第3章+直流直流变换电路

1、第第3章章 直流直流-直流变换电路直流变换电路第第3章章 直流直流-直流变换电路直流变换电路引言引言直流-直流变换电路（DC-DC Converter）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。特别是在电力牵引方面，如地铁、电气机车等。采用DC/DC变换器，可实现无级调速，比变阻器调速方式节省电能20-30。采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数、减少网侧电流谐波并提高系统动态响应速度。第第3章章 直流直流-直流变换电路直流变换电路引言引言 直流斩波电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路

2、、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 变压器隔离型DC-DC变换器种类5种基本电路形式：正激型、反激型、半桥型、推挽型和全桥型 。包括直接DC/DC变换器（直流-直流电路，又称为直流斩波电路即DC/DC Chopper）和变压器隔离型DC/DC变换器（直流交流直流电路）。直流-直流变换电路（DC-DC Converter）第第3章章 直流直流-直流变换电路直流变换电路引言引言 直流电源电压直流电源电压-脉冲电压脉冲电压 基本斩波电路不能实现幅值和极性变换 由电力电子开关和储能元件电力电子开关和储能元件构成的斩波器可以实现上述目标。

3、 为了简化分析，斩波器元件具有理想特性，即储能元件足够大储能元件足够大（L、C）；电力电力电子开关元件为理想开关特性电子开关元件为理想开关特性。 视斩波器为无损耗的直流变压器；取负载为电路与电容并联模型，稳态时两端电压恒定，用于模拟电动势负载。3.1 直接直接DC/DC变换器变换器3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper)用于将直流电源电压转换为低于其值的直流电压，并实现电能传递。为实现电压变换和适应不同负载情况，在基本斩波电路之间加入电感L和续流二极管VD，形成直流通道，起滤波作用。 图3-1 降压斩波电路的原理图 全控型器件，常用

4、IGBT 若为晶闸管须有辅助关断电路。续流二极管电容将输出电压保持住。3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理电感电流连续电感电流连续S S导通（导通（t tonon）时段：）时段：当开关S导通时，电源Ud向电容充电，并给负载R供电，产生负载电流io。同时，电感L储能，电感电流iL上升，电感电压uL极性为左正右负，二极管VD处于断态。S S关断（关断（t toffoff）时段：）时段：当开关S于t1时刻关断，电感L释放能量，电感电压uL极性为左负右正，二极管VD导通。电感L通过VD续流释放能量，并给负载R供电，电感电流iL不断减小。由于电感较大，电感电流减小缓慢，直到t2时刻开关S

5、再次开通时，电感电流仍未减小到零。通常串接较大电感通常串接较大电感L L使负载电流连续使负载电流连续且脉动小。且脉动小。i图3-2 降压斩波电路电流连续时的工作波形a) 电路图3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系数量关系电流连续 负载电压平均值：（3-1）TS = ton +toff；tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 D-导通占空比导通占空比 负载电流平均值：0()10STdoono offLLSSUU tU tUu dtTToondSUtDUT（3-2）ondooStIIDIT（3-3）在稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零，同时电容电流在一个开关周

6、期内的平均值为零。假设电感L值足够大，则负载电流波形平直dddoo oU IU DIU I（3-4）输出功率等于输入功率，可将降压斩波电路看作直流降压变压器。3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理电感电流断续电感电流断续S S导通（导通（t tonon）时段：）时段：当开关S导通时，电源Ud向电容C充电，并给负载R供电，产生负载电流。同时，电感L储能，电感电流iL上升，电感电压uL极性为左正右负，二极管VD处于断态。S S关断且电感电流续流时段：关断且电感电流续流时段：当开关S于t1时刻关断，电感L释放能量，二极管VD导通，开关S两端电压为直流电压Ud。电感电流iL不断减小，t2

7、时刻电感电流iL减小到零。S关断且电感电流为零、电容给负载供电时段：二极管VD关断，电感电流iL保持零值，并且电感两端的电压uL也为零，开关S两端电压为Ud-Uo。ia) 电路图图3- 3降压电路电流断续工作模式下的工作波形3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系数量关系电流断续与断续的临界状态时： 负载电流平均值：（3-5）ooUIRLLdodiuLUUdtdoLSUUIDTL在0到DTs时间段上，电感电压uL为 oLII12ooSUDU TRL12SDLRT电感电流连续的临界条件为整理得 式（3-8）即为判断降压型电路中电感电流连续与否的临界条件。（3-6）（3-7）（3-8）3.1.

8、1 降压斩波电路降压斩波电路降压斩波电路的典型应用降压斩波电路的典型应用图3-5 用于直流电动机的降压斩波电路VDoiLRdUouM EMV 降压型电路常用于降压型直流开关稳压器、不可逆直流电不可逆直流电动机调速动机调速等场合。当降压型电路用于直流电动机调速时，其原理图如图3-5所示。改变占空比，就可以改变加在直流电机电枢上的电压，从而实现调压调速的目的。电路工作模式也分为电感电流连续和断续两种情况，不同情况下直流电机呈现出不同的机械特性。3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 升压斩波电路（升压斩波电路（Boost Chopper）保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结构1) 升压斩

9、波电路的基本原理diVDoiSSuLCRLidUoU图3-6 升压斩波电路的原理图3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路1. 电感电流连续工作模式S导通（ton）时段：电源Ud向电感L充电，电感储能，电感电流iL上升，电感电压极性左正右负。二极管VD处于断态。S关断（toff）时段：二极管VD导通，电源Ud与电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。图3-2 升压斩波电路及工组波形a) 电路图b) 波形diVDoiSSuLCRLidUoUSg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t20tio3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路数量关系利用电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零

10、的规律可得：整理得： 01 ，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。()0d onodoffLSU tUUtUTTS = ton +toff；tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 D-导通占空比导通占空比11odUUD3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路电压升高得原因：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如果忽略电路中的损耗，且认为电感L足够大，则dLoffoooLdLddIItU IUIU IU IT与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。式中，Id为电源电流的平均值，Io为输出电流的平均值。3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路2. 电感电流断

11、续工作模式S导通（ton）时段：电源Ud向电感L充电，电感电流iL上升，二极管VD处于断态。S关断且电感电流续流（ t1 t2 ）时段：二极管VD导通，电感电流iL下降，t2时刻减小到零。开关S两端的电压等于负载电压Uo。S关断且电感电流为零（ t2 t3 ）时段：二极管VD也关断，电感电流保持零值，开关S两端的电压等于电源电压Ud。图3-2 升压斩波电路及工组波形a) 电路图b) 波形diVDoiSSuLCRLidUoUSg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t2dUt33.1.2 升压斩波电路升压斩波电路数量关系电流断续与断续的临界状态时： 负载电流平均值：（3-14）o

12、oUIR电感电流连续的临界条件为整理得（3-18）oDII2(1)2ooSUU DDTRL2(1)2SDDLRT这就是用于判断升压型电路电感电流连续与否的临界条件。3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3) 升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3 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 b） 电流连续时 c） 电流断续时用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给直流电源。 电动机

13、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，不必并联电容器。3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作被降低。3) 升压斩波电路典型应用 若L较大时，电动机电枢电流连续且纹波较小，记为IR。定子电阻为R，由于直流电动机可等效为电阻、电感和反电势负载，反电势大小为EM，因此由升压电路原理可得升压关系为：1MREI RED VDouM EMVLE3.1.3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 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构diVDoiSSuLCRLidUoU图3-1

14、1 升降压型电路的原理图3.1.3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 电感电流连续工作模式图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形当开关S处于通态时，二极管VD处于断态。电源Ud向电感L充电，电感储能，电感电流iL上升。当开关S处于断态时，二极管VD导通，电感通过VD向电容C充电，并向负载R供电，电感电流iL不断减小。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路反极性斩波电路。Sg000iLULdUtttoU ontofftdiVDoiSSuLCRLidUoU3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路数量关系电感两

15、端电压在一个开关周期内的平均值为零，即整理得：V处于通态uL = UdV处于断态uL = - Uo010sTd ono offLLssU tU tUu dtTT1odUDUD 当0D 1/2时为降压，当1/2D1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路若电源电流id和负载电流io的平均值分别为Id和Io，则当电流脉动足够小时，有：由上式得： 结论其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。otb)otidiotontoffIoIddonooffItIt 式中右边的负号表示电源电流id和负载电流io的

16、方向相反。1offoddontDIIItD o oddU IU I3.1.3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2) Cuk斩波电路斩波电路S通时，UdLS回路和RL1C1S回路有电流。S断时，UdLC1VD回路和RL1VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。图3-13 Cuk斩波电路图VDSSuLCRLidUoUL11LiC13.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路数量关系 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。 设两个电感电流都连续，分别计算电感L和L1的两端电压

17、在一个开关周期内的平均值为111()(1)0()(1)0LddCLCooUU DUUDUUUD UD消去UC1，可得Cuk电路输出、输入电压比与占空比D间的关系为1odUDUD 负号表示输出电压与输入电压极性相反，输出电压可高于输入电压，也可低于输入电压。3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路a) Sepic斩波电路图3-15 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理S通态，UdLS回路和C1SL1回路同时导电，L和L1贮能。S断态，UdLC1VD负载负载回路及L1VD负载负载回路同时导电，此阶段Ud和L串联后与L1并联一起向负载供电，同时也向

18、C1充电（C1贮存的能量在S处于通态时向L1转移）。输入输出关系：VDSSuLCRLidUoUL11LiC1VDSSuLCRdUoULiC11LiL1b) Zeta斩波电路1odUDUD3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理S处于通态时，UdSL回路和UdSC1L1负载负载回路同时导电，电源Ud和C1串联向负载供电，L和L1贮能。S关断后，C1LVD回路及L1负载负载VD回路同时导电， L的能量转移至C1，L1向负载供电。输入输出关系：图3-16 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，

19、Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。 b) Zeta斩波电路VDSSuLCRdUoULiC11LiL11odUDUD3.1.7 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复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成 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，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：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，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象

20、限和第2象限。二象限二象限电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2电路结构a) 电路图V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。工作过程（三种工作方式)第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一种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，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。图3-19 二象限电流可逆斩波电路及波形3.1.7 复合斩波电路复合斩波电路四象限桥式可逆斩波电

21、路四象限桥式可逆斩波电路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。图3-22 四象限桥式可逆斩波电路 使V4保持通时，等效为图3-19a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。3.1.7 复合斩波电路复合斩波电路3.2 变压器隔离型变压器隔离型DC/DC变换器变换器 采用这种结构的变换原因： 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，

22、可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路图图 3-23 3-23 变压器隔离型DC/DC变换器的结构 变压器隔离型DC/DC变换器：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直-交-直电路。3.2 变压器隔离型变压器隔离型DC/DC变换器变换器 在电压和电流不变的条件下，工作频率越高，所需滤波电感的电感值越小，所需滤波电容的电容值也越小； 工作频率越高，所需变压器的绕组匝数越少，所需铁心的横截面积也越小，从而可以选用较小的滤波电感、滤波电容和变压器。 因此，通过提高

23、工作频率也可以使滤波电感、滤波电容和变压器的体积和重量显著降低。 由于工作频率较高，逆变电路通常使用全控型器件，如MOSFET、IGBT等。整流电路中通常采用快恢复二极管或通态压降较低的肖特基二极管。3.2 变压器隔离型变压器隔离型DC/DC变换器变换器 带隔离变压器的直流变换器是由某种基本的直流变换器派生而来。： 由降压变换器派生出的最多，如正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等； 由升-降压变换器派生出的有反激变换器，升压变换器和丘克变换器也有典型的派生电路；带隔离变压器的直流变换器分为单端和双端电路两大类。在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，包括正激和反激两类；而双端电路中，变压器

24、中的电流为正负对称的交流电流，包括全桥、半桥和推挽三类。3.2.1 正激电路正激电路3.2.2 反激电路反激电路3.2.3 半桥电路半桥电路3.2.4 全桥电路全桥电路3.2 变压器隔离型变压器隔离型DC/DC变换器变换器3.2.1 正激电路正激电路图 3-23 正激电路的原理图图 3-23 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

25、承受的电压为 。iSUNNu)1 (311）正激电路(Forward)的工作过程3.2.1 正激电路正激电路BRBSBHO图 3-24 磁心复位过程输出电压输出滤波电感电流连续的情况下输出电感电流不连续时TtNNUUon12ioi12oUNNU2）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，这一过程称为变压器的磁心变压器的磁心复位复位。变压器的磁心复位时间为3.2.2 反激电路反激电路1）工作过程：图 3-28 反激电路的理想化波形 SuSiSi

26、VDtontoffttttUiOOOO图 3-27 反激电路原理图 S开通后，VD处于断态，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。3.2.2 反激电路反激电路2）反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到尚未下降到零零。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于负载开路状态。offon12iottNNUUoU图 3-208反激电路的理想化波形

27、SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图 3-27 反激电路原理图 3.2.3 半桥电路半桥电路S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以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。1）工作过程图 3-30 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1i

28、S2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 3-31 半桥电路的理想化波形3.2.3 半桥电路半桥电路2）数量关系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。图 3-30 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 3-31 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将高于式（3-4）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， TtN

29、NUUon12io2i12oUNNU (3-4)3.2.4 全桥电路全桥电路全桥电路中，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。1）工作过程图 3-32 全桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 3-33 全桥电路的理想化波形3.2.4 全桥电路全桥