电力电子技术 第4章 直流-直流变换电路

第4章直流-直流变换电路12023/2/14.1直流斩波器的基本电路4.4晶闸管作为电力电子开关的斩波器4.3直流斩波器在电力传动中的应用4.2带输出变压器的直流变换电路4.5斩控式交流调压电路<>2023/2/124.1直流斩波器的基本电路基本电路<>4.1.1降压型（Buck)斩波电路4.1.2升压型（Boost)斩波电路4.1.3升-降压型（Buck-Boost)斩波电路4.1.4丘克(Quk)电路4.1.1降压型（Buck)斩波电路降压型（Buck)斩波电路电流断续电路构成电流连续><42023/2/14.1.1降压型（Buck)斩波电路——电路构成图中S为电力电子开关，可用全控型电力电子器件来实现，也可用晶闸管加适当的换流电路来实现。电力电子开关按照一定的规律周期性地开通和关断，其工作周期为T，开关接通的时间为Ton，关断的时间为Toff。

斩波周期为：Ton与T的比值为占空比D

VD为续流二极管，与电子开关交替工作。L为储能电感，C为滤波电容器，R为负载电阻，U为直流电源52023/2/14.1.1降压型（Buck)斩波电路——电流连续在S闭合期间，回路方程为

S关断器件的回路电压方程为

在一个周期中电感电流的变化规律为

62023/2/14.1.1降压型（Buck)斩波电路——电流连续负载电压与电源电压的关系为电感电流的峰-峰值IPP为

电感电流连续的临界值ILB为

在D=0.5时达到最大值，就是说在D=0.5时电流最容易断续。

72023/2/14.1.1降压型（Buck)斩波电路——电流断续如果令电流断续时电感电流平均值（也就是负载电流平均值IO）与ILB的比值为k，不难推出电流断续时负载电压与D和k的关系为4.1.2升压型（Boost)斩波电路升压型（Boost)斩波电路元件选择电流断续电流连续电路构成<>92023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——电路构成S闭合时，电源U、电感L、S形成回路，S两端的电压为0，电源向电感输送电能，电感电流上升。由于S的闭合二极管VD两端的电压为－UO，VD阻断，C通过R形成放电回路，供给负载电压。102023/2/1如果S断开，切断了电感的充电回路，由于电感中的电流不能突变，电感、电源、二极管和负载形成回路。电感两端出现感应电压，方向左负右正，该电压与电源顺向串联后与负载连接，使得电容器两端的电压即负载电压高于电源电压，所以该电路叫做升压型斩波器。4.1.2升压型（Boost)斩波电路——电路构成112023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——电流连续仍设电子开关S闭合的时间为Ton，电子开关断开的时间为Toff。闭合时电感电压uL=U，S断开时uL=U－UO，uL的波形为矩形波。电感电压不可能出现直流成分，uL波形的正面积与负面积应相等，即UTon=（U－UO）Toff。或UDT=（UO－U）（1－D）T，由此得出负载电压与电源电压的关系为

122023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——电流连续

电感电流的变化规律为电感电流iL的峰-峰值为

临界电流ILB为

132023/2/1临界电流ILB为

二极管的电流平均值就是负载电流平均值，在临界连续时，二极管电流IVD为一三角形，其平均值IOB为三角形的面积除以开关周期T，即

4.1.2升压型（Boost)斩波电路——电流连续142023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——电流断续Boost电路在电感储能不够大时也会出现电流断续的现象152023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——电流断续可计算出此时UO与U的关系为

162023/2/14.1.2升压型（Boost)斩波电路——元件选择

电子开关的选择：电子开关承受的最大电压为Uo,通过的电流按下式计算：

续流二极管的电压和电流的选择原则与电子开关相同。电感的选择与斩波频率、电源电压、占空比以及临界连续电流等因素有关，为：

电容：电容的大小决定输出电压的波动程度，可按下式计算

4.1.3升-降压型（Buck-Boost)斩波电路<>升-降压型特性曲线电路结构数量关系182023/2/14.1.3升-降压型（Buck-Boost)斩波电路——电路结构结构特点：在与升压和降压电路相同的拓扑结构上S、L、VD的位置又发生了变化。仍定义开关S的工作周期为T，S闭合的时间为Ton，S断开的时间为Toff工作过程：在S闭合期间，电源通过开关与电感形成回路，电感电流上升，在图中该电流的方向是顺时针的。此时二极管承受反压阻断，负载电流由电容器放电提供。S断开时，由于电感电流不能突变，电流通过负载和二极管形成回路，向电容器充电和供给负载以电能，在图中，电流的方向是反时针的。

192023/2/14.1.3升-降压型（Buck-Boost)斩波电路——数量关系电感电压不可能有直流成分，即uL波形的正负面积相等由此得出负载电压与电源电压的关系为：202023/2/14.1.3升-降压型（Buck-Boost)斩波电路——特性曲线电路结构丘克(Quk)电路工作原理4.1.4丘克(Quk)电路222023/2/14.1.4丘克(Quk)电路——电路结构电源端和负载端分别串接了电感L1和L2，电感量很大，使得电源电流iL1和负载电流iL2为恒定值，在以下的讨论中将电源和负载都看成具有恒流特性iL1=Ii；iL2=IO。该电路的储能元件为电容器C，它的作用相当于Buck-Boost电路中的储能电感。丘克电路的主路接线图232023/2/14.1.4丘克(Quk)电路——工作原理

S闭合期间S断开期间

负载电流和电源电流之间的关系为

电路无损耗，输入功率等于输出功率，输入电压和输出电压的关系为

4.2带输出变压器的直流变换电路直流变换器<>4.2.1单端正激直流变换器4.2.2回扫式（单端反激式）直流变换器4.2.3双管正激式直流变换器4.2.4双管反激式直流变换器252023/2/14.2.1单端正激直流变换器带输出变压器的单端正激（Forward）直流变换器的主电路原理图如图所示。由下面的分析可看出，该电路实际上是在Buck电路中加入了变压器，许多特点与Buck电路相似。图中S为电子开关，N1为输出变压器的初级，N2为变压器的次级线圈，N3的作用是在S断开时为变压器磁场能量的释放提供通道。262023/2/1在S闭合时，线圈N1两端电压u1=U，电流i1流过N1，按图中所标同名端的位置，次级线圈N2两端的电压上正下负，N3两端的电压下正上负。电压的大小为4.2.1单端正激直流变换器272023/2/14.2.1单端正激直流变换器VD1正偏导通，VD2、VD3均承受反压而截止。N1中的电流i1开始上升，i1中包括两部分：耦合电流i01和激磁电流ir1。ir1从0开始上升i01产生的磁通Ф01恰好与i2产生的磁通Ф2相抵消，总磁通为Ф，激磁磁通为Фr1，则282023/2/14.2.1单端正激直流变换器

虚线圈中的部分为一个除去电源和开关部分的Buck电路，根据上面的分析虚线圈以外的部分可等效成一个直流电源U’和一个电子开关S’。S’与S同步动作，U’的大小为

由于激磁电流ir1线性上升，磁能释放电流i3又线性下降，所以i3下降到0所需的时间可以用几何方法来求得，设i3下降到0的时间为TF，则

因此负载电压为292023/2/14.2.2回扫式（单端反激式）直流变换器回扫式（Flyback）直流变换器如图所示，该电路又称单端反激式直流变换器，由下面的分析可知，它相当于在Buck-Boost电路中插入了变压器而形成.电源与N1接通，N1、N2的“点”端电压为正，二极管VD承受反压而截止，N2中无电流，对N1不产生影响，电路中只相当于一个电感与电源连接，这与Buck-Boost电路是完全相同的。S闭合期间302023/2/14.2.2回扫式（单端反激式）直流变换器

S断开期间，N1的电流通路被截断，电路的磁场能量转移到N2中，线圈的“点”端电压为负，使得VD导通，N2、VD、UO构成回路，回路电压方程为312023/2/14.2.2回扫式（单端反激式）直流变换器在S开通和关断的两种情况下电路中均为一个线圈有电流而另一个线圈无电流，所以变压器在此电路中相当于一个电感，u1相当于电感电压，在一个工作周期中，u1的平均值应为0，S闭合的持续时间为DT，S关断的持续时间为（1－D）T，因此

322023/2/14.2.3双管正激式直流变换器S1和S2关断后，N2中的电流消失，但磁路中储存的磁能必须要有一个释放的途径。根据楞次定律，N1中电流的方向不能突变，绕组中感应电压的方向为“•”端为负，N1中的电流通过VD1、直流电源正极、直流电源负极、VD2形成回路。可见消磁作用是通过上述回路完成的，因此就省掉了消磁绕组。该电路的变压器只有初级和次级两个绕组而没有消磁绕组。但是比单端正激式电路多了一个电子开关。两个电子开关S1和S2也是单向导电型的，电流只能从上向下流动。电路工作时S1和S2同时开通，此时变压器初级绕组两端的电压为上正下负，两个二极管处于关断状态，变压器把由于S1和S2导通形成的电流耦合到次级，经整流后供给负载。332023/2/14.2.4双管反激式直流变换器反激式直流变换器不需要消磁绕组，其变压器实际上相当于一个电感。电子开关接通时直流电源通过初级绕组为电感供给能量，电子开关关断时，电感的储能通过次级绕组释放。但是完全作到这一点的条件是两个绕组必须完全紧密地耦合，也就是没有漏感。实际上变压器的漏感是不会完全没有的，如果变压器的初级绕组存在着漏感，从电源吸收的能量以磁能的形式储存，一部分磁力线与N1和N2共同交链，而另一部分仅与N1交链，这部分能量不可能传输到变压器的次级。当电子开关关断时，这些能量会在初级绕组形成过电压。为防止这个过电压造成的危害，常在变压器的初级加RCD吸收网络（关于吸收网络详见电力电子器件的缓冲电路一节）。采用双管反激式直流变换器的电路形式可以不设RCD吸收网络4.3.2降压和升压型斩波器组合供电的电力传动系统4.3.3可以四象限运行的直流电力传动系统4.3直流斩波器在电力传动中的应用直流斩波器应用<>4.3.1降压型斩波器供电的电力传动系统4.3.4升压型斩波器在串级调速系统中的应用4.3直流斩波器在电力传动中的应用直流电动机是通过调节其电枢或励磁绕组的电压来达到调速目的的，前者一般叫调压调速，后者叫调磁调速。直流电机所需的电能一般都来自交流电网，对其进行调速大致有两种方案：

362023/2/14.3.1降压型斩波器供电的电力传动系统图中没有滤波电容C，因为电动机两端的电压Ud基本上等于电动机的旋转电动势E，而旋转电动势正比于电动机的转速，电动机的转子部分有很大的惯性，机械时间常数比斩波器电子开关的工作周期要大得多，在若干个斩波周期中转速不会产生明显的变化，所以转子的惯性本身就有良好的滤波作用.电感周围的虚线框的意思是电动机的转子本身就有很大的电感，实际电路中是不是再外接电感根据具体需要而定。缺点：要想快速地制动只能采取能耗制动或摩擦制动等措施，使电机在较短的时间减速或停机。并且，电机的制动能量也不可能回馈到电网。372023/2/14.3.2降压和升压型斩波器组合供电的电力传动系统用一个降压型斩波器（Buck）和一个升压型斩波器（Boost）组合起来，共同驱动一台直流电动机，可以做到既能在电动状态为电动机调速又能为电动机施加制动力矩，并且可以将制动能量回馈到电源。

S1、VD2组成Buck电路，电源把能量输送给负载。S2、VD1组成Boost电路，负载把能量回馈给电源。

382023/2/14.3.2降压和升压型斩波器组合供电的电力传动系统在电流很小时，S1、S2、VD1、VD2这4个开关器件是交替配合工作的，其控制规律如下：在电感电流iL的上升阶段，为电子开关S1加导通控制信号uK1；在电感电流iL的下降阶段，为电子开关S2加导通控制信号uK2。由于电子开关实际上都是单向导电的全控型电力电子器件，对其施加开通驱动信号它未必就能够导通，还必须要求电感电流的实际方向与电子开关的导通方向一致。因此可能出现两个电子开关都不导通的现象，在这种情况下电感电流就要通过两个二极管中的一个形成回路。392023/2/1H型结构的电路是对称的，但对于4个桥臂，控制信号是不对称的。通常通过S2、S4所在的桥臂控制电动机的正转和反转，因此这两个桥臂又称为方向臂。

如果欲使电机反转，则S2始终保持导通状态，S4始终保持截止状态，电路中B点与电源正极连接。此时电路也是一种二象限斩波电路只是电源的极性反接。在电动机的正转状态（无论电动还是制动），S4始终保持导通状态，S2始终保持截止状态。电路中B点与电源负极连接。不难看出，此时的等效电路与二象限斩波电路相同。4.3.3可以四象限运行的直流电力传动系统402023/2/14.3.3可以四象限运行的直流电力传动系统412023/2/14.3.4升压型斩波器在串级调速系统中的应用串级调速是将绕线式交流异步电动机的三相转子电流通过汇流环引出，作为电源进入三相不可控整流电路进行整流，整流器的输出端与晶闸管有源逆变电路的直流侧相连接，作为有源逆变的直流电源。逆变后得到的交流电经变压器耦合又回送到电网，既达到了调速的目的，又充分利用了电能。但是，在电动机转速较低时，由于转子电压降低，整流器输出直流电压也降低。这个电压就是逆变器的直流电源电压，因为它的降低，要想不影响逆变电路的工作，就必须增大逆变角β。由第二章可知，逆变角越大，逆变电路交流侧的功率因数就越低。如果在整流器的输出和逆变器的直流输入端之间加入一个升压型斩波器，可以提高功率因数，电路如图所示。422023/2/14.3.4升压型斩波器在串级调速系统中的应用矿井井架矿井提升机矿井提升机控制台用于矿井提升机的串级调速设备4.4用晶闸管作为电力电子开关的直流斩波器城市无轨电车大量使用直流斩波技术，许多是有晶闸管构成的工矿用电力机车也普遍使用由晶闸管构成的直流斩波器4.4用晶闸管作为电力电子开关的直流斩波器<>4.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器4.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器4.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器晶闸管直流斩波器4.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器波形图工作过程电路结构晶闸管定宽调频直流斩波器<>462023/2/14.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器——电路结构晶闸管定宽调频型斩波器的主电路原理图如图所示。图中VT为主晶闸管，它与周围的电容器C、电感L1和L2、二极管VD共同组成电力电子开关，

LP为滤波电感，VDR为续流二极管。直流电源U通过上述斩波电路为直流电动机M供电。可以看出，这是一个降压型直流斩波器。晶闸管定宽调频型直流斩波器主电路原理图472023/2/14.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器——波形图482023/2/14.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器——工作过程续流二极管导通阶段，负载电流流经续流二极管，iVDR=id=Id。ud=0，晶闸管两端的电压uVT=U>0，晶闸管具备主电路开通条件。由于电感L1和L2中均没有电流，电容器两端电压为电源电压U，左正右负。等效电路如右图。

1t=0时向晶闸管VT发出触发脉冲，VT导通，VT的导通给续流二极管加反向电压使其截止，此阶段开始电子开关向负载供电，ud=U。VT的导通同时也构成了L1C振荡的回路，如右图。2492023/2/14.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器——工作过程晶闸管关断以后，由于电感中的电流不能突变，电流必然要寻求新的回路。新的振荡回路为：C、L1、L2、VD，如图。电容器电流的一部分为负载电流id，另一部分为L2、VD支路的电流，即iC=

id+iVD。3t=t4时，电容器电流达到最大值，之后开始下降，晶闸管承受的电压由负变为正，此时的等效电路如图4-32（c）。可以看出，此阶段的等效电路与上一阶段相同，只是电感电压的方向发生了变化。当t=t5时，iC下降到Id，续流二极管关断。4502023/2/14.4.1晶闸管定宽调频直流斩波器——工作过程续流二极管关断以后的等效电路如右图。二极管承受反压截止，电源经过电容器C、电感L1给负载供电。由于负载的恒流作用，电容器被以恒定电流Id充电，电压uC线性增长。56.在t=t6时，恒流充电使电容器电压略大于电源电压，续流二极管导通，负载电压为0，进入续流二极管VDR与电容器换流的阶段，等效电路如图所示。64.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器波形图工作过程电路结构晶闸管脉宽可调直流斩波器<>522023/2/14.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器——电路结构VT1称为主晶闸管，VDR为续流二极管，LP为滤波电感，M为直流电动机。图中的其它元件组成换流电路，其中VT2为辅助晶闸管，其作用是控制脉冲宽度、关断主晶闸管。电路工作时，主晶闸管与辅助晶闸管的触发信号为同一频率，主晶闸管先导通，延迟一段时间后辅助晶闸管又导通，主晶闸管在同时关断。532023/2/14.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器——波形图542023/2/14.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器——工作过程1.在t=0时触发VT1，VT1导通后由于电感L2的作用，形成VT1和VDR的换流过程，本阶段的等效电路如图4-34（a）。

2.VT1导通阶段，等效电路如图4-34（b），直流电源通过主晶闸管和电感L2向负载供电，iVT1=iL2=Id，由于流过电感的电流为直流Id，电感电压为0，ud=U。以上两个阶段换流电路处于待工作状态，电容器两端电压保持UC0。552023/2/14.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器——工作过程3.t=t2时，触发辅助晶闸管VT2，VT2导通后构成L1C振荡回路，换流电路开始工作，等效电路图4-34（c）所示。

4.VT2关断后，由VD1和仍处于导通状态的VT1构成新的振荡回路，电路继续振荡。其等效电路如4-34（d）所示。562023/2/14.4.2晶闸管脉宽可调直流斩波器——工作过程5.VT1关断后，VD2导通，形成新的振荡回路，其等效电路如图4-34（e）所示。该振荡电路的总电感为L=L1+L2，电路的参数发生了变化。

6.VD2关断后，电源经C、L1、VD1、L2给负载供电，等效电路如图4-34（f）所示。因负载具有恒流特性，该电路的电流为Id，电感两端的电压突变为0，负载电压ud=U-uC，主晶闸管两端的电压uVT1=uC。4.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器波形图工作过程电路结构逆导型晶闸管的直流斩波器<>582023/2/14.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器——电路结构VT1主晶闸管，其作用是向负载输出斩波脉冲。VT2为辅助晶闸管，其作用是触发导通后引发换流电路的振荡，关断主晶闸管。VDR为续流二极管。VT2与L、C组成换流电路。VDR为续流二极管。VT2与L、C组成换流电路。用逆导型晶闸管构成直流斩波器的主电路，电路的结构可以简化。592023/2/14.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器——波形图602023/2/14.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器——工作过程在t=t1时，向VT1发触发信号，VT1中的晶闸管部分导通，使续流二极管承受反向电压而截止。电源经VT1中的晶闸管部分向负载供电。ud=U，流过VT1中晶闸管的电流为iVT1=Id。换流电路的状态没有变化，电容器两端仍保持初始电压UC0。1到t=t3时，振荡电流下降到负的最大值，电容器电压下降到0。此后，振荡电流从负的最大值开始上升，电容器电压从0向负的方向增长。3在t=t2时，触发VT2，VT2中的晶闸管导通，构成LC振荡回路，振荡电流和电容器两端的电压的参考方向如图图4-36中所示。

2612023/2/14.4.3逆导型晶闸管的直流斩波器——工作过程t=t4时为振荡的半个周期，电容器电压下降到负的最大值，VT2中晶闸管的电流下降到0，晶闸管关断。此后，振荡电流变为正值，流过VT2中的二极管部分，构成新的振荡回路。4到t=t5时，iC=Id，晶闸管电流iVT1=0，VT1中的晶闸管关断。此后，振荡电流继续增大，iC>Id，电流流过VT1中的二极管部分。VT1中的二极管的正向导通压降为其中的晶闸管施加反向电压以保证其可靠截止。5t=t6时，振荡电流增大到正的最大值，以后开始下降，流过VT1中二极管的电流开始逐渐减小，电容器电压继续上升。6到t=t7时，振荡电流减小到与负载电流相等，VT1中二极管的电流减小到0，二极管关断。74.5斩控式交流调压电路<>斩控式交流调压电路4.5.1斩控式交流调压器的工作原理4.5.2电源与负载端的隔离4.5.3双向电力电子开关632023/2/14.5.1斩控式交流调压器的工作原理——基本结构

642023/2/1

4.5.1斩控式交流调压器的工作原理——基本结构式中φk=kπD——为k次谐波的初相角；ω0=2π/T，为e