第2章 PWM直流变换电路课件

1

2.1概述

2.2单象限降压型电路

2.3～2.8其它电路简介

第2章PWM直流变换电路22.1概述2.1.1电力电子电路的分类

2.1.2直流变换电路的分类2.1.3直流变换电路的基本用途

2.1.1

电力电子电路的分类电力电子电路按电路作用功率电路（主电路）控制电路按变换功能直流变换电路交流变换电路整流电路逆变电路按变换级数按控制方式按开关环境按电能流传方向直接变换电路间接变换电路相控式电路频控式电路斩控式电路组合式电路软开关电路硬开关电路单向电路双向电路2.1.2

直流变换电路的分类直流变换电路按输入输出电压降压电路升压电路升/降压电路按工作范围按控制方式按变换级数按电路构成电流双象限电压双象限单象限电路双象限电路四象限电路脉冲宽度调制（PWM）脉冲频率调制（PFM）混合调制直接式电路间接式电路基本电路组合电路按入端滤波电压源电路电流源电路52.1.3直流变换电路的基本用途■直流变换电路可用于构成直流调速电源和开关电源等。◆传统的直流调速电源由相控式整流电路构成，但存在

深控下网侧功率因数低，功率密度低和系统快速性差

等缺点。PWM直流变换电路能够克服相控电路存在

的缺点。因而更适合于车辆电力传动和各种伺服系统。◆小容量直流稳压电源的传统形式是串联线性型电源。

这种电源存在效率低，体积大和可靠性差等缺点。由

于采用开关频率较高的斩控开关方式，直流变换电路

能克服传统电源的缺点，成为广泛应用的新型开关式

直流稳压电源(简称开关电源)。62.2单象限降压（Buck）型电路2.2.1电路外特性分析

2.2.2输出滤波电路的参数选择2.2.3PWM控制电路

72.2.1电路外特性分析图2-1单象限降压型电路

a)电路结构b)等效电路c)CCM下的电量波形d)DCM下的电量波形e)带直流电动机负载82.2.1电路外特性分析1、基本假设

1）电路中所有器件(包括全控型器件VT和二极管VD，图中VT符号将代表电力MOSFET、IGBT和GTR等全控型器件)均无惯性，因而开关状态的更迭均瞬间完成，也即图2-1b中等效开关S位置的转换不需要时间。2）VT和VD导通内阻同为ron，滤波电感直流内阻rL，图2-1a等效直流内阻ro=ron+rL。3）直流电源无纹波（Cd足够大），ud≡Ud，直流母线的分布电感Ls=0。4）输出滤波电感Lo足够大，电感电流iL近似于线性升降；输出滤波电容Co足够大，无源负载电压u1无纹波，即u1=U1。92.2.1电路外特性分析图2-2降压型电路的开环外特性实线为ro

=0情况

；

点画线为ro＞0情况；虚线为CCM与DCM分界线102.2.1电路外特性分析2、电流连续状态（CCM——ContinuousCurrentMode）下的外特性分析

t=ton时控制VT导通；t=toff时控制VT截止则：D=ton/T=τ/T称为占空比，Do=toff/T=1-D112.2.1电路外特性分析1）

ro=

0的情况☞电感L两端的电压：

☞电感L的电流iL，在稳态运行时，一个周期内的增量和减量相等，即：（2-2）☞直流输出电压：（2-3）☞直流电压增益：（2-4）122.2.1电路外特性分析2）

ro＞

0的情况☞直流输出电压：（2-6）即：（2-7）☞临界连续电流：（2-11）☞最大临界连续电流：（2-12）则：（2-13）或132.2.1电路外特性分析3）

带电动机负载的情况☞直流输出电压：☞直流电动机反电势：（2-14）☞直流电动机转速：即：（2-15）其中：称空载转速

（即电动机的额定转速）142.2.1电路外特性分析3、电流断续状态（DCM——DiscontinuousCurrentMode）下的外特性分析

t=ton时控制VT导通；t=toff时控制VT截止152.2.1电路外特性分析☞负载电流平均值：由：（2-16）（2-18）得：（2-17）而：则：将式（2-17）和式（2-18）代入式（2-16）整理得

（2-19）☞直流输出电压：（2-20）162.2.2输出滤波电路的参数选择1、滤波电感Lo的选择（2-21）电路工作在CCM状态，设最小平均电流为IoM

,则（2-22）2、滤波电感Co的选择（2-25）（2-26）172.2.3PWM控制电路1、单象限变换电路的一般控制结构图2-3PWMDC—DC变换电路结构图

1—直流电源2—功率开关主电路3—输出滤波电路

4—负载5—驱动电路6—检压电路

7—电压调节器8—PWM信号生成电路

9—振荡器10—分相电路

11—电压给定182.2.3PWM控制电路2、用SG1525控制的直流不可逆调速系统图2-4IGBT不可逆直流调速系统192.2.3PWM控制电路图2-4IGBT不可逆直流调速系统图2-5SG1525的内部结构图8—组合门：四输入或（或非）门。产生PWM信号up（1）正常调速过程：调Rp，即调给定uR1—基准电压源：三端稳压电路，输出电压UST=5.1V，精度为±1%。2—振荡电路：产生锯齿波UC和矩形波UK。3—误差放大器：对电压给定uR和反馈信号uf差值进行放大。

4A—PWM比较器4B—PWM锁存器5—分相电路：由触发器构成，产生相位互补两路方波Q和6—输出电路：两组结构相同的功放构成。7—欠电压封锁：输出欠电压信号。

（2）软启动功能：Cso产生缓升电压uso（3）欠电压保护：Ucc1≤7V时，封锁PWM信号（4）故障封锁：故障电压UFU封锁PWM信号（5）死区宽度调节：调RD。202.2.3PWM控制电路图2-6控制芯片SG1525的电量波形212.3～2.8其它电路简介2.3单象限升压型电路2.5电流双象限电路2.6电压双象限电路2.7单极性PWM四象限电路2.8双极性PWM四象限电路2.4单象限隔离型电路

222.3单象限升压（Boost）型电路图2-9单象限升压型电路

a)主电路(ro=0)b)等效电路c)电量波形(CCM)d)电量波形(DCM)e)主电路(ro＞0)232.3单象限升压（Boost）型电路升压型电路的典型应用：（1）单相功率因数校正（PowerFactorCorrection——PFC）电路；（2）直流电动机传动。

补充图1用于直流电动机传动的升压型电路直流电动机工作在第二象限，处于发电制动状态。图2-1单象限降压型电路直流电动机工作在第一象限，处于电动状态。242.5电流双象限电路图2-27电流双象限电路的电量波形

a)主电路结构b)Io＞0c)=0d)＜0IoIo252.6电压双象限电路图2-34电压双象限电路的电量波形

a)主电路结构b)Uo＞0c)＜0Uo262.6电压双象限电路图2-36不同工作象限下的平均值等效电路

a)第一象限b)第二象限c)第三象限d)第四象限272.7单极性PWM四象限直流变换电路图2-38同频式单极性PWM四象限直流变换电路

a)主电路结构b)等效电路c)＞0时电量波形d)＜0时电量波形UsUs282.7单极性PWM四象限直流变换电路292.8双极性PWM四象限直流变换电路302.4单象限隔离型电路补充图2间接直流变流电路的结构■同前述电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。■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

◆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。

◆输出电压与输入电压的比例远小于1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、滤波电容的体积和重量。

■如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交—直—交—直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。

312.4单象限隔离型电路图2-16单端反激式电路322.4单象限隔离型电路图2-21单管正激式电路332.4单象限隔离型电路图2-24双管正激式电路342.4隔离型电路补充图3半桥电路原理图补充图4全桥电路原理图352.4隔离型电路补充图5推挽电路原理图362.4隔离型电路电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，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