电力电子技术第五版ppt课件

第第5 5章章 直流直流变流电路直流直流变流电路 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 本章小结本章小结第第5章章 直流直流直流直流变变流流电电路路 12/44引言引言 直直流流-直直流流变变流流电电路路（DC/DC Converter）包包括括直直接接直直流变流变 流电路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流功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。电。一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下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。输入与输出之间不隔离。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入输出间的隔离，因此也称为直因此也称为直交交直电路。直电路。2/44引言引言 直流直流-直流直流变变流流电电路（路（DC/DC Con23/445.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.3 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 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路3/445.1 基本基本斩斩波波电电路路34/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 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 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）电路分析电路分析 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V，若采用晶闸，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在，在V关断时关断时给负载中电感电流提供通道。给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。工作原理工作原理 t=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电源，电源E向负载向负载供电，负载电压供电，负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数按指数曲线上升。曲线上升。t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续流，续流，负载电压负载电压uo近似为零近似为零，负载电流呈指数曲，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感线下降，通常串接较大电感L使负载电流使负载电流连续且脉动小。连续且脉动小。4/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路图图5-1 降降压斩压斩波波电电路的原路的原45/445.1.1 降压斩波电路降压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 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开关周为开关周期，期，为导通占空比，简称占空比或导通比。为导通占空比，简称占空比或导通比。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平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。断续的情况。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(5-1)(5-2)5/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路基本的数量关系基本的数量关系负载电负载电流平流平56/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路对降压斩波电路进行解析对降压斩波电路进行解析 基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过程两个过程来分析，初始条件分来分析，初始条件分电流连续电流连续和和断续断续。电流连续时得出电流连续时得出式中，式中，I10和和I20分分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。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 平波电抗器平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。平均值。(5-9)(5-10)(5-11)6/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路对对降降压斩压斩波波电电路路进进行解析行解析 式式67/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路(3-11)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，则略电路中的损耗，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 则则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 其值小于等于负载电流其值小于等于负载电流Io，由上式得，由上式得 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。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。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)7/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路(3-11)所示的关系所示的关系还还可可78/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路电流断续时有电流断续时有I10=0，且，且t=ton+tx时，时，i2=0，可以得出，可以得出 电流断续时，电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为，由此得出电流断续的条件为 输出电压平均值为输出电压平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)8/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路电电流断流断续时续时有有I10=0，且，且89/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值值极大，极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压平均值计算输出电压平均值Uo，输，输出电流平均值出电流平均值Io。解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为输出电流平均值为 9/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路例例5-1 在在图图5-1a所所910/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-2 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，采用脉宽调制控制方式，T=20 s，当当ton=5 s时，计算输时，计算输出电压平均值出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。时值并判断负载电流是否连续。解：由题目已知条件可得：解：由题目已知条件可得：当当ton=5 s时，有时，有 由于由于 所以输出电流连续。所以输出电流连续。10/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路路例例5-2 在在图图5-1a1011/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路此时输出平均电压为此时输出平均电压为 输出平均电流为输出平均电流为 输出电流的最大和最小值瞬时值分输出电流的最大和最小值瞬时值分别为别为 11/445.1.1 降降压斩压斩波波电电路此路此时输时输出平均出平均电压为电压为 输输出平出平1112/445.1.2 升压斩波电路升压斩波电路0iGE0ioI1a)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 升压斩波电路升压斩波电路 工作原理工作原理 假设假设L和和C值很大。值很大。V处于处于通态通态时，电源时，电源E向电感向电感L充电，充电，电流恒定电流恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，输出电压供电，输出电压Uo恒定。恒定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向同时向电容电容C充电，并向负载提供能量。充电，并向负载提供能量。基本的数量关系基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工作于稳态时，一个周期T中中电感电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即积蓄的能量与释放的能量相等，即 化简得化简得 上式中的上式中的(5-20)(5-21)12/445.1.2 升升压斩压斩波波电电路路0iGE0ioI1a)b)1213/445.1.2 升压斩波电路升压斩波电路将升压比的倒数记作将升压比的倒数记作，即，即 ，则，则 和导通占空比和导通占空比 有如下关系有如下关系 式（式（5-21）可表示）可表示为为 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即消耗，即 输出电流的平均值输出电流的平均值Io为为 电源电流电源电流I1为为(5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)13/445.1.2 升升压斩压斩波波电电路路将升将升压压比的倒数比的倒数记记作作，即，即1314/445.1.2 升压斩波电路升压斩波电路例例5-3 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，输出电流平均值电流平均值Io。解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为：输出电流平均值为：输出电流平均值为：14/445.1.2 升升压斩压斩波波电电路路例例5-3 在在图图5-2a所所1415/445.1.2 升压斩波电路升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图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）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 典型应用典型应用 一是用于直流电动机传动，二一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（是用作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路，）电路，三是用于其他交直流电源中。三是用于其他交直流电源中。以用于直流电动机传动为例以用于直流电动机传动为例 在直流电动机在直流电动机再生制动再生制动时把时把电能回馈给直流电源。电能回馈给直流电源。电动机电枢电动机电枢电流连续电流连续和和断续断续两种工作状态。两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。的，不必并联电容器。基于基于分时段线性电路思想，分时段线性电路思想，电流连续时得电流连续时得L为无穷大时电枢电为无穷大时电枢电流的平均值流的平均值Io为为(5-36)15/445.1.2 升升压斩压斩波波电电路路ttTEiOOi1i2I11516/445.1.2 升压斩波电路升压斩波电路当电枢电流断续时，可求得当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间持续的时间tx，即即 当当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即是电流断续的条件，即 tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图图5-3 用于直流电动机回馈能用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形量的升压斩波电路及其波形c）电流断续时）电流断续时(5-37)(5-38)16/445.1.2 升升压斩压斩波波电电路路当当电电枢枢电电流断流断续时续时，可求得，可求得1617/445.1.3 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otb)oti1i2tontoffILILa)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供电供电使其贮能，此时电流为使其贮能，此时电流为i1，同时，同时C维持维持输出电压恒定并向负载输出电压恒定并向负载R供电。供电。V关断关断时，时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流为电流为i2，负载电压极性为上负下正，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。反极性斩波电路。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内电感内电感L两两端电压端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即 当当V处于通态期间，处于通态期间，uL=E；而；而当当V处于断态期间，处于断态期间，uL=-uo。于。于是：是：(5-39)(5-40)17/445.1.3 升降升降压斩压斩波波电电路和路和Cuk斩斩波波电电路路otb)1718/445.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路所以输出电压为：所以输出电压为：改变导通比改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当低。当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。作升降压斩波电路。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，当电流脉动足够小时，有有 由上式可得由上式可得 如果如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即即 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)18/445.1.3 升降升降压斩压斩波波电电路和路和Cuk斩斩波波电电路所以路所以输输出出1819/445.1.3 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 Cuk斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 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。基本的数量关系基本的数量关系 C的电流在一周期内的平均值应为零，即的电流在一周期内的平均值应为零，即(5-45)19/445.1.3 升降升降压斩压斩波波电电路和路和Cuk斩斩波波电电路路图图5-51920/445.1.3 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 由由(5-45)得得 从而可得从而可得 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的关的关系系 与升降压斩波电路相比，与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。输出进行滤波。(5-46)(5-47)(5-48)20/445.1.3 升降升降压斩压斩波波电电路和路和Cuk斩斩波波电电路路 2021/445.1.4 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 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮贮能。能。V关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同回路同时导电，此阶段时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量贮存的能量在在V处于通态时向处于通态时向L2转移）转移）。输入输出关系输入输出关系 图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路(5-49)21/445.1.4 Sepic斩斩波波电电路和路和Zeta斩斩波波电电路路2122/445.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，电源导通时，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。V关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路，L1的能量转移至的能量转移至C1，能，能量全部转移至量全部转移至C1上之后，上之后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。输入输出关系为输入输出关系为 两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 (5-50)22/445.1.4 Sepic斩斩波波电电路和路和Zeta斩斩波波电电路路2223/445.2 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 5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路23/445.2 复合复合斩斩波波电电路和多相多重路和多相多重斩斩波波电电路路2324/445.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路概念概念 复合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降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。成。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构相同结构的基本斩波电路组合构成成 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。24/445.2.1 电电流可逆流可逆斩斩波波电电路路概念概念2425/445.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路a)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 电路结构电路结构 V1和和VD1构成构成降压斩波电路降压斩波电路，电动，电动机为电动运行，工作于第机为电动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成构成升压斩波电路升压斩波电路，电动，电动机作再生制动运行，工作于第机作再生制动运行，工作于第2象限。象限。必须防止必须防止V1和和V2同时导通而同时导通而导致电导致电源短路。源短路。工作过程工作过程 两种工作情况：只作降压斩波器运两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。行和只作升压斩波器运行。第第3种工作方式种工作方式：一个周期内：一个周期内交替交替地地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。第第3种工作方式下，当一种斩波电路种工作方式下，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。25/445.2.1 电电流可逆流可逆斩斩波波电电路路a)图图5-7 电电流可流可2526/445.2.2 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，使电动机可以向电压，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，提供正电正电压压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第1、2象限象限。V2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，等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供向电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。26/445.2.2 桥桥式可逆式可逆斩斩波波电电路路图图5-8 桥桥式可逆式可逆斩斩2627/445.2.3 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。构相同的基本斩波电路而构成的。相数相数:一个控制周期中电源侧的电一个控制周期中电源侧的电流脉波数。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 相当于由相当于由3个降压斩波电路单个降压斩波电路单元元并联并联而成。而成。总输出电流为总输出电流为 3 个斩波电路单个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的出电流平均值的3倍，脉动频率也为倍，脉动频率也为3倍。倍。总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需幅值变得很小，所需平波电抗器平波电抗器总重总重量大为减轻。量大为减轻。27/445.2.3 多相多重多相多重斩斩波波电电路路tOtttttttOO2728/445.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 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重斩波电路重斩波电路，当电源为当电源为3个独立电源，向一个负载供个独立电源，向一个负载供电时，则为电时，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，万一某一斩波单元发生故障，单元可互为备用，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其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。高。28/445.2.3 多相多重多相多重斩斩波波电电路路 当上述当上述2829/445.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 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29/445.3 带带隔离的直流直流隔离的直流直流变变流流电电路路 2930/445.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路引言引言图图 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，因此也称为同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为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。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)电路两大电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。30/445.3 带带隔离的直流直流隔离的直流直流变变流流电电路路引言引言图图 5-103031/445.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO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，变压器绕后，变压器绕组组W1两端的电压为上正下负，两端的电压为上正下负，与其耦合的与其耦合的W2绕组两端的电压绕组两端的电压也是上正下负，因此也是上正下负，因此VD1处于通处于通态，态，VD2为断态，电感为断态，电感L的电流的电流逐渐增长。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。变压器的励磁关断。变压器的励磁电流经电流经N3绕组和绕组和VD3流回电源，流回电源，所以所以S关断后承受的电压为关断后承受的电压为 。31/445.3.1 正激正激电电路路SuSiLiSOttttUiO3132/445.3.1 正激电路正激电路BRBSBHO图图 5-13 磁心复位过程磁心复位过程变压器的磁心复位变压器的磁心复位 开关开关S开通后，变压器的激磁电流由开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到零开始，随时间线性的增长，直到S关断，关断，导致变压器的激磁电感饱和。导致变压器的激磁电感饱和。必须设法使激磁电流在必须设法使激磁电流在S关断后到下关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程一次再开通的时间内降回零，这一过程称为称为变压器的磁心复位变压器的磁心复位。变压器的磁心复位所需的时间为变压器的磁心复位所需的时间为输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 输出电感电流不连续时，在负载为输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下零的极限情况下 (5-51)(5-52)32/445.3.1 正激正激电电路路BRBSBHO图图 5-13 磁磁3233/445.3.2 反激电路反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO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反激电路反激电路 工作过程工作过程 S开通开通后，后，VD处于断态，处于断态，W1绕组的电绕组的电流线性增长，电感储能增加。流线性增长，电感储能增加。S关断后关断后，W1绕组的电流被切断，变绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过压器中的磁场能量通过W2绕组和绕组和VD向输出向输出端释放，端释放，电压为电压为 。工作模式工作模式 当当S开通时，开通时，W2绕组中的电流尚未下绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于降到零，则称工作于电流连续模式电流连续模式，输出输，输出输入电压关系为入电压关系为 S开通前，开通前，W2绕组中的电流已经下降绕组中的电流已经下降到零，则称工作于到零，则称工作于电流断续模式电流断续模式，此时输出，此时输出电压高于（电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的）的计算值，在负载为零的极限情况下，极限情况下，所以应该避免负载开路状所以应该避免负载开路状态。态。(5-53)33/445.3.2 反激反激电电路路SuSiSiVDtontoff3334/445.3.3 半桥电路半桥电路图图 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半桥电路半桥电路 工作过程工作过程 S1与与S2交替导通，使变压器一次交替导通，使变压器一次侧形成幅值为侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电关的占空比，就可以改变二次侧整流电压压ud的平均值，也就改变了输出电压的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1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，二极管导通时，二极管VD2处于通态，当两处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组个开关都关断时，变压器绕组N1中的电中的电流为零，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的电流逐渐的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感上升，两个开关都关断时，电感L的电的电流逐渐下降，流逐渐下降，S1和和S2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为Ui。34/445.3.3 半半桥电桥电路路图图 5-16 半半桥电桥电路原理路原理图图图图3435/445.3.3 半桥电路半桥电路 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通，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有自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动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁偏磁和和直流磁饱直流磁饱和和。输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L的电流连续时的电流连续时 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，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下情况下(5-54)35/445.3.3 半半桥电桥电路路 由于由于电电容的隔直作用，容的隔直作用，3536/445.3.4 全桥电路全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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全桥电路全桥电路 工作过程工作过程 全桥电路中，全桥电路中，互为对角的两个开关互为对角的两个开关同时导通同时导通，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，使变压器一次侧形成幅值为导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交的交流电压，改变占空比就可以改变输出电流电压，改变占空比就可以改变输出电压。压。当当S1与与S4开通后，开通后，VD1和和VD4处于处于通态，电感通态，电感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处于处于通态，电感通态，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个二极管都个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电处于通态，各分担一半的电感电流，电感感L的电流逐渐下降，的电流逐渐下降，S1和和S2断态时承受断态时承受的峰值电压均为的峰值电压均为Ui。36/445.3.4 全全桥电桥电路路S1S2uS1uS2iS1iS3637/445.3.4 全桥电路全桥电路 如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有中将含有直直流分量流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因分量，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，也可在一次侧回路串联此全桥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。一个电容，以阻断直流电流。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能超过50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。输出电压输出电压 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 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，）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(5-55)37/445.3.4 全全桥电桥电路路 如果如果S1、S4与与S23738/445.3.5 推挽电路推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO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推挽电路推挽电路 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N1两端分两端分别形成相位相反的交流电压。别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于处于通态，电感通态，电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，电处于通态，电感感L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于通态，各分担一半的都处于通态，各分担一半的电流，电流，S1和和S2断态时承受的断态时承受的峰值电峰值电压压均为均为2倍倍Ui。38/445.3.5 推挽推挽电电路路S1S2uS1uS2iS1iS3839/445.3.5 推挽电路推挽电路 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，因此应避同时导通，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能超过免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留，还要留有死区。有死区。输出电压输出电压 当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流连续时 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(5-56)39/445.3.5 推挽推挽电电路路 如果如果S1和和S2同同时导时导3940/44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较简单，成本低，电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简可靠性高，驱动电路简单单变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几百几百W几几kW各种中、小功率电各种中、小功率电源源反激反激电路非常简单，成本很电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电低，可靠性高，驱动电路简单路简单难以达到较大的功率，难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几几W几十几十W小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消费计算机设备、消费电子设备电源。电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易变压器双向励磁，容易达到大功率达到大功率结构复杂，成本高，有直通结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路的多组隔离驱动电路几百几百W几百几百kW大功率工业用电源、大功率工业用电源、焊接电源、电解电焊接电源、电解电源等源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关变压器偏磁问题，开关较少，成本低较少，成本低有直通问题，可靠性低，有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电需要复杂的隔离驱动电路路几百几百W几几kW各种工业用电源，计各种工业用电源，计算机电源等算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，个开关，通态损耗较小，驱动简单驱动简单有偏磁问题有偏磁问题几百几百W几几kW低输入电压的电源低输入电压的电源5.3.5 推挽电路推挽电路表表 5-1 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40/44变压变压器双向励磁，容易达到大功率器双向励磁，容易达到大功率5.3.5 推挽推挽电电路路4041/445.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流图图5-22 a)全波整流电路原理图全波整流电路原理图 双端电路双端电路中常用的整流电路形式为中常用的整流电路形式为全波整流电路全波整流电路和和全桥整流电路全桥整流电路。全波整流电路的特点全波整流电路的特点 优点：电感优点：电感L的电流回路中只有的电流回路中只有一个二极管压降一个二极管压降，损耗小，而且整，损耗小，而且整流电路中只需要流电路中只需要2个二极管个二极管，元件数较少。，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。）。41/445.3.6 全波整流和全全波整流和全桥桥整流整流图图5-22 a)全波全波4142/445.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流全桥电路的特点全桥电路的特点 优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。简单。缺点：电感缺点：电感L的电流回路中存在的电流回路中存在两个二极管压降两个二极管压降，损耗较大，而且，损耗较大，而且电路中需要电路中需要4个二极管个二极管，元件数较多。，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。适用场合：高压输出的情况下。同步整流电路同步整流电路 当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。一步提高效率。这种电路的缺点是需要对这种电路的缺点是需要对V1和和V2的通与断进行控制，增加了控制的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性。电路的复杂性。图图5-22 b)全桥整流电路原理图全桥整流电路原理图 图图5-23 同步整流电路原理图同步整流电路原理图42/445.3.6 全波整流和全全波整流和全桥桥整流整流全全桥电桥电路的特点路的特点图图54243/445.3.7 开关电源开关电源如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成则构成交交直直交交直直电路，采用这种电路的装电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。置通常被称为开关电源。由于开关电源采用了由于开关电源采用了工作频率较高工作频率较高的交流环节，的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。下其体积和重量都远远小于相控整流电源。工作频率的提高还有利于控制性能的提高。工作频率的提高还有利于控制性能的提高。直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直直接直流变流电路接直流变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。43/445.3.7 开关开关电电源源如果如果输输入端的直流入端的直流电电源是由交流源是由交流4344/44本章小结本章小结直接直流变流电路包括直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、种基本斩波电路、2种复种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是是降压斩波电路降压斩波电路和和升压斩波电路升压斩波电路两种。两种。常见的间接直流变换电路可以分为常见的间接直流变换电路可以分为单端单端和和双端双端电电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。44/44本章小本章小结结直接直流直接直流变变流流电电路包括路包括6种基本种基本斩斩波波电电路、路、244