳态电路中电容上电压、电流的特点C安秒平衡原则安秒平衡原则15电感

10、中的平均电流等于平均输出电流电感中的平均电流等于平均输出电流Io。（因为稳态时电容上的平均电流是零因为稳态时电容上的平均电流是零）假设滤波电容非常大，则近似认为输出电压恒定。假设滤波电容非常大，则近似认为输出电压恒定。( )oov tV 电感电流连续和断续时电路的工作特性不同。电感电流连续和断续时电路的工作特性不同。LoII5. 稳态时降压变换电路的特点稳态时降压变换电路的特点166. 连续导通的工作模式连续导通的工作模式n 连续导通模式：连续导通模式：电感电流连续，电感电流连续，即即iL(t)0开关闭合开关闭合时时,二极管反向截止二极管反向截止LvLioI开关断开开关断开时，时，iL通过二极

11、管续流通过二极管续流ontofftsT( )LLdodiv tVVLdt( )Lodiv tVLdt 17n 求取连续导通模式下求取连续导通模式下输出电压平均值输出电压平均值()()doonosond ono onoso onVV tV TtV tV tV TV t00()()0sonsonTtTLdootv dtVV dtV dt 方法方法1：利用电感上的伏秒平衡原则：利用电感上的伏秒平衡原则(oondsVtDVT占空比）18方法方法2：从滤波器输入电压平均值入手：从滤波器输入电压平均值入手0001110sssTTToiLosssd onoffoonosdsv dtv dtv dtTTTV

12、ttVtVDTVT19n 输出电功率输出电功率doPP 忽略电路元件上的损耗，可得输入功率忽略电路元件上的损耗，可得输入功率Pd等于等于输出功率输出功率Po1ddoodoodV IV IVIVID 连续导通模式下的降压变换器可等效为连续导通模式下的降压变换器可等效为直流降压变压直流降压变压器器，变压比可通过占空比，变压比可通过占空比D在在01之之间连续调节间连续调节。 尽管电流尽管电流Id也符合变压器的关系，但电流波形在也符合变压器的关系，但电流波形在一个周期中是跳变的，含有大量谐波。一个周期中是跳变的，含有大量谐波。1dodoVVDIDI20iL断续断续仅依靠电容仅依靠电容向负载供电向负载供

13、电vL=0n断续导通时的情况断续导通时的情况(负载较轻时，负载较轻时，IL减小，将不连续）减小，将不连续） 7 断续导通工作模式断续导通工作模式临界点临界点-电流是否连续电流是否连续?218 输出电压的脉动率（连续导通模式）输出电压的脉动率（连续导通模式）实际上，实际上，电容值有限，电容值有限，输出电压存在脉动。输出电压存在脉动。 前面的分析中，滤波电容足够大，使得前面的分析中，滤波电容足够大，使得( )oov tV 求解电压脉动时，假设求解电压脉动时，假设IL中的脉动分量流向电容，中的脉动分量流向电容，而平均值分量流向电阻。而平均值分量流向电阻。思想思想22( )oov tV 求解求解LI电

14、压脉动电压脉动电压脉动率电压脉动率2(1)18osoVTDVLC1 12 22osLQVCTIC(1)oLsVID TLofft( )( )LLdi tLv tdt( )( )ccdv tCi tdt2322(1)2ocosVfDVf112scsffTLC设合理选择转折频率可有效减小电压脉动率合理选择转折频率可有效减小电压脉动率csff一般取连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。在开关型直流电源中，在开关型直流电源中，输出电压的脉动率一般小输出电压的脉动率一般小于于1，所以前面采取的假设所以前面采取的假设 是合理的。是合理的。( )oov tV24

15、9 电机负载斩波电路电机负载斩波电路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 电路分析电路分析负载中出现负载中出现反电动势反电动势-Em，R0工作原理工作原理 t=0，V导通导通-供电供电-负负载电压载电压uo=E-io-指数曲线指数曲线上升。上升。 t=t1，V关断关断-VD续流续流-uo=0-io指数曲线下降；通指数曲线下降；通常电感常电感L较大使负载电流连较大使负载电流连续且脉动小。续且脉动小。 25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c）电流断续时的波形）电流断续时的波形26负载电压

16、的平均值负载电压的平均值ononoonoffttUEEDEttT负载电流平均值为负载电流平均值为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，一般不希望出现电流断续的平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。情况。 斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton。 频率调制频率调制：ton不变，改变不变，改变T。 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9 电机负载斩波电路电机负载斩波电路基本的数量关系基本的数量关系电流连续时电流连续时9 电机负载斩波电路电机负载斩波电路对电

17、路进行解析对电路进行解析v基于基于“分段线性分段线性”的思想，对降的思想，对降压斩波电路进行解析压斩波电路进行解析 V V通态期间，设负载电流为通态期间，设负载电流为i i1 1，可可列出如下方程：列出如下方程： EERitiLM11dd按按V 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。tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG（5-3）27 设电流初值为I10，=L/R

18、，解上式得 V断态期间断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：（5-5） 设此阶段电流初值为I20，解上式得：当电流连续时，有：tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图51 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形1101(54)ttEEiI eeRM0ddM22ERitiL2201(56)ttEiIeeRM10222( )() (5 7)Ii ttT2011( )(5 8)Ii t9 电机负载斩波电

19、路电机负载斩波电路2829REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1111/201式中，式中， ， ， ， ，I10和和I20分别是负分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。载电流瞬时值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/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 oIREmII2010平波电抗器平波电抗器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/9 电机负载斩波电路电机负载斩波电路即V进入通态时的电流初值

20、就是电流初值就是V V在断态阶段结束时的电流值，在断态阶段结束时的电流值，反过来，V V进入断态时的电流初值就是进入断态时的电流初值就是V V在通态阶段结束时的电流值在通态阶段结束时的电流值。可得出：可得出：30(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，忽略电路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 TIETRItEIomoono2则则REEImo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 ooonIITtI1其值小于等于负载电流其值小于

21、等于负载电流Io，由上式得，由上式得 oooIUEIEI1即输出功率等于输入功率，可将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降压斩波器看作直流降压变压器。9 电机负载斩波电路电机负载斩波电路 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（5-4）和式（5-6）可求出tx为： （5-16）电流断续时，tx0LvLiLIontofftsT开关开关闭合闭合时：二极管反时：二极管反偏截止，输出被隔离；偏截止，输出被隔离；输入电源向电感中储能输入电源向电感中储能开关开关断开断开时：输入电时：输入电源及电感共同向输出侧源及电感共同向输出侧提供电能。

22、提供电能。37n变压比变压比利用电感上的利用电感上的伏秒平衡伏秒平衡原则原则()0d ondooffdso offV tVV tV TV t11osdoffVTVtD1doddoodoodPPV IV IVIDVI n 电流比电流比n 连续导通模式下的升压变换器可等效为连续导通模式下的升压变换器可等效为直流升压变压直流升压变压器器，变压比可通过占空比，变压比可通过占空比D在在大于大于1的范围内的范围内连续调节。连续调节。11doIID380uGE0ioI1a)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 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工

23、作于稳态时，一个周期T中电感中电感L积蓄积蓄的能量与释放的能量相等，即的能量与释放的能量相等，即 offoontIEUtEI11EtTEtttUoffoffoffonoTtoff1EEUo111ooIUEI 1RERUIoo1REIEUIoo211393 断续导通工作模式断续导通工作模式n电感电流临界连续的情况电感电流临界连续的情况 电感电流电感电流iL在关断阶段（在关断阶段（toff）结束时恰好为零。）结束时恰好为零。LLBII电感电流临界连续电感电流临界连续电感电流断续电感电流断续LLBII40 每个开关周期，电感储能都要传递给输出端。每个开关周期，电感储能都要传递给输出端。如果负载较轻，

24、不能消耗该能量，将导致电容电压如果负载较轻，不能消耗该能量，将导致电容电压上升上升Vo过高导致负载侧出现过压或击穿电容。所以过高导致负载侧出现过压或击穿电容。所以升压变换器不能空载工作升压变换器不能空载工作。n升压变换器工作在断续导通模式时的升压变换器工作在断续导通模式时的特殊要求特殊要求414 寄生元件的影响寄生元件的影响 电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了寄寄生元件效应生元件效应，当，当D接近接近1时，实际的变压比有所下降。时，实际的变压比有所下降。应用时，应用时，一般要限制占空比一般要限制占空比D，使寄生效应不明显。，使寄生效应不明显

25、。425 输出电压的脉动率输出电压的脉动率实际上，实际上，电容值有限，电容值有限，输出电压存在脉动。输出电压存在脉动。ossoVDTTDVRCRC连续导通模式下，连续导通模式下，输出电压脉动率输出电压脉动率111ooonosVVQtCC RVDTC RCDoiii43例例5-4 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

26、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 .133oARUIo图图5-2a44升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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a） 电路图 b） 电流连续时c） 电流断续时【1】用于直流电动机传动【2】用作单相功率因数校正（PFC）电路【3】用于其他交直流电源中直流电动机传动时，直流电动机传动时，实际电感实际电感L

27、 L值不可值不可能为无穷大，电路和降压斩波电路一样，能为无穷大，电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢也有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电机的反电动势相当于图电机的反电动势相当于图5-2电路中电路中的电源，而此时的直流电源相当于的电源，而此时的直流电源相当于图图5-2中电路中的负载。中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，由于直流电源的电压基本是恒定的，因此因此不必并联电容器不必并联电容器。 45Von时，电枢电流为i1， i1的初值为I10，得:Voff时，电枢电流为i2i2的初值为I20，得： M11ddERitiLtteREeIi1M101EERi

28、tiLM22ddttteREEeIi1M202on升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用v 电路分析电路分析EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo46电流连续时，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10 求得： onon1M1020tteREeIIoffofftmteREEeII12010REeemREeeREITt1111offM10REeeemREeeeREITTt11onM20EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I

29、10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用47用泰勒级数线性近似，得 表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io， 以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了将直流电源看作是被降低到了 。 REmII2010REEREmIoME升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用48电枢电流断续时 当t=0时刻i1=I10=0， 可求出I20，可写出i2的表达式。当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 当txt0ff时，电路为电流断续工作状态电流断续工作状态，t tx x t t0ff0ff是电流断续的条件是电流

30、断续的条件，即 根据此式可对电路的工作状态作出判断。 mmett11lnonxeem11升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用495.1.3 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a)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 升降压斩波电路升降压斩波电路 工作原理工作原理 V导通导通时，电源时，电源E经经V向向L供电使其贮能，此时电流为供电使其贮能，此时电流为i1，同时，同时C维持输出电压恒定维持输出电压恒定并向负载并向负载R供电。供电。 V关断关断时，时，L的能量向的能量向负载释放，电流为负载释放，电流为i2，负载电，负

31、载电压极性为上负下正，与电源电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作压极性相反，该电路也称作反反极性斩波电路。极性斩波电路。 50基本的数量关系基本的数量关系 稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内内电感电感L两端电压两端电压uL对时间的积对时间的积分为零，即分为零，即 TLtu00doffoontUtEOn-uL=E；Off-uL=-uoEEtTtEttUononoffono151当当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压时为升压-升降压斩波电路。升降压斩波电路。 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

32、，当电流脉动足够小时，有有 offonttII211121IIttIonoff输出功率和输入功率相等输出功率和输入功率相等 21IUEIo52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 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。 V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。 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。 Cuk斩波电路斩波电路工作原理工作原理53基本的数量关系基本的数量关系TCti00doffontIt

33、I12C的电流在一周期内的平均值应为零的电流在一周期内的平均值应为零112onononoffttTttIIEEtTtEttUononoffono1 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与电源电压与电源电压E的关系的关系 明显的优点明显的优点:其输入电流和输出电其输入电流和输出电流都是连续的，且脉动很小，有利于流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。对输入、输出进行滤波。545.2 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 5.2.1 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

34、5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路55概念概念 复合斩波电路复合斩波电路：降压斩波电路：降压斩波电路+升压斩波电路。升压斩波电路。 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：相同结构的基本斩波电路组合 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 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，又可，又可再生制动再生制动，降压斩波电路能使电动机工，降压斩波电路能使电动机工作于第作于第1象限，升压斩波电路能使电动机工作于第象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。象限。 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路

35、组电流可逆斩波电路：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，故其可工作于第一种极性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。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56a)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 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路电路结构电路结构V1和和VD1构成构成降压斩波降压斩波电路电路，电动机为电动运行，电动机为电动运行，工作于第工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成构成升压斩波

36、电升压斩波电路路，电动机作再生制动运行，电动机作再生制动运行，工作于第工作于第2象限。象限。57第第3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，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。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。 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。 ttb)uoioiV1iD1iV2iD2工作过程工作过程两种工作情况：只作降压两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波斩波器运行和只作升压斩波器运行。器运行。第第3种工作方式种工作方式：一

37、：一个周期内交替地作为降个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波压斩波电路和升压斩波电路工作。电路工作。585.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路图图5-8 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 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。 工作过程工作过程 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，可使电动机工作于电动机工作于第第1、2象限象限。 V2

38、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，向电等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供动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。595.2.3 全桥全桥DCDC变换器的基本工作变换器的基本工作原理原理 全桥变换器包括全桥变换器包括两个桥臂两个桥臂，A和和B。 每个桥臂由每个桥臂由两个开关两个开关及其及其反并联的二极管反并联的二极管组成。开关组成。开关代表某种全控型电力电子器件，所以是单向导电。代表某种全控型电力电子器件，所以是单向导电。60n 每桥臂中两个开关的控制规律 互补开关方式：一个开关闭合，另一个开关断开。互补开关方式

39、：一个开关闭合，另一个开关断开。n互补开关方式的优点是：同一桥臂的上下两个开关不会同互补开关方式的优点是：同一桥臂的上下两个开关不会同时断开，这样可保证负载电流是连续的。时断开，这样可保证负载电流是连续的。n 当电流连续时，变换器的当电流连续时，变换器的输出电压仅由开关状态所决定。输出电压仅由开关状态所决定。ANdvV TA+闭合，闭合， TA-断开时断开时0ANv TA-闭合，闭合， TA+断开时断开时61n 闭合与导通的概念区分开关开关闭合闭合时，是否能够时，是否能够导通导通与负载电流方向有关。与负载电流方向有关。当负载电流与开关导电方向当负载电流与开关导电方向相同时相同时，开关闭合后即，

40、开关闭合后即导通。导通。当负载电流与开关导电方向当负载电流与开关导电方向相反时相反时，则反并联的二，则反并联的二极管导通，而开关虽闭合却不导通。极管导通，而开关虽闭合却不导通。n 死区时间理想情况下，两个开关不会同时断开。理想情况下，两个开关不会同时断开。而实际应用中，在两个而实际应用中，在两个开关切换的瞬间开关切换的瞬间，它们均断，它们均断开，以开，以避免避免因因桥臂直通桥臂直通而造成直流电源瞬间短路。而造成直流电源瞬间短路。这段同时断开的时间称为空白时间或这段同时断开的时间称为空白时间或死区时间死区时间。62n 变换器的输出电压 桥臂桥臂A的平均输出电压的平均输出电压 同理，桥臂同理，桥臂

41、B的平均输出电压的平均输出电压 所以，变换器总的输出电压所以，变换器总的输出电压0dAANAVTvT闭合闭合AA0(d onoffANdsAV ttVVDTDT 为导通占空比）(BNdBBBVVDDT为导通占空比）oABANBNVVVV63n 变换器的控制方式 双极性双极性PWM控制：在每个开关周期内，负载电压控制：在每个开关周期内，负载电压极性正负变化。极性正负变化。 单极性单极性PWM控制：在每个开关周期内，负载电压控制：在每个开关周期内，负载电压极性不变化。极性不变化。645.2.4 5.2.4 双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式 双极性双极性PWM控制方式下，器件的控制规律控制方

42、式下，器件的控制规律 开关分成两对：开关分成两对：P1（ TA+, TB-）和）和P2 （ TB+, TA-） 一对中的两个开关同时闭合或断开。一对中的两个开关同时闭合或断开。 两对开关总是一对闭合，另一对断开。（互补）两对开关总是一对闭合，另一对断开。（互补）65 开关控制信号开关控制信号的产生方法的产生方法（控制信号与（控制信号与三角波三角波比较）比较）1 controltrivvP on2 controltrivvP onP1vANP2vBN66 平均输出电压平均输出电压VoP1P2P1占空比占空比D1P2占空比占空比D2 1D1 1(21)oANBNdVVVDV1ANdVD V21(1

43、)BNddVD VD VVo在在Vd和和Vd之间跳变，之间跳变，故称故称双极性控制双极性控制vAB闭合闭合器件器件675.2.55.2.5单极性单极性PWMPWM控制方式控制方式n单极性PWM控制方式n倍频单极性PWM控制方式1oANBNdVVVDV685.2.6 多相多重斩波电路多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)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。相同的基本斩波

44、电路而构成的。 相数相数: 电源侧的电流脉波数。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 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 个斩波电路单元输个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的流平均值的3倍，脉动频率也为倍，脉动频率也为3倍。倍。695.2.6多相多重斩波电路多相多重斩波电路 总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成

45、反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器平波电抗器总重量大为减轻。总重量大为减轻。 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重斩重斩波电路波电路，当电源为，当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为个独立电源，向一个负载供电时，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为备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

46、波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，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。使得总体的可靠性提高。70 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715.3 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同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节同直流斩波电

47、路相比，电路中增加了交流环节-直直交交直电路直电路。 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 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波电感、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。波电容的体积和重量。72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半桥、全桥和

48、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。间接直流变流电路分为间接直流变流电路分为单端单端(Single End)和和双端双端(Double End)电路两大类电路两大类单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，73SuSiLiSOttttUiOOO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 正激电路正激电路(Forward) 工作过程工作过程 开关开关S开通开通后，变压器绕组后，变

49、压器绕组W1两两端的电压为上正下负，与其耦合的端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，处于通态，VD2为断态，电感为断态，电感L的的电流逐渐增长。电流逐渐增长。 S关断关断后，电感后，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绕绕组和组和VD3流回电源，所以流回电源，所以S关断后承受关断后承受的电压为的电压为iSUNNu)1 (315.3.1 正激电路正激电路7475BRBSBHO图图 5-13 磁心复位过程磁心复位过程 开关开关S开通后，变压器的激磁电流由零开开通后，变压

50、器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到始，随时间线性的增长，直到S关断，关断， 必须设法使激磁电流在必须设法使激磁电流在S关断后到下一次关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为再开通的时间内降回零，这一过程称为变压变压器的磁心复位器的磁心复位。否则导致变压器的激磁电感。否则导致变压器的激磁电感饱和。饱和。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 TtNNUUon12io输出电感电流不连续时，输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下在负载为零的极限情况下 i12oUNNU 变压器的磁心复位变压器的磁心复位磁心复位所需的时间磁心复位所需

51、的时间76SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO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当当S开通时，开通时，W2绕组中的电流尚未下降到绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于零，则称工作于电流连续模式电流连续模式，输出输入电，输出输入电压关系为压关系为uUNNUSio12offon12iottNNUU5.3.2 反激电路反激电路工作过程工作过程S开通，开通，W1绕组的电流线性增长绕组的电流线性增长-电电感储能增加。感储能增加。S关断关断，W1绕组的电流被切断，变压器中的绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过磁场能量通过W2

52、绕组和绕组和VD向输出端释放，向输出端释放， 工作模式工作模式77 S开通前，开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则绕组中的电流已经下降到零，则称工作于称工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）的计算值，在负载为零的极限情况下，）的计算值，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78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5.3.3 半桥电路半桥电路79 S1与与S2交替导通，交替导通，使变压器一次侧形成使变压器一次侧形成幅值为幅值为Ui/2的交流电的交流

53、电压，改变开关的占空压，改变开关的占空比，就可以改变二次比，就可以改变二次侧整流电压侧整流电压ud的平均的平均值，也就改变了输出值，也就改变了输出电压电压Uo。 工作过程工作过程80S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，处于通态，S2导通时，二导通时，二极管极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组组N1中的电流为零，中的电流为零，VD1和和VD2都处于通态，各分都处于通态，各分担一半的电流。担一半的电流。 S1或或S2导通时电感导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感都关断时，电感L的电流逐渐下降，的电

54、流逐渐下降，S1和和S2断态断态时承时承受的峰值电压均为受的峰值电压均为Ui。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，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次侧电压的直流分量通时间不对称而造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有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁偏磁和和直直流磁饱和流磁饱和。81 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将高于式（将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限的计算值，并随负载减小

55、而升高，在负载为零的极限情况下情况下2i12oUNNU(5-54)输出电压输出电压82S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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5.3.4 全桥电路全桥电路83S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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

56、感L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。 当当S2与与S3开通后，开通后，VD2和和VD3处于通态，处于通态，电感电感L的电流也上升。的电流也上升。 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，电感于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，的电流逐渐下降，S1和和S2断态时承受的峰断态时承受的峰值电压均为值电压均为Ui。5.3.4 全桥电路全桥电路 工作过程工作过程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关同一侧半桥上下两开关交替交替导通，导通，使变压器一次侧形成幅值为使变压器一次侧形成幅值为Ui的交的交流

57、电压，变占空比可改变输出电压。流电压，变占空比可改变输出电压。84为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个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开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。磁偏如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交的导通时间不对称，则交流电压流电压uT中将含有中将含有直流分量直流分量，会在变压器一次侧，会在变压器一次侧产生很大的直流产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥分量，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联一个电容，以阻断直流电流。

58、次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。防直通85滤波电感电流连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将高于式（将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下下 UNNUoi21(5-55)输出电压输出电压86S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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5.3.5 推挽电路推挽电路87当两个

59、开关都关断时，当两个开关都关断时，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，S1和和S2断态时承受的断态时承受的峰值电压峰值电压均为均为2倍倍Ui。 工作过程工作过程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，在绕组交替导通，在绕组N1和和N1两端分别形成相位两端分别形成相位相反的交流电压。相反的交流电压。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的电流逐渐上的电流逐渐上升，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电流也逐渐电流也逐渐上升。上升。88当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流

60、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将高于式（将高于式（5-56）的计算值，）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 UNNUoi21(5-56)如果如果S1和和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，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同时导通，每个开关各自的占空比不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超过能超过50%，还要留有死区。，还要留有死区。输出电压输出电压89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