直流-直流变换电路

1、第5章 直流-直流变换电路 机械工业出版社本章要点直流斩波电路的基本结构和分类；单象限直流斩波器（降压式、升压式、升-降压式、Cuk电路）的基本电路结构、工作原理和波形；全桥式斩波电路的基本结构和工作原理变压器隔离的斩波电路的基本结构和工作原理软开关的基本概念。将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC/DC变换电路，俗称斩波器(Chopper)。直流变换技术被广泛应用于可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流电机的调速控制

2、。在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。强迫换流电路需要较大的换流电容等，造成了线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断能力的器件作为开关器件。5.1、直流斩波器的工作原理和分类5.1.1 直流斩波器的基本结构和工作原理 下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。 图5-15.1.2 直流斩波器的分

3、类直流斩波器按照调制形式可分为1）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制(PFM)；3）混合调制。按变换电路的功能分类有1）降压式直流-直流变换(Buck Converter)；2）升压式直流-直流变换(Boost Converter)；3）升压-降压复合型直流-直流变换(Boost-Buck Converter)；4）库克直流-直流变换（Cuk Converter）。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为1）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。5.2、直流斩波器5.2.1、降压式直流斩波电路1、电路的结构电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为电感L储能提供续流通路

4、；L为能量传递电感，C为滤波电容，R为负载；E为输入直流电压，U0为输出直流电压。 图5-22、工作原理 1）在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，则电源E通过L向负载供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，这导致在电感端有一个正向电压uL=E-uo。这个电压引起电感电流iL线性增加；如上图(a)所示。2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流iL经二极管VD续流，uL= -uo，电感L向负载供电，电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图(b)所示。3、基本数量关系在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的，电感电压在一个周期内的积分为0，即 设输

5、出电压的平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为： （E-U0）ton=U0（T-ton）即 式中D为导通占空比；ton为VT的导通时间；T为开关周期。通常tonT，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入电压E不变时，输出电压Uo随占空比D的线性变化而线性改变，而与电路其他参数无关。5.2.2 升压式直流斩波电路1、电路的结构斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接 图5-32、工作原理 1）当VT导通时，电源E向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在R与L之间的二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值I1。另外，VD截止时C向负

6、载R放电，由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设VT的导通时间为ton，则此阶段电感L上的储能可以表示为 ；2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感L释放的能量可以表示为 。3、基本数量关系当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即 =由上式可求出负载电压U0的表达式，即 U0 = 由斩波电路的工作原理可看出，周期T toff，或T / toff1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压E，该变换电路称为升压式斩波电路。5

7、.2.3 升降压式直流斩波电路1、电路的结构该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二极管VD反向串接在储能电感与负载之间。 图5-42、工作原理 1）当开关VT导通时，电源E经VT给电感L充电储能，电感电压上正下负，此时VD被负载电压（下正上负）和电感电压反偏，流过VT的电流为i1（=iL），方向如上图a所示。由于此时VD反偏截止，电容C向负载R供能并维持输出电压基本恒定，负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与电源极性相反；2）当开关VT关断时，电感L电压极性变反（上负下正），VD正偏导通，电感L中的储能通过VD向负载R和电容C释放，放电电流为i2，电容C被充电储能，负载R也得到电感L提

8、供的能量。3、基本数量关系电路处于稳态时，每个周期内电感电压uL对时间的积分值为零，即在开关VT导通期间，有uL=E；而在VT截止期间，uL= -u0。于是有Eton=U0 toff 输出电压表达式可写成改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。当 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为降压变换；当 时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为升压变换。5.2.4 Cuk直流斩波电路1、电路的特点Cuk斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电流连续，脉动成分较小。 图5-52、工作原理 1）当控制开关VT导通时，电源E经L1VT回路给L

9、1充电储能，C通过CL2RVT回路向负载R输出电压，负载电压极性为下正上负。2）当控制开关VT截止时，电源E通过L1CVD回路向电容C充电，极性为左正右负；L2通过L2VDRL2回路向负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。3、基本数量关系稳态时，电容C在一个周期内的平均电流为零，即设电源电流i1的平均值为I1，负载电流i2的平均值为I2，开关S接通B点时相当于VT导通，如果导通时间为ton，则电容电流和时间的乘积为I2 ton；开关S接通A点时相当于VT关断，如果关断时间为toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由电容C在一个周期内的平均电流为零的原理可写出表达式 从而

10、可得 忽略Cuk斩波电路内部元件L1、L2、C和VT的损耗，根据上图等效电路，可得到：电源输出的电能EI1等于负载上得到的电能U0I2，即 。由此可以得出输出电压U0与输人电压E的关系为 可见，Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。5.2.5全桥式直流斩波电路 1、电路的特点 全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开关VT及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在四象限运行 。 图5-6 2、工作原理 如果变换器同一桥臂的两个开关管VT在任一时刻都不同时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。以负直流母线N为参考点，U点的电压uUN由如下的开关状态决定：

11、当VT1导通时，正的负载电流io将流过VT1；或当VD1导通时，负的负载电流io将流过VD1，则U点的电压为：uUN=E 类似地，当VT2导通时，负的负载电流io将流入VT2；或当VD2导通时，正的负载电流io将流过VD2，则U点的电压为：uUN=0综上所述，uUN仅取决于桥臂U是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流io的方向无关，因此UUN为： 式中，ton和toff分别是VT1的导通和断开时间，DVT1是开关管VT1的占空比。由此可知，UUN仅取决于输入电压E和VT1的占空比DVT1。类似地， 因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压E、开关占空比DVT1和DVT3

12、有关，而与负载电流io的大小和方向无关如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则输出电压uo由输出电流io的方向决定。这将引起输出电压平均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同时处于断开的情况发生。 3、全桥式变换器有两种PWM的控制方式： 1）双极性PWM控制方式 在该控制方式下，图中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。 2）单极性PWM控制方式 在该控制方式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。 全桥式直流-直流变换器的输出电流即使在负载较小的时候，也没有电流断续现象。 5.3 变压器隔离的直流-直流变换器 若要求

13、输入输出间实现电隔离，可在基本DC-DC变换电路中加入变压器，得到用变压器实现电隔离的直流变换器。变压器可插在基本变换电路中的不同位置，从而得到多种形式的变换器主电路。常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。5.3.1 正激变换器1、电路结构在降压变换器中，将变压器插在VT管的右侧-VD管的左侧位置，即得下图所示的正激变换器。由于变压器原边流过单向脉动电流，铁芯易饱和，须采取防饱和措施，即使变压器铁芯磁场周期性复位。另外，开关器件位置可稍作变动，使其发射极与电源相连接，便于设计控制电路。右图是采用能量消耗法磁场复位方案的正激变换器。N1、N2分别为原、副边绕组匝数。 正激

14、变换器原理图 能量消耗法磁场复位的正激变换器原理图2、工作原理在上述图5-8中，1）开关管VT导通时，有 ，电源能量经变压器传递到负载侧。2）VT截止时，变压器原边电流经VD3和DW续流，磁场能量消耗在稳压管上。VT承受的最高电压为 E+UDW，UDW为DW的稳压值。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压变换器的一些特性。图5-7图5-85.3.2 反激变换器1、电路结构反激变换器电路如图所示。与升-降压变换器相比较，反激变换器用变压器代替了升-降压变换器中的储能电感。变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起储能电感的作用。 反激变换器电路原理图 带LC滤波的反激变换器实用电路图5

15、-9图5-102、工作原理 1）当开关管VT导通时，由于VD1承受反向电压，变压器副边相当于开路，此时变压器原边相当于一个电感。电源E向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。 2）当开关管VT截止时，线圈中磁场储能不能突变，将在变压器副边产生上正下负的感应电势，该感应电势使VD1承受正向电压而导通，从而磁场储能转移到负载上。考虑滤波电感L及续流二极管VD2的实用反激变换器电路如图所示。反激变换器电路简单，无需磁场复位电路，在小功率场合应用广泛。缺点是磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体积较大。 5.3.3 半桥式隔离的降压变换器在正激、反激变换器中，变压器存在磁场饱

16、和，需加磁场复位电路。另外，主开关器件承受的电压高于电源电压。半桥式和全桥式隔离的变换器则可以克服这些缺点。1、电路结构电路如图示，C1、C2为滤波电容，VD1、VD2为VT1、VT2的续流二极管，VD3、VD4为整流二极管，LC为输出滤波电路。半桥式降压变换器图5-112、工作原理设滤波电容C1、C2上的电压近似直流，且均为1）当VT1关断、VT2导通时，电源及电容C2上的储能经变压器传递到副边。同时，电源经变压器VT2向C1充电，C1储能增加。2）当VT1导通、VT2关断时，电源及电容C1上的储能经变压器传递到副边，此时，电源经VT1变压器向C2充电，C2储能增加。变压器副边电压经VD3及VD4整流、LC滤波后即得到直流输出电压。通过交替控制VT1、VT2的开通与关断，并控制其占空比，即可控制输出电压大小。 5.3.4 全桥式隔离的降压变换器全