第6章直流-直流变换电路.

1、第第6章章 直流直流-直流变换电路直流变换电路 本章要点本章要点直流斩波电路的基本结构和分类；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、单象限直流斩波器（降压式、升压式、升降压式、Cuk电路）电路）的基本电路结构、工作原理和波形；的基本电路结构、工作原理和波形；直流电动机负载时的不可逆直流电动机负载时的不可逆PWM斩波器（单象限斩波器、斩波器（单象限斩波器、双象限斩波器）、可逆双象限斩波器）、可逆PWM斩波器（四象限斩波器）的基斩波器（四象限斩波器）的基本电路结构、工作原理和波形；本电路结构、工作原理和波形；软开关的基本概念。软开关的基本概念。将一种幅值的直流电

2、压变换成另一幅值固定或大小可调的直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流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通直流电压变换。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，通过改变占空比上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种来改变输出电压的平均值。它是一种开关型开关型DC/DC变换电路，俗称斩波器变换电路，俗称斩波器(Chopper)。直流变换。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

3、机的调速控制。电机的调速控制。在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的切换只能通过强迫换流措施来实现。由于强迫换半控元件的切换只能通过强迫换流措施来实现。由于强迫换流电路需要较大的换流电容、辅助晶闸管等，造成了线路的流电路需要较大的换流电容、辅助晶闸管等，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。子器件具有自关断能力的器件作为开关器件。6.1 直流斩波器的工作原理和分类直流斩波器的工作原理和分类6.1.1

4、 直流斩波器的基本结构和工作原理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可以是各种全控型可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当为固定的直流电压。当开关开关S闭合时，直流电流经过闭合时，直流电流经过S给负载给负载RL供电；开关供电；开关S断开断开时，直流电源供给负载时，直流电源供给负载RL的电流被切断，的电流被切断，L的储能经二极管的储能经二极管VD续流，负载续流，负载RL两端的电压接近于零。两端的电压接近于零。 6.1.2 直流斩波器的分类直流斩波器的分类直流斩波器按照上述

5、调制形式可分为直流斩波器按照上述调制形式可分为1）脉冲宽度调制）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制）脉冲频率调制(PFM)；3）混）混合调制。合调制。按变换电路的功能分类有按变换电路的功能分类有1）降压式直流）降压式直流-直流变换直流变换(Buck Converter)；2）升压式直）升压式直流流-直流变换直流变换(Boost Converter)；3）升压）升压-降压复合型直流降压复合型直流-直流变换直流变换(Boost-Buck Converter)；4）库克直流）库克直流-直流变换直流变换（Cuk Converter）。）。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为按输入直流电源和

6、负载交换能量的形式又可分为1）单象限直流斩波器；）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。）二象限直流斩波器。6.2 单象限直流斩波器单象限直流斩波器6.2.1 降压式直流斩波电路降压式直流斩波电路1、电路的结构、电路的结构电路中的电路中的VT采用采用IGBT；VD起续流作用，在起续流作用，在VT关断时为关断时为电感电感L储能提供续流通路；储能提供续流通路；L为能量传递电感，为能量传递电感，C为滤波电为滤波电容，容，R为负载；为负载；E为输入直流电压，为输入直流电压，U0为输出直流电压。为输出直流电压。 2、电路的工作原理、电路的工作原理 在控制开关在控制开关VT导通导通ton期间，二极管期间

7、，二极管VD反偏，则电源反偏，则电源E通通过过L向负载供电，此间向负载供电，此间iL增加，电感增加，电感L的储能也增加，这导的储能也增加，这导致在电感端有一个正向电压致在电感端有一个正向电压uL=E-uo。这个电压引起电感。这个电压引起电感电流电流iL线性增加；如上图线性增加；如上图(a)所示。所示。当开关管当开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感应电势，关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流使二极管导通，故电流iL经二极管经二极管VD续流，续流，uL= -uo，电，电感感L向负载供电，电感向负载供电，电感L的储能逐步消耗在的储能逐步消耗在R上，电流上，电流iL下下降。如

8、上图降。如上图(b)所示。所示。3、数量关系、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一个周期内的积分为0，即，即 设输出电压的平均值为设输出电压的平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：，则在稳态时，上式可以表达为： （E-U0）ton=U0（T-ton）即即 式中式中D为导通占空比；为导通占空比；ton为为VT的导通时间；的导通时间；T为开关周期。为开关周期。通常通常tonT，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入电压电压E不变时，输出电压不变时，输出电压

9、Uo随占空比随占空比D的线性变化而线性改的线性变化而线性改变，而与电路其他参数无关。变，而与电路其他参数无关。TTtLtLLonondtudtudtu 0 0 0EDETtUon 06.2.2 升压式直流斩波电路升压式直流斩波电路1、电路的结构、电路的结构斩波开关斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接 2、电路的工作原理、电路的工作原理 1）当）当VT导通时，电源导通时，电源E向串在回路中的电感向串在回路中的电感L充电，电感充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在R与与L之间的之间的二极管二

10、极管VD被反偏截止。由于电感被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流的恒流作用，此充电电流为恒值为恒值I1。另外，。另外，VD截止时截止时C向负载向负载R放电，由于放电，由于C已经被已经被充电且充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设设VT的导通时间为的导通时间为ton，则此阶段电感，则此阶段电感L上的储能可以表示上的储能可以表示为为 ；2）在）在VT关断时，储能电感关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感转为正偏，电感L与电源与电源E叠加共同向电容叠加共同向电容C充电，向负充电，向负载

11、载R供能。如果供能。如果VT的关断时间为的关断时间为toff，则此时间内电感，则此时间内电感L释放释放的能量可以表示为的能量可以表示为 。on1tEIoff1o)(tIEU 3、基本数量关系、基本数量关系当电路处于稳态时，一个周期内电感当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的储存的能量与释放的能量相等，即能量相等，即 =由上式可求出负载电压由上式可求出负载电压U0的表达式，即的表达式，即 U0 = 由斩波电路的工作原理可看出，周期由斩波电路的工作原理可看出，周期T toff，或，或T / toff1，故，故负载上的输出电压负载上的输出电压U0高于电路输入电压高于电路输入电压E，该变

12、换电路称为，该变换电路称为升压式斩波电路。升压式斩波电路。on1tEIoff1o)(tIEU EtTEtttoffoffoffon6.2.3 升降压式直流斩波电路升降压式直流斩波电路1、电路的结构、电路的结构该电路的结构是储能电感该电路的结构是储能电感L与负载与负载R并联，续流二极管并联，续流二极管VD反反向串接在储能电感与负载之间。向串接在储能电感与负载之间。 2、电路的工作原理、电路的工作原理 1）当开关）当开关VT导通时，电源导通时，电源E经经VT给电感给电感L充电储能，电充电储能，电感电压上正下负，此时感电压上正下负，此时VD被负载电压（下正上负）和电感被负载电压（下正上负）和电感电压

13、反偏，流过电压反偏，流过VT的电流为的电流为i1（=iL），方向如上图），方向如上图a所示。所示。由于此时由于此时VD反偏截止，电容反偏截止，电容C向负载向负载R供能并维持输出电供能并维持输出电压基本恒定，负载压基本恒定，负载R及电容及电容C上的电压极性为上负下正，与上的电压极性为上负下正，与电源极性相反；电源极性相反；2）当开关）当开关VT关断时，电感关断时，电感L电压极性变反（上负下正），电压极性变反（上负下正），VD正偏导通，电感正偏导通，电感L中的储能通过中的储能通过VD向负载向负载R和电容和电容C释释放，放电电流为放，放电电流为i2，电容，电容C被充电储能，负载被充电储能，负载R也得

14、到电感也得到电感L提供的能量。提供的能量。3、基本数量关系、基本数量关系电路处于稳态时，每个周期内电感电压电路处于稳态时，每个周期内电感电压uL对时间的积分值为对时间的积分值为零，即零，即在开关在开关VT导通期间，有导通期间，有uL=E；而在；而在VT截止期间，截止期间，uL= -u0。于是有于是有Eton=U0 toff 输出电压表达式可写成输出电压表达式可写成改变改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。当当 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为降压变换；降压变换；当当 时，斩波器输出电压高于输入电

15、压，此时为时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为升压变换升压变换。Tdtu0L0EDDEtTtEttU1ononoffon02/10 D12/1 D6.2.4 Cuk直流斩波电路直流斩波电路1、电路的特点、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。流连续，脉动成分较小。 2、电路的工作原理、电路的工作原理 1）当控制开关）当控制开关VT导通时，电源导通时，电源E经经L1VT回路给回路给L1充电充电储能，储能，

16、C通过通过CL2RVT回路向负载回路向负载R输出电压，负载输出电压，负载电压极性为下正上负。电压极性为下正上负。2）当控制开关）当控制开关VT截止时，电源截止时，电源E通过通过L1CVD回路向回路向电容电容C充电，极性为左正右负；充电，极性为左正右负；L2通过通过L2VDRL2回回路向负载路向负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。压相反。3、基本数量关系、基本数量关系稳态时，电容稳态时，电容C在一个周期内的平均电流为零，即在一个周期内的平均电流为零，即设电源电流设电源电流i1的平均值为的平均值为I1，负载电流，负载电流i2的平均值为的平均

17、值为I2，开关，开关S接通接通B点时相当于点时相当于VT导通，如果导通时间为导通，如果导通时间为ton，则电容电流，则电容电流和时间的乘积为和时间的乘积为I2 ton；开关；开关S接通接通A点时相当于点时相当于VT关断，如关断，如果关断时间为果关断时间为toff，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由电容。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在一个周期内的平均电流为零的原理可写出表达式 从而可得从而可得 TCdti00off1on2tItIEDDEtTtEttEIIU1ononoffon210忽略忽略Cuk斩波电路内部元件斩波电路内部元件L1、L2、

18、C和和VT的损耗，根据的损耗，根据上图等效电路，可得到：电源输出的电能上图等效电路，可得到：电源输出的电能EI1等于负载上等于负载上得到的电能得到的电能U0I2，即，即 。由此可以得出输出电压由此可以得出输出电压U0与输人电压与输人电压E的关系为的关系为 可见，可见，Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。全相同。201IUEI EDDEtTtEttEIIU1ononoffon2106.3 直流电动机负载时的直流斩波器直流电动机负载时的直流斩波器6.3.1 不可逆不可逆PWM斩波电路斩波电路1、无制动作用的、无制动作用的PWM斩波电路（单象

19、限斩波器）斩波电路（单象限斩波器）下图下图a是无制动作用的不可逆是无制动作用的不可逆PWM斩波器的主电路原理图，由于只能实斩波器的主电路原理图，由于只能实现电动不能实现制动，它实际上是一个单象限斩波器。现电动不能实现制动，它实际上是一个单象限斩波器。（1）电路结构）电路结构电路采用电力晶体管作为控制开关，电源电压电路采用电力晶体管作为控制开关，电源电压E为不可控整流电源，采为不可控整流电源，采用大电容用大电容C滤波，负载为直流电动机。二极管滤波，负载为直流电动机。二极管VD在晶体管在晶体管VT关断时给电关断时给电枢回路提供续流回路。枢回路提供续流回路。 2、有制动作用的、有制动作用的PWM斩波

20、电路（二象限斩波器）斩波电路（二象限斩波器） （a）原理图）原理图 （b）电动状态的电压、电流波形）电动状态的电压、电流波形 （c）制动状态的电压、电流波形）制动状态的电压、电流波形 （d）轻载电动状态的电压、电流波形）轻载电动状态的电压、电流波形6.3.2 可逆可逆PWM斩波电路（四象限斩波器）斩波电路（四象限斩波器）可逆可逆PWM斩波器主电路的结构有斩波器主电路的结构有H型，型，T型等类型，常用型等类型，常用的是的是H型斩波器，它是由型斩波器，它是由4个电力晶体管和个电力晶体管和4个续流二极管个续流二极管组成的桥式电路，它实际上是两个不可逆有制动作用的斩组成的桥式电路，它实际上是两个不可逆有制动作用的斩波器的组合。波器的组合。 1、电路结构、电路结构4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VTl和和VT4同时同时导通和关断，其驱动电压导通和关断，其驱动电压Ub1= Ub4；VT2和和VT3同时动作，同时动作，其驱动电压其驱动电压U b2=U b3=-U b1。它们的波形示