第2篇 电力电子电路拓扑

1、2-1第第2 2篇篇 电力电子电路拓扑电力电子电路拓扑2-22.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述 电力电子装置最根本任务是实现电能的变换，因此电力电子装置最根本任务是实现电能的变换，因此也称为变换器，其对应的电路称变流电路或变换电也称为变换器，其对应的电路称变流电路或变换电路，通常有路，通常有： ACDCDC，DCDCDCDC，DCACDCAC，ACACACAC变换器最基本的性能要求变换器最基本的性能要求直流输出的性能要求直流输出的性能要求输出电压（流）的大小：静态精度纹波：输出最大值与最小值的差值纹波系数：输出最大值与最小值的差与输出平均值的比交流输出的性能要求交流输出的性能要求交流电的

2、基本要素：波形波形、大小大小、频率频率三种。2-32.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述波形波形：一般情况要求输出正弦波，失真度？正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtu 对于周期性的非正弦波电压，可分解为傅里叶级数傅里叶级数：l基波（fundamental）频率与工频相同的分量l谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量l谐波次数谐波频率和基波频率的整数比ln次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示：l电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为：%1001IIHRInn%1001IITHDhi2-42.1 变流电

3、路拓扑概述变流电路拓扑概述大小大小：由于交流电是瞬时变化的，其大小的表示方法可以用瞬时值瞬时值表示，或用有效值（幅值）有效值（幅值）及相位相位描述；频率频率：交流电输出正负变化周期所对应的频率对交流输出来说，除了对输出大小和频率的精度要求外，输出波形的谐波含量小也是一个非常重要的指标。交流输入侧的性能要求交流输入侧的性能要求交流输入侧一般为电网，其主要考虑的是对电网的影响应尽可能小，因此一般要求功率因数高、谐波污染小变换器的动态性能指标变换器的动态性能指标主要包含变换器在各种扰动条件下输出的稳定性、超调量、动态稳定时间等指标。2-52.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述变换器的主要类型变换器

4、的主要类型整流电路（整流电路（ ACDC）二极管不可控桥式整流（往往带大电容滤波） 单相、三相晶闸管可控整流 三相大功率场合开关电源方式（一般为： ACDC DCDC ） ACDC常采用二极管整流，由DCDC调节输出谐波及功率因数 无源LC滤波及补偿、PFC电路、PWM整流电路2-62.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述直流变换电路（直流变换电路（ DCDC）非隔离直接变换 6种基本电路：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta输入输出隔离的直流变换 常用电路：正激式、反激式、半桥、全桥、推挽式 高频变压器：铁芯材料、线圈工艺、效率输出级整流 器件：快速恢复二

5、极管、肖特基二极管、MOSFET 电路：半波、全波、桥式、同步整流、交错并联2-72.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述逆变电路（逆变电路（ DCAC）有源逆变 晶闸管三相桥式可控变流电路、双桥12脉可控变流电路无源逆变 单相逆变：半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变电路 三相逆变：三相三桥臂桥式逆变、三相四桥臂桥式逆变 单相逆变组合、波形重构技术、多电平逆变 DC变换式逆变：两台DC变换器合成 高频链逆变：高频变实现输入输出隔离2-82.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述交交变换电路（交交变换电路（ ACAC）交流调压 晶闸管电路：单相交流调压、三相交流调压 全控器件：斩控式交流调压电路交交变频

6、 晶闸管电路：三相交交变频电路 全控器件：矩阵式变换器、双PWM变流电路2-92.2 整流电路整流电路 ACDC 整流电路有：二极管不可控整流、晶闸管可控整流、整流电路有：二极管不可控整流、晶闸管可控整流、高频开关电源、高频开关电源、PWM整流等许多方式整流等许多方式二极管不可控整流电路二极管不可控整流电路一般仅为输入级电路，而非直接输出带负载一般仅为输入级电路，而非直接输出带负载单相桥式不可控整流电容滤波的单相桥式不可控整流在u2正半周过零点至 t=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至 t=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交

7、流电源向电容充电，同时向负载R供电。b)0iudqdp2pti,uda)+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud2-102.2 整流电路整流电路三相桥式不可控整流某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。a)b)Oiaudiduduabuac0dqtpp3t 结论：二极管不可控整流，输出电压不可控，网侧电流结论：二极管不可控整流，输出电压不可控，网侧电流与电压相位基本相同，但为尖峰电流，谐波大。与电压相位基本相同，但为尖峰电流，谐波大。电容滤波的三相桥式不可控整流电路

8、及其波形2-112.2 整流电路整流电路感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)b)u2udi20dqpti2,u2,udb)c)iaiaOO t t感容滤波的三相桥式不可控整流 a）电路 b）轻载时的电流波形 c）重载时的电流波形2-122.2 整流电路整流电路晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路主要应用于大功率场合：高压直流输电、直流传动、电主要应用于大功率场合：高压直流输电、直流传动、电解、电镀、蓄电池电极的极板化成电源、解、电镀、蓄电池电极的极板化成电源、等等三相全桥6脉波整流电路，如直流传动系统。整流变整流变压器压器三相三相整流整流桥桥输出电压可以通过控制晶闸管的触发角来调节

9、；输出电压在工频周期内脉动6次，输出直流侧谐波含量为mk（m=6, k=1，2，3.）次;输入网侧电流与电压的相位差由晶闸管触发角决定；网侧电流谐波含量为：谐波次数为mk 1（m=6, k =1，2，3)次。2-132.2 整流电路整流电路 晶闸管三相12脉整流电路 三相12脉整流电路的工作电流波形三相12脉波整流电路，它是高压直流输电的典型电路。 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30、大小相等的两组电压。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2tttt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id

10、132-142.2 整流电路整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，适应于低压大电流电源场合，如：电解整流变压器二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路整流变压器两绕组极性相反的目的是为了消除直流磁通消除直流磁通势势平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路2-152.2 整流电路整流电路电路输出电压仍为6脉，但数值比三相全桥电路小一半电路输出电流比三相全桥电路大一倍。几种典型的晶闸管触发角时输出电压波形如右图所示。 当 =30、60、90时，双反星形电路的输出电压波形 。90。60。30udududtOtOtOuaubucu

11、cuaububucucuaububucucuaub2-162.2 整流电路整流电路晶闸管整流电路的系统结构晶闸管整流电路的系统结构为实现对输出的调节与稳定控制，一个完整的晶闸管可控整流电路应由主电路、控制电路组成一个闭环控制系统，其结构框图如下：三相市电经整流变压器后给晶闸管可控整流电路供电，通过整流获得脉动的直流电，然后经LC组成的低通滤波器进行滤波后，获得平直的直流输出，该输出由控制电路采样并反馈到控制系统，经调节产生晶闸管整流电路的触发脉冲角，实现对输出的稳定控制。2-172.2 整流电路整流电路晶闸管整流电路的特点晶闸管整流电路的特点整流变压器工作在工频状态，体积大，重量重；晶闸管采用

12、移相触发，网侧谐波电流含量大；直流输出由多个脉动波形组成，需要较大的输出低通滤波器（滤波电感、电容参数较大，因此体积大）输出精度不高、动态响应慢、纹波系数大；网侧谐波主要是由固定频率的特征谐波组成；网侧电流与电压的相位差角等于晶闸管移相角。2-182.2 整流电路整流电路高频开关电源高频开关电源高频工作的作用高频工作的作用调节过程快，性能指标可以提高；变压器、滤波器、磁性元件的体积与重量减小，滤波电感电容参数值可减小变换器功率密度提高高频工作引起的问题高频工作引起的问题开关损耗大；电磁兼容问题突出电路复杂，分布参数影响大，难度增加2-192.2 整流电路整流电路高频开关电源的结构高频开关电源的

13、结构取消工频变压器，采用高频变压器 变压器体积；电路结构比SCR可控整流复杂；通过PWM控制来调节高频DC/DC变换电路的占空比，实现对输出的调节和稳定；动态响应快，稳定精度高，纹波小，体积小，重量轻。2-202.2 整流电路整流电路高频变压器高频变压器铁芯材料 工频变：硅钢片，50Hz，饱和磁密高，电阻率小， 当f上升 涡流损耗大，不适于高频工作 高频变：铁芯为软磁材料，如铁氧体 铁芯特点是：饱和磁密低，电阻率高 涡流损耗小，但易饱和，增加气隙防饱和变压器绕组 因为f上升 匝数下降 ，匝数太少，原副耦合度受影响 为提高原副边的耦合度，采用“三明治绕法” 2-212.2 整流电路整流电路网侧谐

14、波与功率因数问题及对策网侧谐波与功率因数问题及对策非正弦条件下的功率因数定义有功功率有功功率201()2Puidtpp视在功率：视在功率：电压、电流有效值的乘积，即S=UI功率因数功率因数： 定义为有功功率P和视在功率S的比值，即SP畸变系数：畸变系数：基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数：位移因数：基波电压与电流相位差角的余弦功率因数等于位移因数位移因数和畸变系数畸变系数的乘积。2-222.2 整流电路整流电路谐波及功率因数补偿方法谐波及功率因数补偿方法无源LC滤波补偿 设计设计LC参数，使其在待滤谐波的频率处谐振。因此无源滤参数，使其在待滤谐波的频率处谐振。因此无源滤波器原理简单，补偿

15、容量大，成本低，运行维护费用低。波器原理简单，补偿容量大，成本低，运行维护费用低。但只能针对特定次谐波，与系统发生谐振的可能性，工程但只能针对特定次谐波，与系统发生谐振的可能性，工程设计应特别注意设计应特别注意LC滤波器的品质因数选择要恰当，一般在60左右LC滤波器的参数设计应考虑基波频率的允许波动范围高次谐波滤波支路的LC参数，对基波呈容性，即滤波的同时也具有基波的容性无功补偿作用滤波器参数的工程设计应注意防止谐振现象发生2-232.2 整流电路整流电路功率因数校正技术（PFC） 引入功率因数校正电路，通过对该电路开关器件的高频引入功率因数校正电路，通过对该电路开关器件的高频PWM控制，使网

16、侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数为持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数为1。当然也。当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。因数为所需要的值。PWM整流技术 采用全控型开关器件作为整流电路元件，通过对该电路的采用全控型开关器件作为整流电路元件，通过对该电路的开关器件进行高频开关器件进行高频PWM控制，使网侧电源电流按正弦规控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率律轮廓变化，并保持与网侧电源

17、电压同相位，则网侧功率因数将为因数将为1，当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一，当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。定的电角度，使功率因数为所需要的值。2-242.2 整流电路整流电路PWM整流电路整流电路 单相桥式PWM整流电路 三相桥式PWM整流电路以电源电压 us 为参考相位；采用电流跟踪PWM控制，使电源电流 is 按正弦规律变化;控制系统的高频PWM控制，在保持输出电压 ud 稳定的情况下，同时使网侧电流正弦且与电压同相位；详细控制策略将在后面分析。2-252.3 直流变换电路直流变换电路 DCDC 直流电路种类繁多，根据是否有高频变压器隔离措

18、直流电路种类繁多，根据是否有高频变压器隔离措施，其电路结构也有相应的区别。施，其电路结构也有相应的区别。非隔离的直流变换电路非隔离的直流变换电路 非隔离直流变换电路不含高频变压器，变换电路相对简单，非隔离直流变换电路不含高频变压器，变换电路相对简单，变换效率也较高。最基本的电路有变换效率也较高。最基本的电路有6种：种：Buck电路、电路、Boost电路、电路、Buck-Boost电路、电路、Cuk电路、电路、Sepic电路、电路、Zeta电路电路Buck电路电路分析时，LC可作为低通滤波器处理 全控型器件 续流二极管2-262.3 直流变换电路直流变换电路工作原理降压斩波电路及波形设开关管V周

19、期性地通断，其导通为 ton，关断时间为toff，周期为T，定义占空比为： D=ton / (ton+ toff) = ton / T。输出电压的平均值 Uo为： UoD E 由于0D1，所以输出电压小于输入电压的，即降压斩波； 输出电压与输入电压同极性。 Buck电路工作特点：电路工作特点：V导通，电源向负载供电，导通，电源向负载供电，V关断，电关断，电源不供电；源不供电；2-272.3 直流变换电路直流变换电路1onILEt20offILEUt12II 保持输保持输出电压出电压储存储存电能电能 Boost电路电路工作原理0, ton：V导通，D截至，电源给电感L供电，储能，有：ton, T

20、 ：V关断，D导通，L释放能量，与电源一起向负载供电，有：稳定后，应有：由此推导出：011UED2-282.3 直流变换电路直流变换电路由于0D1，所以输出电压大于输入电压的，即升压斩波；输出电压与输入电压同极性。电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住Boost电路的几个典型应用场所： 1）直流电动机传动：电机制动时的能量向电源回馈 2）用于单相功率因数校正（PFC）电路 3）用于其他交直流电源中 Boost电路工作特点：电路工作特点：V导通，电感储能，不给负载供电，导通，电感储能，不给负载供电，V关断，电感储能释放，与电源一起向负载供电；关断，电感储能释放，与电

21、源一起向负载供电； 2-292.3 直流变换电路直流变换电路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo用于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）电流断续时用于直流电动机传动当电机作制动时，转速将下降，其反电势EM随着转速的降低而减小，必有EME ；要想通过再生制动时把电能回馈给直流电源，必须采用升压电路。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，可以不并联电容器。2-302.3 直流变换电路直流变换电路1onILEt20offILUt12II 图3-4

22、 升降压斩波电路 Buck-Boost电路电路工作原理0, ton：V导通，D截至，电源给电感L储能，C维持输出电压，此时有：ton, T ：V关断，D导通，电电感L释放能量给电容C和负载供电，此时有：电路稳定后应有：由此可得：01DUED 负号表示输入与输出反极性；2-312.3 直流变换电路直流变换电路当D0.5时，输出电压大于输入电压，升压； 所以：Buck-Boost电路也称升降压斩波电路输出电压与输入电压反极性。 Buck-Boost电路工作特点：电路工作特点：V导通，电感储能，不给负导通，电感储能，不给负载供电，载供电，V关断，电感储能释放，向负载供电；关断，电感储能释放，向负载供

23、电； 2-322.3 直流变换电路直流变换电路 Cuk电路电路V导通时，D截止，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有电流。V关断时，D导通，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路2-332.3 直流变换电路直流变换电路稳态时有：数量关系Tti0C0dV处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：off1on2tItI1ttDUEEEtTtDononooffo

24、n优点优点（与升降压斩波电路相比）：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。升降压斩波，输入输出反极性2-342.3 直流变换电路直流变换电路Sepic斩波电路1ttDUEEEtTtDononooffon Sepic电路电路工作原理V导通，D截止，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能;V关断，D导通，EL1C1VD负载负载回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）Sepic电路的电源电流和负载电流均连续；升降压，输入输出同极性。输入输出关系：2-352.3 直

25、流变换电路直流变换电路 Zeta斩波电路1DUEDo Zeta电路电路工作原理V导通，D截止，电源E经V向电感L1贮能;输入输出关系：V关断，D导通，则L1VDC1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。升降压斩波，输入输出同极性2-362.3 直流变换电路直流变换电路输入输出隔离的直流变换电路输入输出隔离的直流变换电路 采用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，常用电路有采用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，常用电路有5种：正激变换电路、反激变换电路、半桥变换电路、全桥种：正激变换电路、反激变换电

26、路、半桥变换电路、全桥变换电路、推挽变换电路变换电路、推挽变换电路正激变换电路（正激变换电路（Forward）为Buck插入高频变压器后的变型电路高频变压器绕组N1、N2为输入输出主功率传送绕组，N3为磁复位绕组 正激变换电路2-372.3 直流变换电路直流变换电路 正激电路的原理图 正激电路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO开关S开通后，变压器绕组W1两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VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为

27、：iSUNNu)1 (31工作原理2-382.3 直流变换电路直流变换电路BRBSBHO 磁心复位过程变压器的磁心复位on31rsttNNt开关S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S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次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。变压器的磁心复位时间为2-392.3 直流变换电路直流变换电路2oi1NUD UN输出电压当输出滤波电感电流连续时，有：当负载电流较小而导致电感电流断续时，输出电压将有所增加，在负载空载时达到极限的最高电压为：2oi1NUUN2-402.3 直流变换电路直流

28、变换电路反激变换电路（反激变换电路（Flyback）为Boost插入高频变压器后的变型电路绕组N1、N2为输入、输出主功率传送绕组，同名端反向工作过程： 反激变换电路S导通，VD关断，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。2-412.3 直流变换电路直流变换电路输出电压：电流连续模式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零尚未下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零已经下降到零。输出电压高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， ，因此反激电路不应工作

29、于负载开路状态。2oi111NUUNDoU2-422.3 直流变换电路直流变换电路工作过程S1与S2交替导通，变压器一次侧为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。半桥变换电路半桥变换电路 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTtttttt

30、ttonUiUiiLiLOOOOOOOO 半桥电路的理想化波形2-432.3 直流变换电路直流变换电路输出电压：由于电容的隔直作用，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动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO 半桥电路的理想化波形当滤波电感L的电流连续时： 如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下有： 2oi1NUD UN2i12oUNNU 2-442.3 直流变换电

31、路直流变换电路全桥电路中，互为对角的两个开关同同时时导通，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Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。全桥变换电路全桥变换电路 全桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO 全桥电路的理想化波形2-452

32、.3 直流变换电路直流变换电路l 如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 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一个电容，以阻断直流电流。输出电压：滤波电感电流连续时： 输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下： 2oi12NUD UNi12oUNNU 图 8-23 全桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形2-46

33、2.3 直流变换电路直流变换电路 推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO 推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N, ,1两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍U Ui i。推挽变换电路推挽变换电路工作过程2-472.3 直流变换电路直流变换电路 推挽电路原理图 S1S2uS1

34、uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO 推挽电路的理想化波形输出电压S1和S2同时导通，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。滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，2oi12NUD UNi12oUNNU 2-482.3 直流变换电路直流变换电路Cuk电路的能量耦合电容是实现输入向输出负载输送能量的关键插入隔离变压器的插入隔离变压器的Cuk变换电路变换电路2-492.3 直流变换电路直流变换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

35、领域正激正激电路较简单，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几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电

36、流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源 带隔离变压器的各种不同电路的比较2-502.3 直流变换电路直流变换电路输出级整流输出级整流 采用高频变压器隔离后的直流变换电路，变压器副边的输采用高频变压器隔离后的直流变换电路，变压器副边的输出级需要再次整流，常用电路有：半波整流、全波整流、出级需要再次整流，常用电路有：半波整流、全波整流、全桥整流、同步整流等全桥整流、同步整流等应用场合应用场合单端变换电路一般采用半波整流，如：正激式变换器、反激式变换器；双端变换电路常采用全波整流或全桥整流同步整流电路主要应用于超低输出电压场合2-512.3 直流变换电路直

37、流变换电路输出整流器件输出整流器件要求：高频，管压降小器件：肖特基二极管，快速恢复二极管、MOSFET管半波整流半波整流 正激变换电路 反激变换电路2-52 全波整流电路和全桥整流电路原理图2.3 直流变换电路直流变换电路全波整流全波整流优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，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（100V）。2-532.3 直流变换电路直流变换电路a）全波整流电路b）全桥整流电路全桥整流全桥整流优点：二极管在断态承受的电压仅为交流

38、电压幅值，变压器的绕组简单。缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。 全波整流电路和全桥整流电路原理图2-542.3 直流变换电路直流变换电路同步整流同步整流采用MOSFET器件，相应地，也需要驱动电路，电路复杂;优点：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，进一步提高效率。 同步整流电路2-552.4 逆变电路逆变电路 DCAC 逆变电路分有源逆变、无源逆变两种方式逆变电路分有源逆变、无源逆变两种方式有源逆变电路有源逆变电路有源逆变电

39、路交流侧和电网连结。应用场所：直流电机可逆调速系统、交流线绕电机的串级调速、高压直流输电主要源逆变电路：三相全桥可控变流电路、双桥12脉变流电路逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同 0 /2 时，电路工作在整流状态。 /2 00时，V12和VD1导通。i iU U00时，V41和VD4导通。 三电平逆变电路以U U相相为例分析工作情况2-752.4 逆变电路逆变电路线电压的电平线电压的电平相电压相减得到线电压。 两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平。三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平。三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。三电平逆变电路另一突

40、出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。2-762.4 逆变电路逆变电路 双DC变换式逆变电路DC变换式逆变电路Cuk等人在1978年根据推挽电路的工作原理，提出了一种新型CUK组合式逆变器。该逆变器由两组电流可以双向流动的CUK变换器组成，负载跨接在两组CUK变换器的输出端。两组CUK变换器按照推挽电路工作原理对称工作，实现交流电压的稳定输出。负载DC-DC变换器ADC-DC变换器BUbUaEEsinadcmuuutsin()bdcmuuutp2sinoabmuuuut2-772.4 逆变电路逆变电路 双半桥变换双DC变换式逆变的典型电路可用双Buck、双Boost、双Buck-B

41、oost、双半桥等组成S1S2D1D2L1C1S3S4D4D3L2C2su1u2u+ +- -+ +- -ou+ + - -S1S2D1D2L1LoadC1S3S4D4D3L2C2suS1S2D1D2L1LoadC1S3S4D4D3L2C2suS1S2D1D2L1LoadL2susufC 双Buck变换 双Boost变换 双Buck-Boost变换2-782.4 逆变电路逆变电路 电压方向变换单DC变换式逆变由单级DCDC变换器将输出电压控制为连续的正弦半波后级将连续正弦半波进行换向，使输出称为正负对称的正弦波单Buck变换示例如下： 单Buck变换DC-DCDC-DC变换器变换器LoadUs

42、桥式换桥式换向电路向电路正弦半波对称正弦波UsS1LCS2S3+ Uac -S4S5+ UL -+Uo-D2-792.4 逆变电路逆变电路高频链逆变电路为了实现逆变器的高性能和小型化，Espelage 于1977 年提出了可变高频环节逆变技术新概念基本原理是将负载端工频变压器的变压功能转移到直流环节由高频变压器实现。解决变压器体积和重量问题；当然，这也使逆变器的结构复杂，成本增加，电路的可靠性和效率下降。逆变电路结构如下：HFAC滤波器滤波器DCDCLFACLoad高频逆变器 高频变压器整流器PWM逆变器2-802.5 交流变换电路交流变换电路 ACAC 电路分为交流调压电路、交交变频电路两种

43、方式电路分为交流调压电路、交交变频电路两种方式概述概述 交流调压电路：只改变输出大小，而不改变输出频率，主要交流调压电路：只改变输出大小，而不改变输出频率，主要应用场所为灯光控制、电机软启动、应用场所为灯光控制、电机软启动、TCR、变压器一次调压、变压器一次调压移相调压方式：晶闸管移相触发方式调节输出电压斩控调压方式：全控开关器件，PWM方式调节输出电压调功方式：晶闸管通断方式调节输出功率，（晶闸管过零触发） 交交变频电路：改变输出频率，输出电压也可以随之改变，交交变频电路：改变输出频率，输出电压也可以随之改变，主要应用于大功率电机的变频调速主要应用于大功率电机的变频调速移相方式：晶闸管移相触

44、发方式矩阵变换方式：全控开关器件，PWM方式2-81 的移相范围应为 特点：谐波大、功率因数低0.6Ou1 u1uoiouVTtOtOttOuuG1 G1uG2OOtt阻感负载单相交流调压电路波形VT12.5 交流变换电路交流变换电路Ou1uoiouVTtOtOtOt电阻负载单相交流调压电路波形交流调压电路交流调压电路晶闸管单相交流调压两个晶闸管反并联两个晶闸管反并联组成调压开关；组成调压开关；晶闸管采用移相触晶闸管采用移相触发方式工作；发方式工作；输出电压随移相触输出电压随移相触发角变化；发角变化；2-82斩控式交流调压RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3斩控式交

45、流调压2.5 交流变换电路交流变换电路采用全控开关器件，为采用全控开关器件，为双向开关双向开关开关高频开关高频PWM调制调制电源正半周：电源正半周：V1和和V3互补导通，互补导通，V1斩波，斩波，V3续流续流电源负半周：电源负半周：V2和和V4互补导通，互补导通，V2斩波，斩波，V4续流续流输出电压正比于输出电压正比于PWM占空比占空比双向开关2-83特点斩控式交流调压电路波形2.5 交流变换电路交流变换电路电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。2-842.5 交流变换电路交流变换电路交流调功电路相同点相同点

46、电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同晶闸管触发方式：调压电路采用移相触发，谐波含量大；调功电路采用过零触发，无工频谐波污染。 交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形进行控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。2-852.5 交流变换电路交流变换电路三相交流调压电路 三相交流调压电路a) 星形联结b) 线路控制三角形联结c) 支路控制三角形联结d) 中点控制三角形联结2-86基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。功率

47、因数接近1。问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。 90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。三相四线运行三相四线运行 三相交流调压电路a) 星形联结4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路2-87三相交流调压电路a) 星形联结4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1VT6,依次相差60。相电压过零点定为 的起点， 角移相范围是0150。三相三线运行三相三线运行2-884.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路a =0时

48、：三管全导通，三相运行在完整正弦波状态；0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。任一相导通须和另一相构成回路。60 a 90：两管导通，每管导通120。任一相导通须和另一相构成回路。90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，每管导通3002a 。电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。2-89支路控制三角连接电路支路控制三角连接电路 支路控制三角形联结的三相交流调压4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 由

49、三个单相交流调压电路组成，分由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作别在不同的线电压作用下工作。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两负载相电流之和。3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。线电流谐波次数为6k1(k为正整数)；在相同负载和a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路2-902.5 交流变换电路交流变换电路交交变频电路交交变频电路晶闸管单相交交变频单相交交变频电路由由P组和组和N组反并联的晶闸组反并联的晶闸管可控整流电路构成；管可控整流电路构成；晶闸管采用移相触发方式工晶闸管采用移相触发方式

50、工作；作；触发角采用余弦调制方式，触发角采用余弦调制方式，使整流输出电压的值按接近使整流输出电压的值按接近正弦变化；正弦变化；输出电压频率由两组切换频输出电压频率由两组切换频率决定；率决定；ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=p2P=p2t输出频率越低，整流电路分段数越多，输出谐波含量越小输出频率越低，整流电路分段数越多，输出谐波含量越小2-91交交变频的整流和逆变工作状态交交变频的整流和逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP2.5 交流变换电路

51、交流变换电路交交变频电路理想化，可等效成正弦波交流电源和二极管的串联。设负载阻抗角为 ，则输出电流滞后输出电压 角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。2-92 当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。 当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。 考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。1OO23456图4-20uoiott

52、图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段 io 0，反组逆变第2段 电流过零，为无环流死区第3段 io 0， uo 0，正组整流 第4段 io 0， uo 0，正组逆变 第5段 又是无环流死区 第6段 io 0， uo 0，为反组整流 2.5 交流变换电路交流变换电路2-93晶闸管交交变频电路的特点晶闸管交交变频电路的特点2.5 交流变换电路交流变换电路输出频率有限制，当采用6脉波三相桥式电路时，不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，约为20Hz。输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率f fi i以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f fo o有关。采用三相桥时，

53、输出电压所含主要谐波的频率为：6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，输入电流相位滞后于输入电压，输入功率因数低。输入电流波形谐波含量大，且频谱复杂，含：oiin216lffkfoiin2kfff2-942.5 交流变换电路交流变换电路晶闸管三相交交变频 由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。应用于大功率交流电机调速系统。公共交流母线进线方式输出星形联结方式2-952.5 交流变换电路交流变换电路基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，

54、因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的角都在90附近，因此输入功率因数很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角 将减小，但变频器输出线电压并不改变。改善输入功率因数的方式改善输入功率因数的方式2-96梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均 为梯形波（也称准梯形波）， 主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消， 线电压仍为正弦波。因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。图4-20正弦波输出控制方式中，最大输出正

55、弦波相电压的幅值为Ud0。在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN 梯形波控制方式的理想输出电压波形2.5 交流变换电路交流变换电路交流偏置2-97 晶闸管交交变频电路的优缺点交交变频电路的优点优点： 效率较高（一次变流），可方便地实现四象限工作， 低频输出波形接近正弦波交交变频电路的缺点缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。应用场所场所：主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中。如轧机、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用，异步电机或同步电机传动均可。2.5 交流变换电路交流变换电路2-982.5 交流变换电路交流变换电路矩阵式交交变频电路