第3章 直流斩波电路1课件

第5章直流直流变流电路5.1基本斩波电路5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5.1带隔离的直流直流变流电路

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直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

◆直接直流变流电路也称斩波电路（DCChopper）。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。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。

◆间接直流变流电路

在直流变流电路中增加了交流环节。在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

第5章直流变流电路·引言2直流变流电路的应用◆直流斩波主要用于直流电机调速，电力电子电路的供电电源相控电路用于直流调速的缺点（1）功率因数低，电网质量下降（2）输出滤波电感大（3）系统快速性差采用斩波电路后，能够克服上述缺点◆间接变流电路主要用于开关电源。

35.1基本斩波电路5.1.1

降压斩波电路5.1.2升压斩波电路5.1.3

升降压斩波电路和Cuk斩波电路5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路45.1.1

降压斩波电路电路结构全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。降压斩波电路（BuckChopper)55.1.1

降压斩波电路工作原理c)

电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图3-1降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示。65.1.1

降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：（5-1）（5-2）ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比

电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：75.1.1

降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T—频率调制。ton和T都可调，改变占空比—混合型。此种方式应用最多第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续8

基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析V为通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：（3-3）设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得（3-4）5.1.1降压斩波电路c)

电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图9V为断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：（5-5）设此阶段电流初值为I20，解上式得：

（5-6）由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出：；此时,

（3-7）（5-8）5.1.1降压斩波电路10用泰勒级数近似上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。5.1.1降压斩波电路（5-11）（5-10）（5-9）115.1.1

降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导

由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为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。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。125.1.1

降压斩波电路负载电流断续的情况：

I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）（5-16）tx<toff电流断续的条件：（5-17）（5-19）负载电流平均值为：输出电压平均值为：（5-18）135.1.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理145.1.2升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。动态演示。0iGE0ioI1图5-2升压斩波电路及工组波形a)

电路图b)波形155.1.2升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：（5-21）（5-20）化简得：T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

——升压比；升压比的倒数记作b，即 。b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为（5-23）（5-22）165.1.2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，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（5-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：(5-25)电源电流的平均值Io为：(5-26)175.1.2升压斩波电路2)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)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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。动画演示。185.1.2升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：(5-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（5-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即（5-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。195.1.2升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形--------电流断续的条件tx<t0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20205.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构215.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。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。动态演示。225.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即（3-39）所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（3-40）235.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：（3-42）由上式得：（3-43）结论当0<a<1/2时为降压，当1/2<a<1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。（3-44）otb)oti1i2tontoffILIL两边同乘E245.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，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。图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路255.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系（3-45）V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：（3-46）（3-46）当电容C具够大时，电容电压uc脉动足够小，这样有：V开通时，uB=0,uA=-uc;V关断时，uB=uc,uA=0;一周期内，电感L1、L2上电压平均值为0。UB=E，UA=U0；265.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路又一个周期内：

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。（3-48）从而有：275.2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5.2.2

桥式可逆斩波电路5.2.3

多相多重斩波电路285.2.1

电流可逆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：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象限和第2象限。电流可逆斩波电路295.2.1

电流可逆斩波电路电路结构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3-7电流可逆斩波电路及波形305.2.2桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路——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3-8桥式可逆斩波电路

使V4保持通时，等效为图3-7a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。315.2.3多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路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相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数325.2.3多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。图3-93相3重斩波电路及其波形335.2.3多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。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。345.3带隔离的直流直流变流电路·引言图5-10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，因此也称为直—交—直电路。35

■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。■间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)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，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。

365.3.1正激变换器图2-2正激变换电路■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞开关VT开通后，变压器原边绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正下负，因此VD处于通态。

☞VT关断后，电感L通过

VD1续流，VD关断。☞正激变换就是带隔离的Buck斩波电路375.3.1正激变换器图2-3带有磁复位的正激电路■正激电路的磁复位变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和，因此正激电路需要磁复位技术。38图2-4正激变换电路工作波形SuVT

iLiSOttttUiOOO图2-5正激变换电路工作波形5.3.1正激变换器39

◆

变压器的磁心复位所需的时间为,◆输出电压

☞输出滤波电感电流连续时

磁复位期间，开关管两端电压为

5.3.1正激变换器40

◆

变压器的磁心复位所需的时间推导：

利用开关管导通期间变压器原边磁通的增加量等于关断期间磁通的减少量。

导通期间

关断期间5.3.1正激变换器41

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间5.3.1正激变换器42◆正激电路的缺点☞正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积增加。☞正激变换器的占空比不能太大（小于50%），会引起磁芯饱和以及关断期间不能完成磁复位。（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断期间开关管两端的电压）。☞单管正激电路很少采用5.3.1正激变换器43图2-6双管正激变换电路5.3.1正激变换器44双管正激电路的特点：☞取消复位绕组，降低了变压器的体积和工艺要求。☞开关管承受的电压降低（电源电压和二极管的管压降）。☞双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），结构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。5.3.1正激变换器45电路结构如图工作原理

当开关管导通时，原边电压近似为输入电压，但副边因整流管反偏而无电流过，变压器储存磁场能量。当开关管V关断时，各线圈电压反向，整流管正向导通，变压器储存的能量通过整流管向负载释放。

图2-7反激变换电路5.3.2反激电路46依据变压器二次侧能量在截止期间是否完全传送出去，反激电路的工作状态分为两种：☞电流连续

导通期间

截止期间

由磁通平衡原理得：5.3.2反激电路47☞电流断续此时先求出电流断续发生时刻

求得

输入电源在一个周期内提供的平均功率为：

注意：反激电路不能开路，此时5.3.2反激电路4849反激电路特点：☞电路简单。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，同时完成磁复位）☞输出电压纹波大。(可以增大滤波电容，但会增加成本和体积）☞主要用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不太严格的场合。5.3.2反激电路50反激变换器设计存在的困难☞当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。☞为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输),因此，必须加以综合考虑。☞为防止开关管承受电压过大，占空比D不能太大，一般为0.3~0.4。占空比的减小，会影响到输出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占空比无关。5.3.2反激电路51图2-8反激变换电路5.3.3推挽变换器52与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱动信号区分）变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。工作原理☞重新定义占空比在半个周期内开关管导通，关断一次。

☞分析VT1导通时，变压器副边二极管VD3导通，把一次侧能量传递给负载。VT1截止后，变压器经二极管VD2复位，将VT1导通期间的励磁能量返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。

5354S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图2-9推挽电路的理想化波形55

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间5.3.3推挽变换器562.3推挽变换器

☞当输出电感电流连续时☞当输出电感电流不连续时，输出电压Uo将连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为2Ui。为(适用于低输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为2Ui572.3推挽变换器推挽式的优点：

☞电压利用率高。开关和交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。

☞推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点。582.3推挽变换器

☞双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率缺点：☞开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。☞变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点。595.3.4半桥电路图2-10半桥电路原理图60

61

图2-11半桥电路的理想化波形5.3.4半桥电路62◆工作过程

☞VT1导通时二极管，VD3处于通态，VD4截止，电感储能，电流增加。

☞VT1截止后，两个开关都关断时，一次侧电流VT2经并联的二极管VD2续流，由于VD2的导通，一次侧电压变为负值，二极管VD4导通，VD3继续导通（变压器漏感)，VD3和VD4都处于通态，各分担一半的负载电流，变压器绕组中的电流为零。

☞后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次电压、电流反向，二次侧电压也反向。其数值关系不变。5.3.4半桥电路63◆输出电压

☞滤波电感L的电流连续时，利用半个周期内电感电流的增加量与其减少量相等，得

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为Ui。为(适用于高输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为Ui5.3.4半桥电路64◆变压器漏感对工作波形影响的分析

☞漏感的存在，限制了一次侧电流的上升速率使一次侧电流小于二次侧折算到一次侧的电流，此时二极管VD3和VD4均导通，把二次侧电压钳位为零。使整流后的方波削去一部分，有效占空比减小。☞VT1刚截止时，由于漏感的存在，使得电流不能突变，所以经二极管VD2续流，使得一次侧电压变为导致二极管VD4导通，将一二次电压钳位为零，这个负压全部加在漏感上，直到电流减小为零，一次侧电压才变为零。这段时间的长短取决于漏感的大小，漏感越大，时间越长。限制了最大占空比。

5.3.4半桥电路65◆半桥电路的偏磁现象及解决

☞半桥电路由于两个开关工作特性不同而导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。☞通常通过在一次侧串联耦合电容解决。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。☞注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。5.3.4半桥电路665.3.5全桥电路图2-12全桥电路原理图

67S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2U