电力电子技术（第2版） 第3章 直流变换电路

3-1第3章直流-直流变换电路3.1

直流-直流变换电路的工作原理3.2

基本斩波电路3.3间接直流-直流变换电路3.4直流-直流变换电路的应用3-2第3章直流-直流变换电路·引言直流-直流变换电路：将一种直流电变换为另一电压固定或电压可变的直流电。按电能变换方式分类

★直接直流变换电路：将一种直流电直接变换为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流斩波电路(DCChopper)，输入输出之间无隔离。★间接直流变换电路：直流输入和输出之间加入交流环节，通常采用变压器实现隔离。用途：无轨电车、地铁、电动汽车等的无级变速控制，高频开关电源等。3-33.1直流-直流变换电路的工作原理直流变换电路利用电力电子开关器件周期性的开通和关断，将直流电源提供的直流电变换成一定频率的脉冲列，然后通过滤波电路变成满足负载要求的直流电能。在分析电路电子电路时，为了研究方便，通常将电路中的器件理想化

★理想开关。所有电力电子元器件都具有理想特性：无损耗、无惯性。即通态电阻为零、管压降为零，断态电阻为无穷大、漏电流为零，且开通和关断时间瞬间完成，开关损耗零。★理想电源。直流电源是内阻为零的恒压源。注意：实际情况，不存在理想元器件！3-43.1直流-直流变换电路的工作原理最基本的直流-直流变换电路

纯电阻负载特点：负载两端电压与电流波形成正比

.分析

★S闭合，期间，负载两端流过电流，承受电压为，大小为电源电压。★S断开，期间，负载两端无电流流过，电压为0

。负载两端的电压为矩形波，此电路称为斩波电路。电力电子开关纯电阻负载3-53.1直流-直流变换电路的工作原理定义上述电路中开关的占空比

占空比为0~1之间的系数。由波形图可得输出电压平均值

改变的值就可以改变输出电压平均值的大小。3-63.1直流-直流变换电路的工作原理由上述公式可知：改变占空比的值就可以改变输出电压平均值的大小。而的改变可以通过改变导通时间或工作周期T来实现。根据对输出电压调制方式不同，斩波电路控制方式有三种：脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,PWM）方式：保持开关周期T不变，控制开关导通时间。

频率调制方式：保持开关导通时间不变，改变开关周期T，又称为调频型。

混合型：开关导通时间和周期T都可以调，使占空比改变。3-73.2

基本斩波电路3.2.1

降压斩波电路3.2.2

升压斩波电路3.2.3

升降压斩波电路3.2.4

库克斩波电路3-83.2.1

降压斩波电路

电路结构

全控型器件

IGBT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)3.2.1

降压斩波电路工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，电感有阻碍电流变化的作用，使得流过电感的电流不能突变，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。3-103.2.1

降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：（3.3）（3.4）ton——V通的时间toff——V断的时间a--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：降压斩波电路3-113.2.1

降压斩波电路对降压斩波电路的电流连续和断续情况进行分析V处于通态时，负载电流为电流的初始值为，负载常数，则V处于断态时，负载电流为电流的初始值为V在断态时的初始值就是通态时的终值V在通态时的初始值就是断态时的终值3-123.2.1

降压斩波电路将上两式子用泰勒级数近似，则有上式说明电感L无穷大时，负载电流的最大值、最小值相等，都等于负载电流的平均值，即当电感值极大时，负载电流几乎为幅值为的一条水平线。3-133.2.1

降压斩波电路假设负载中电感值较小，则有可能出现电流断续的情况。因为电流断续时有，当时，，则

电流断续时，，故可得电流断续的条件为根据此式可对电路的工作状态做出判断。3-143.2.1

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。例3-1：在图3.2(a)所示的降压斩波电路中，已知电源电压，，电感L值极大，反电势，，，计算占空比，输出电压平均值，输出电流平均值。解：占空比由于L值极大，负载电流连续，故输出电压平均值为

输出电流平均值为降压斩波电路3-173.2.2升压斩波电路

升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压升压电感储存电能

电路结构1)升压斩波电路的基本原理3-183.2.2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。3-193.2.2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：（3-14）（3-13）化简得：

，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

3-203.2.2升压斩波电路升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，主要由如下原因：①电感L储能使提供给负载的电压升高；②电容C可将输出电压保持住，在器件V通态时，提供能量给负载。例3-2：在图3.3(a)所示的升压斩波电路中，已知电源电压，，电感L值和电容C值极大，，，计算占空比，输出电压平均值，输出电流平均值。解：占空比输出电压平均值为

输出电流平均值为3-223.2.3升降压斩波电路

升降压斩波电路(buck-boostChopper)

电路结构3-233.2.3升降压斩波电路基本工作原理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。3-243.2.3升降压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，即所以输出电压为：（3-15）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo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。3-253.2.4库克斩波电路前面几种斩波电路都具有直流电压变换功能，但在电流不连续情况下，电路输入输出端的电流是脉动的，会使电路的变换效率变低。库克斩波电路属于升降压斩波电路，图中电感和为储能电感，VD是快恢复续流二极管，C是传递能量的电容。这种电路的特点是，输出电压与输入电压极性相反，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。3-263.2.4库克斩波电路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。3-273.2.4库克斩波电路对于电感：数量关系电感上和的电压在一个周期内的积分都等于零。

在期间，；在期间，；又因为，则有对于电感：在期间，；在期间，；则3-283.2.4库克斩波电路上式中负号表示输出与输入电压极性相反。当时，；当时，，为降压变换；当时，，为升压变换。在不计器件损耗时，输出功率等于输入功率。3.3间接直流-直流变换电路

3.3.1正激变换电路

3.3.2反激变换电路

3.3.3推挽式变换电路

3.3.4半桥式变换电路

3.3.5全桥式变换电路

3.3间接直流-直流变换电路■间接直流-直流变换电路即是在基本的斩波电路中引入隔离变压器，可以使变换器的供电电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。

■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。■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。

3.3.1正激变换电路◆工作过程

☞S闭合后，变压器T一次绕组中随着电流的增加在其两端产生上正下负的电压，同时将能量传递到二次绕组两端，产生上正下负的电压，导通，反向截止，逐渐增大，同时提供给负载；

☞S断开后，电感L通过续流，关断，逐渐减小，储存在电感L中的能量提供电流给负载。3.3.1正激变换电路◆变压器的磁心复位

☞开关S开通后，变压器的励磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断，导致变压器的磁芯饱和。

☞必须设法使励磁电流在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复位。

☞故在电路中设置了变压器的第三绕组，称为箝位（或回馈）绕组，其匝数与一次绕组相同。

☞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

☞输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下

3.3.1正激变换电路◆正激变换电路优缺点

☞优点：电路简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单；

☞缺点：变压器单向励磁，利用率低。◆正激变换电路适用范围

☞主要适用于输出功率范围较大（几百瓦至几千瓦）的场合；

☞广泛应用在通信电源、各种中小功率电源中。3.3.2反激变换电路■反激电路

◆工作过程

☞S闭合时，输入电源电压E加到变压器T一次绕组上，变压器储存能量。根据变压器同名端的极性，可知变压器二次绕组上的感应电动势为下正上负，二极管VD截止，二次绕组中没有电流流过。

☞S关断时，变压器二次绕组中的感应电动势极性为上正下负，二极管VD导通，在S闭合期间储存在变压器中的能量通过VD向负载释放

。

3.3.2反激变换电路■反激电路☞在反激变换电路工作过程中，变压器起着储存能量的作用。

☞在开关S关断时，其两端承受的电压为:

◆工作模式

☞S开通时，变压器二次绕组中电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式。

☞S开通前，二次绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式。

反激式电路的优缺点跟正激变换电路几乎相同，但是反激式变换电路难以达到较大的功率。广泛应用于几百瓦以下的小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备的电源中。3.3.3推挽式变换电路◆工作过程

☞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E。

3.3.3推挽式变换电路☞如果S1和S2同时导通，就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，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。

◆输出电压

☞当滤波电感L的电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

推挽式电路的优点是：变压器双向励磁，驱动简单。适用于几百瓦至几千瓦的低输入电压的电源中。3.3.4半桥式变换电路

◆工作过程

☞S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为E/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，VD1处于通态，S2导通时，VD2处于通态，当两个开关都关断时，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E。3.3.4半桥式变换电路☞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。◆输出电压

☞滤波电感L的电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下3.3.4半桥式变换电路◆半桥式变换电路优缺点

☞优点：在前半个周期内流过变压器的电流与后半个周期流过的电流大小相等、方向相反，变压器的磁心工作在磁滞回线的两端，磁心得到充分利用；由于电容的充放电作用，会抑制由于开关导通时间长短不同而造成磁心偏磁的现象；变压器双向励磁，开关较少，成本低；

☞缺点：可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路。◆适用范围

☞适用于数百瓦至数千瓦的低输入电压的电源中。3.3.5全桥式变换电路■全桥电路

◆工作过程

☞全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为E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。☞当S2与S3开通后，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E。3.3.5全桥式变换电路

☞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。

☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。

◆输出电压

☞滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，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，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电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3.3.5全桥式变换电路

各种不同的间接直流变流电路的比较3.4直流-直流变换电路的应用直流-直流变换电路早期主要应用于城市电车，地铁、电动汽车等直流牵引调速控制系统中。随着自关断电力电子开关器件和脉宽调制(PulseWidthModulation—PWM)技术的不断发展，直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等显著优点，广泛应用于开关电源、有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。在大多中小容量的直流调速控制系统中，一般采用调节直流电动机电枢电压达到调速目的。当电力拖动系统电源由电网交流电供电时，常用的调速方案有两种：一是采用可控整流电路得到可以调节的直流电压供给直流电动机；另一种则是用不可控整流电路得到恒定的直流电压，再通过直流斩波的方式进行调压。整流电路的工作原理将在第5章介绍。当供电电源为不可调的直流电源时，可以用直接直流-直流变换进行调压。本节介绍直接直流-直流变换电路在直流电力传动中的应用。3.4.1降压斩波电路供电的直流调压调速

降压直流调速系统电子开关S、续流二极管

VD、电感L组成降压型斩波电路，电路原理图中没有加起滤波作用的电容。因为电动机两端的电压Uo

基本上等于电动机的感应电动势EM，而感应电动势正比于电动