电力电子技术课件变换器

电力电子技术课件变换器第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期日引言直流-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。

第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期日

第4章DC-DC变换器

直流变换电路定义：利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。直流变换电路分类：

按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)直流变换电路。

按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。直流变换电路隔离方式：在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1直流变换电路的工作原理工作原理：图中T是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关T接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。

电路中开关的占空比TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值为

若认为开关T无损耗，则输入功率为输出电压平均值的改变：因为D是0～1之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton

或TS来实现。

基本的斩波器电路及其负载波形

第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期日直流变换电路的常用工作方式主要有两种：①脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持导通时间不变，改变工作周期。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。②脉宽调制(PWM)工作方式：即维持工作周期不变，改变导通时间。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。4.1直流变换电路的工作原理第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1非隔离型DC-DC变换器

4.1.1Buck变换器

4.1.2Boost变换器

4.1.3Buck-Boost变换器

4.1.4

Cuk斩波电路

4.1.5Sepic斩波电路和Zeta斩波电路第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器原理图

续流二极管全控型电力器件输入直流电压滤波电感滤波电容负载第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏等效电路如图(b)所示；关断期间（toff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如图(c)所示；由波形图(b)可以计算出输出电压的平均值为：

降压电路及其波形图

忽略器件功率损耗，即输入输出电流关系为：第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期日电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。4.1.1Buck变换器电感电流波形图

Buck变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流临界连续状态电感电流断流模式第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器电感电流iL连续模式：在ton期间:电感上的电压为

由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成式中△IL=I2－I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器(3.2.8)电感电流iL连续模式：在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期ＴS为上式中△IL为流过电感电流的峰－峰值，最大为I2，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即同时代入关系式△IL=I2－I1可得第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期日电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：

式中IOB为电感电流临界连续时的负载电流平均值。

总结：临界负载电流IOB与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。当实际负载电流Io＞IOB时，电感电流连续；当实际负载电流Io=IOB时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流Io＜IOB时，电感电流断流；4.1.1Buck变换器第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期日输出纹波电压：

在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为

其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。

它表明通过选择合适的L、C值，当满足fc＜＜f时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。4.1.1Buck变换器第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器

纹波电压的定义简单讲：纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即使是用电池供电也会因负载的波动而产生纹波。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有纹波的。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。我国工频频率是50Hz，所以纹波电压以工频50Hz或50Hz的整数倍计取。具体取50Hz还是50Hz的倍数，取决于整流电路的类型。对于半波整流，取50Hz；对于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；对于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；对于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。对于日本、美国等国家，使用60Hz工频，计取方式只需把上述的50改为60即可。纹波电压通常用有效值或峰值表示。第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.1Buck变换器

纹波电压的危害1、容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害；2、降低了电源的效率；3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。4、会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；5、会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。

纹波电压的抑制方法

1、在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或三相全波整流电路；2、加大滤波电路中电容容量，条件许可时使用效果更好的LC滤波电路；3、使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟稳压电源而不使用开关电源；4、合理布线。第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.2Boost变换器定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压原理图第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期日工作原理：ton工作期间：二极管反偏截止，电感L储能，电容C给负载R提供能量。toff工作期间：二极管Ｄ导通，电感L经二极管Ｄ给电容充电，并向负载RL提供能量。可得：式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在0≤D＜1的变化范围内Uo≥Ud

4.1.2Boost变换器

升压变换电路及其波形第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期日

①T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。②T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容C充电。

升压变换电路及其波形

4.1.2Boost变换器

总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:

第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期日Boost变换器的可能运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：当实际负载电流Io＞IOB时，电感电流连续。当实际负载电流Io=IOB时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。当实际负载电流Io＜IOB时，电感电流断流。

4.1.2Boost变换器第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期日③没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间()电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。4.1.2Boost变换器总结：①Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。②实际中，选择电感电流的增量△IL时，应使电感的峰值电流Id+△IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。④Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.2Boost变换器ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)

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

■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（PowerFactorCorrection—PFC）电路，三是用于其他交直流电源中。

◆以用于直流电动机传动为例

☞在直流电动机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。

☞基于分时段线性电路思想，电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值Io为其中β为变压比的倒数。第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.3Buck-Boost变换器概述：

升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。升降压变换电路原理图第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.3Buck-Boost变换器工作原理：①ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。

升降压变换电路及其工作波形②toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.3Buck-Boost变换器

在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：

由的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5<D<1时，U0>Ud，为升压变换；当0≤D<0.5时，U0<Ud，为降压变换。第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期日采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：变换器的可能运行情况：实际负载电流Io＜IOB时，电感电流连续。实际负载电流Io=IOB时，电感电流处于临界连续(有断流临界点)。实际负载电流Io＞IOB时，电感电流断流。

4.1.3Buck-Boost变换器第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期日库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。4.1.4Cuk斩波电路L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容库克(Cuk)变换电路原理图第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.4Cuk斩波电路库克电路及其等效电路和工作波形

晶闸管关断晶闸管开通第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期日

Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管D的电流连续或断流。工作情况:电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电流总是大于零。电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电流在一段时间内为零。临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周期TS的开通时刻二极管电流正好降为零。4.1.4Cuk斩波电路第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.4Cuk斩波电路基本结构Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路

■基本结构Cuk斩波电路（无滤波电容）

◆工作原理

☞V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。

☞V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。

☞输出电压的极性与电源电压极性相反。◆基本的数量关系

☞C的电流在一周期内的平均值应为零，即第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.1.4Cuk斩波电路电源电流id和负载电流io的平均值分别为Id和Io从而可得☞由L1和L2的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压E的关系◆与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其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。所以有第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期日5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路■Sepic斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。

☞V关断时，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。

◆输入输出关系

Sepic斩波电路

第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期日5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路■Zeta斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。

☞V关断时，L1－VD－C1构成振荡回路，

L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。

◆输入输出关系为■两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。

Zeta斩波电路

第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2

带隔离的DC-DC变换器

4.2.1

反激电路

4.2.2

正激电路

4.2.3

半桥电路4.2.4

全桥电路

4.2.5

推挽电路

第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2带隔离的DC-DC变换器·引言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。■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。

第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.1

反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO

反激电路原理图

反激电路的理想化波形■反激电路

◆工作过程

☞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，电压为。

◆工作模式

☞当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为

☞S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于上述公式的计算值，在负载为零的极限情况下，，所以应该避免负载开路状态。第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.2

正激电路SuSiLiSOttttUiOOO正激电路的原理图

正激电路的理想化波形■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞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关断后承受的电压为。第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.2

正激电路磁心复位过程◆变压器的磁心复位

☞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，导致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复位。☞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第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.3半桥电路

半桥电路原理图半桥电路的理想化波形■半桥电路

◆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。

第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.3半桥电路☞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将高于式上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.4全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO

全桥电路原理图

全桥电路的理想化波形■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。☞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Ui。第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.4

全桥电路☞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将高于式上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.5推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO

推挽电路原理图

推挽电路的理想化波形■推挽电路

◆工作过程

☞推挽电路中两个开关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Ui。

第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期日4.2.5推挽电路☞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%。◆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将高于式上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期日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4.2.5