第五章电力电子技术(DCDC)

1、现代电力电子技术 第五章 DC/DC变换 DC/DC变换是干什么的？ DC/DC变换电路能将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能。这些电参数包括： 直流电幅值 直流电极性为什么要进行DC/DC变换？ 应用DC/DC变换技术可使直流输出电压脉动更小、纹波更低。具体： 直流传动装置提高稳态和动态性能； 直流电源减小体积、降低重量，提高效 率； 逆变焊机降低体积和重量、提高电源效 率、提高焊接质量。 DC/DC变换的方法 目前主要用脉冲调制实现输出电压的控制，方法主要有两种： 1、脉冲宽度调制（PWM）应用较广 2、脉冲频率调制(PFM)DC/DC变换电路1、基本DC/DC变换电路 降压

2、、升压、升降压斩波电路和可逆斩波电路； 2、带隔离变压器的DC/DC变换电路；3、输出低电压的同步整流电路；4、分布式电源。DC/DC变换电路的特点：1、负载侧并联电容或电势负载稳定电压；2、转换电路特别是升压电路中需要利用电感储 能。3、对电阻性负载串联电感（恒流源）稳定电压。 5.1 直流降压斩波电路（直流降压斩波电路（Buck电路）电路） 负载电流连续负载电流连续 VT导通与关断时的等效电路 负载电流断续负载电流断续 5.2 直流升压斩波电路（直流升压斩波电路（Boost 电路）电路） ooffTUEt VT导通与关断时的等效电路 5.3 直流升降压斩波电路直流升降压斩波电路 5.3.1

3、 升降压斩波电路升降压斩波电路 （Buck - Boost chopper） 升降压斩波电路 输入输出波形 VT导通与关断时的等效电路 5.3.2 Cuk斩波电路斩波电路 onooff1tUEEtVT导通与关断时的等效电路及电流通路 5.3.3 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onooff1tUEEtVT导通与关断时的等效电路及电流通路 Zeta斩波电路斩波电路 onooff1tUEEtVT导通与关断时的等效电路及电流通路 5.4 可逆斩波电路可逆斩波电路 几个概念：几个概念： 可逆：既可正，又可负。能量可双向传递。 电流可逆：电流的方向可正可

4、负。 能量的双向传递： 电压或电流的方向可以反向，能量可 以双向流动。 可逆斩波电路：斩波电路的电流或能量可 逆向流动。5.4.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路的电压极性保持不变，电流既可正 又可负。以斩波电路为直流电动机供电 为例介绍(半桥电路)。电流可逆斩波电路可等效为降压斩波电路和升压斩波电路的互补叠加 电路的三种工作方式： 电路总是运行于降压斩波状态，直流电动机工作于第一象限的电动运行状态。 参见降压斩波电路 电路总是运行于升压斩波状态，直流电动机工作于第二象限的再升制动状态。 参见升压斩波电路 在一个周期内，电路在降压斩波和升压斩波两种状态之间交替工作。 第三种工作方式

5、电流io有正有负，平均值很小，对于电动机而言，相当于负载很小电流io为正时，分VT1导通和关断两种情况： 电流io为负时，分VT2导通和关断两种情况： 第三种工作方式的另一种理解法 把VT1和VD2、VT2和VD1当作两个双向开关双向开关： 开关电流有正有负，开关可双向导电，更接近理想开关。 IGBT与二极管反并联可以理解为一个开关。 利用开关来表示的电流可逆斩波电路工作原理分析负载性质：电阻-电感-反电势 电流滞后电压注意：K1、K2不能同时导通，否则电源短路。 K1导通时，或是VT1导通，或是VD2导通，取决于电流的方向。电流为正， VT1导通，电流为负， VD2导通。此时U0=E。能量的

6、流向取决于电流io的方向。 K2导通时， U0=0。电流io的方向取决于电感中的储能情况。 5.4.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路的等效开关电路桥式可逆斩波电路的等效开关电路 桥式可逆斩波电路的三种驱动控制方式 单极性斩波控制 双极性斩波控制 受限单极性斩波控制1、单极性斩波控制 保持K4导通、K3关断，使K1、K2按PWM控制方式交替导通，电动机工作在第1、2象限，即正转电动和再生制动状态。 保持K2导通，K1关断，使K3、K4按PWM控制方式交替导通，向电动机提供负电压，使电动机工作在第3、4象限，即反转电动和反转再生制动状态。2、双极性斩波控制 使K1、K4和K2

7、、K3成对按照PWM控制方式交替导通，并且使K1、K2和K3、K4的导通状态互补，避免电源短路。四种工作模式： 斩波电路输出正向电压，负载电流为正 斩波电路输出反向电压，负载电流为正 斩波电路输出反向电压，负载电流为负 斩波电路输出正向电压，负载电流为负 模式一 斩波电路输出正向电压，负载 电流为正，电动机正转 该模式下，K1、K4导通时间长，K2、K3导通时间短，平均电压为正。 模式二 斩波电路输出反向电压，负载 电流为正，电动机正转 该模式下，K1、K4导通时间短，K2、K3导通时间长，平均电压为负。模式三 斩波电路输出反向电压，负载电流为负，电动机反转 该模式下，K1、K4导通时间短，K

8、2、K3导通时间长，平均电压为负。模式四 斩波电路输出正向电压，负载电流为负，电动机反转 该模式下，K1、K4导通时间长，K2、K3导通时间短，平均电压为正。3、受限单极性斩波控制 在正转期间使K2、K3一直关断，让K1进行PWM控制，K4一直导通. 在反转期间使K1、K4一直关断，让K2进行PWM控制，K3一直导通。总结： 受限单极性方式无论电动机正转还是反转，都只有一只开关管处于PWM控制方式，既减小了开关损耗又降低了上下桥臂同时导通的机会，运行最可靠，应用最多。 缺点：负载较轻时，电动机电流小，出现断续情况，负载平均电压提高，电动机转速升高，机械特性变软。5.5 带隔离变压器的带隔离变压

9、器的DC/DC变换电路变换电路 许多场合需要带隔离变压器的DC/DC变换电路，结构如下图所示。也称直交直变换电路。 采用隔离型结构的电路实现DC/DC变换的原因：（1）输出端和输入端需要隔离；（2）某些应用中的多路输出之间需要隔离；（3）输出电压与输入电压的比值远小于1或者远大于 1；（4）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、电容的体积和重量。为了减小环境噪声，交流环节的工作频率应高于20kHz这一人耳的听觉极限，一般工作在几百kHz到几千kHz。隔离型DC/DC变换电路分为： 单端（single end）电路 双端（double end）电路 5.5.1 单端正激变换器单端

10、正激变换器 单端变换器是在降压斩波电路中插入隔离变压器构成的，典型的单端正激变换器如下图所示。降压斩波电路 变压器有三个绕组，N1是一次绕组，N2是二次绕组，N3是复位绕组，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容， VD1是输出整流二极管，VD2是续流二极管，VD3是复位绕组的串联二极管。 电路中开关管V按PWM控制方式工作。V开通时，E加到变压器原边绕组N1上，N1中电流iN1线性上升（因原边电压恒定），变压器铁芯磁通增加，在副边绕组N2中感应出上正下负的电势，使二极管VD1导通，VD2截止，L储能，流经其电流逐渐增大，变压器向负载提供能量。这期间，复位绕组N3感应出负电压（下正上负），VD3截

11、止。V关断时，变压器原边绕组N1极性变为下正上负，副边绕组N2极性也随之发生变化（变为下正上负），VD1关断，L的电流因不能突变而经VD2续流，L放能，流经其电流逐渐减小。V关断期间，变压器中储存的能量经绕组N3（极性变为上正下负）和复位二极管VD3回馈到电源。电流连续时5.5.2 双管正激变换器双管正激变换器 双管正激变换器电路 全控型器件V1和V2同时通断，当V1和V2同时导通时，变压器绕组N1产生上正下负的电压，二极管VD1和VD2反向偏置截止，变压器二次绕组N2中产生感应电势，形成上正下负的电压，使得VD3导通，VD4关断，能量从一次侧传递到二次侧，供给L、R、C。在此期间，变压器的励

12、磁电流线性增加。当V1和V2同时关断时，在变压器励磁电流的作用下，变压器绕组N1产生上负下正的电压，VD1和VD2导通，变压器励磁电流经VD1和VD2续流开始逐渐减小，同时，二次侧产生感应电势，形成上负下正的电压，使得VD3关断，电感电流经VD4续流，由电感供给负载能量。当励磁电流减小为零时，VD1和VD2截止。 5.5.3 单端反激变换器单端反激变换器 单端反激变换器电路 变压器的一次绕组N1与二次绕组N2的同名端相反，C是输出滤波电容。 采用PWM控制方式。当全控型器件V开通时，变压器原边绕组N1有电流流通，并有上正下负的电压，变压器副边绕组N2的同名端耦合出同样极性（下正上负）的电压，二

13、极管VD截止，流过绕组N1的电流i1线性增大，电感储存能量；当全控型器件V关断时，电流i1变为零，二次绕组中产生反方向的感应电势，即形成上正下负的电压，使二极管VD导通，变压器中储存的磁场能量通过绕组N2和二极管VD向负载释放。 单端反激变换器电流连续时的工作波形图 5.5.4 半桥变换器半桥变换器 隔离型半桥变换器电路 变压器一次侧的两个端子分别与C1、C2和全控型器件V1、V2的中点相连；变压器二次绕组带有中心抽头，构成全波整流电路。变压器二次绕组N2和一次绕组N1的匝数比为K=N2N1。设两个电容器的容量相同，则电容器中点的电压为E2。V1、V2交替导通，在变压器一次侧形成幅值为E2的交

14、变电压，改变V1、V2的导通占空比，就可以改变二次侧整流电压uN2的平均值，也就改变了输出电压Uo。为了避免上下两个开关同时导通而造成短路，每个开关各自的占空比不能超过50%，且要留有足够的裕量，这样就出现了二者同时关断的情况。 变换器波形图 5.5.5 全桥变换器全桥变换器 隔离型全桥变换器电路 5.6 同步整流电路同步整流电路 5.6.1 同步整流电路概述同步整流电路概述 为了降低损耗提高电源效率，采用开关时间短、输入阻抗高、导通压降低的电力MOSFET来代替二极管完成整流。由电力MOSFET构成的、与一次侧开关器件电压相位同步的整流电路就是同步整流电路（SR）。用于同步整流的MOSTET

15、要求具有双向导电特性。同步整流管及其电路图形符号如下。 MOSFET实际上是一个双向导电器件，以往的应用中只利用了正向导电特性，形成了MOSFET只能单向导电的概念。由于MOSFET存在寄生二极管，在用作同步整流管SR时，将MOS管反接使用，即源极S接电源正端，相当于二极管的阳极，漏极D接电源负端，相当于二极管的阴极，当MOS管在门极信号的作用下导通时，电流从源极S流向漏极D。 事实上，同步整流技术已经成为现代开关电源技术的标志，凡是高水平的开关电源，必定有同步整流技术。使用上，不再局限于5V、3.3V、2.5V、1.8V这些低输出电压领域，12V、15V、24V也在使用同步整流技术。 5.6

16、.2 同步整流电路的基本原理同步整流电路的基本原理半波同步整流电路及波形图 上图中，在u1的正半波，给SR的栅极施加控制信号ugs，则同步整流管导通，电流i由源极S流向漏极D。在此期间，电阻R两端的电压就等于u1。在u1的负半波，SR的栅极所施加控制信号ugs变为零，同步整流管关断，电路断开，电阻R两端的电压变为零。到下一个电源周期时，重复开通和关断同步整流管，则负载R上就得到了半周期电压，从而实现了半波整流。在该电路中，电源电压与SR的栅极控制信号是同步变化的。因SR中存在体二极管，图中电路还会出现另一种工作状态。即电路工作时，如果不给栅极施加控制信号，电路仍会在电压周期的正半波由电源、电阻

17、R、体二极管构成回路。不过此时SR的体二极管的正向导通压降和反向恢复时间都较大，故在这种情况下，整流过程产生的损耗将会明显增加。这也是同步整流管的源极S接电源正端的原因。 5.7 分布式电源分布式电源 电源发展的一个重要方向是模块化。在DC/DC变换技术的基础上，将一个完整的电源系统通过高效率的设计与高密度的安装技术封装在一个较小的空间内，使电源模块化、小型化、标准化，就可以将其作为一个类似电阻外形的标准单元器件安装在电路板上为系统供电。这种电源能够有效地减少所占电路板和系统设备的空间，具有体积小、重量轻、运行效率高等优点，其电源效率一般在80%以上，远高于传统的线性电源（效率一般只有35%40%）。 模块分布式供