1、电力电子技术电力电子技术/ /直流变换器直流变换器第一章第一章 直流直流/ /直流变换器直流变换器1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器#1.6 开关直流电源的控制1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器#1.
2、6 开关直流电源的控制nBuck变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.1 Buck变换器nBuck变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.1 Buck变换器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求设计要求：直流变换器UiRLdUo+_DC-DC变换器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求设计要求：直流变换器：电阻分压 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%Ploss =5010 =500(W)UR = 100-50 =50(V)UiRLdUo+_ 效率太低!无法自动稳压!UiRLdUo
3、+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：直流变换器：线性模式 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%UQ = 100-50 =50(V) 效率太低!无法自动稳压!PQ = UQ IQ = 5010 =500(W)可以自动稳压!线性放大器和基极驱动_+VrefQUiRLdUo+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：01sToosUu dtT直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs1ionsUTTonisTUTonsTDTiUDTon：导通时间Ts： 开关周期D： 占空比50VQUiRLdUo+
4、_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：Q on: PQ(on) = Vces Io 0 100%Ploss 0Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs可以自动稳压!oiUD U 效率很高！QUiRLdUo+_滤波器续流二极管DBuck变换器降压式变换器LfCfnBuck变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.1 Buck变换器Q ON工作原理：电感电流连续QUiLfCfRLdUo+_DLfioUUULffdiLdtULf+_iLf( )ioLfonfUUITLABttubeiLfIL
5、fminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTsQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQ OFFLfoUU LffdiLdt( )oLfofffUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs输入电压与输出电压之间的关系( )oLfofffUITL( )ioLfonfUUITL( )( )LfLfII iooonoffffUUUTTLLoonionoffUTUTTonsTTD占空比ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00Ton
6、ToffTs脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation)脉冲频率调制Pulse-Frequency Modulationminmax12oLfLfIII输出电流平均值ioLfsfUUID TL滤波电感电流脉动值Q：当Ui和Uo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是 否变化？A：不变！ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs滤波电感电流的最大值和最小值为max0/ 2LfLfIII min0/ 2LfLfIII工作原理：电感电流断续QUiLfCfRLdUo+_DQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQ
7、UiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTsnBuck变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.1 Buck变换器ttubeiLfILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo- Uo0Io00TonToffTs电感电流临界连续电感电流连续临界电流值，电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：即负载最小电流：ILfmin = 0minmax12GoLfIIImaxioLfLfsfUUIID TL (1)2isGfU TIDDL0(1)2GfsUIDL f?(1)2isGfU
8、 TIDDL0.4D0.21.00.80.60.0IG0.40.21.00.80.60.0IGmax0.5D max8isGfU TILmax4 (1)GGIDDI电感电流临界连续相同的相同的Ui(恒定恒定)，不同的不同的U0。tiLfILfmaxIo0TonToffTsToff电感电流断续输出平均电流：输出平均电流：max112oLfonoffsIITTTmaxoLfofffUITLmaxioLfonfUUITLonsTDTmax8isGfU TIL2max114ooiGUIUIDBuck变换器的外特性外特性：外特性：()|ooDiUf IU2max114ooiGUIUID电感电流连续时：电
9、感电流连续时：oiUDU电感电流断续时：电感电流断续时：max4 (1)GGIDDIQ：如果Ui和占空比 不变，当电感电流断 续时，为何Uo升高？0(1)2GfsUIDL f0max2GfsUIL fmax1GGIDI D D值越小，电流值越小，电流I IG G越大，要求越大，要求L Lf越大。越大。不同的不同的Ui，相同的，相同的U0(恒定恒定)。nBuck变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.1 Buck变换器QUiLfCfRLdUo+_DBuck变换器的元器件参数选择已知条件： 输入电压Ui(变化范围) 输出电压Uo 输出电流Io 输出电压稳定精度 输出电压纹波元器件参数
10、选择： 功率晶体管 二极管 滤波电感 滤波电容QUiLfCfRLdUo+_D变换效率的近似计算双极性晶体管2oicesUUU如果fs20kHz，可近似认为其导通损耗等于开关损耗。功率MOSFEToiDSUUU如果fs100kHz，可忽略其开关损耗。功率晶体管选择：类型QUiLfCfRLdUo+_D开关频率晶体管类型选择晶体管类型选择功率管类型50kHz低频功率管开关功率管功率MOSFET如果功率较大，可选用IGBT。QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶体管电压和电流应力平均电流：QiIIoD I峰值电流：2QPoiIImaxma
11、xoGII电压应力：ceiUU功率晶体管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Ui二极管类型选择QUiLfCfRLdUo+_Dn开关二极管、快恢复二极管或者FRED；二极管类型选择二极管类型选择n输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替 代整流二极管，即同步整流。n电压低于40V时，可选用肖特基二极管；QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二极管电压和电流应力平均电流：offDosTIIT1oID有效值电流：201offTDrmsosII dtT1oID电压应力：DiUUUDR 2UiQUiLfCfRLdUo+_D滤波电感
12、量的计算ioLfsfUUID TLILf过小，Lf太大。ILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。工程上一般取ILf=20%Io。在10%Io时，电感电流连续。0.2iofsoUULD TI0(1)2GfsUIDLf0min(1)2ofsULDIf理论上QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电容量的计算输出电流脉动很小(1)oLffsUIDL fILf全部流过电容201sTcLffUi dtC11222LfsfITC8LffsIC f8LffcsICU f2018offsUDUL C f电压纹波电压纹波第一章第一章 直流直流/ /直
13、流变换器直流变换器1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器nBoost变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.2 Boost变换器Boost变换器的推导UoUinBoost变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.2 Boost变换器Q ON电感电流连续(1)LbiUULbbdiLdt( )iLbonbUITLQ OFF电感电流连续(2)LbioUUULbbdiLdt( )oi
14、LboffbUUITL输入电压与输出电压之间的关系输入电压与输出电压之间的关系电感电流连续(1)( )oiLboffbUUITL( )iLbonbUITL( )( )LbLbII ioionoffbbUUUTTLLonoffoioffTTUUT11D0( )( )(1),1isoLbLbibbsUTUD DIIIDILL fD 电感电流断续(1)nBoost变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.2 Boost变换器电感电流临界连续电感电流连续临界电流值，电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：即负载最小电流：ILbmin = 0min112GoLboffsIII TTmaxiL
15、bLbsbUIID TL (1)2isGbU TIDDL(1)2isGbU TIDDL0.4D0.21.00.80.60.0IG0.40.21.00.80.60.0IGmax0.5D max8isGbU TILmax4 (1)GGIDDI电感电流断续输出平均电流：输出平均电流：max112oLboffsIITTmaxoiLboffbUUITLmaxiLbonbUITLonsTDTmax8isGbU TIL2max141ioGoUUIDIBoost变换器的外特性外特性：外特性：()|ooDiUf IU2max141ioGoUUIDI电感电流连续时：电感电流连续时：11oiUUD电感电流断续时：电
16、感电流断续时：max4 (1)GGIDDInBoost变换器的推导n工作原理n外特性n 元器件选择和设计1.2 Boost变换器平均输入电流：平均输入电流：oiiPIU峰值电流：峰值电流：2LbQPiIII电压应力：电压应力：ceoUU功率功率晶体管晶体管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Uo功率晶体管有效值电流：有效值电流：电压应力：电压应力：DoUU平均电流：平均电流：二极管1DiIID1DrmsiIIDUBR 2Uo电感量：电感量：升压电感min(1)2isoGbU TIIDDL临界连续临界连续输出电流：输出电流：min(1)2isboU TLDDI2min(1)2osboU TLDD
17、IUo恒定Ui恒定电容量：电容量：滤波电容OsooffLsdfU DUCCCI DTfRQ输出电压纹波：输出电压纹波：电容放电电容充电%ooUU2100100ofsLdsoDPDCfRfU第一章第一章 直流直流/ /直流变换器直流变换器1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器nBuck-Boost变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计1.3 Buck-Boost变换器Buck-Boost变换器的推导
18、Uo Ui121oiUDUDLc输入输出反极性！nBuck-Boost变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计1.3 Buck-Boost变换器Q导通LciUULccdiLdtULf+_( )iLconcUITLQ关断LcoUU LccdiLdt( )oLcoffcUITL输入输出关系( )0(1)oLcofcscfUIULTLD T( )iLconciscUIU DTLTL( )( )LcLcII ioonoffccUUTTLLoonioffUTUT1DDD0.5，Uo0.5，UoUinBuck-Boost变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计1.3 Buck-Boost变换器输入电流
19、：输入电流：iLcID I电感电流平均值：电感电流平均值：021(1)(1)oiLcLdLdIUU DIDRDRD电压应力：电压应力：ceioUUU功率晶体管输出电流：输出电流：1oLcIDI功率晶体管功率晶体管电流平均值：电流平均值：()Q aviII电流最大值：电流最大值：12QpLcLcIII二极管有效值电流：有效值电流：电压应力：电压应力：平均电流：平均电流：DoII1DrmsLcIID11oIDD1oIDDioUUU电感量：电感量：电感电感电流电感电流脉动：脉动：iLcscUIDTLicsLcULDTI电容量：电容量：滤波电容输出电压纹波：输出电压纹波：电容放电电容充电%ooUU21
20、00100ofsLdsoDPDCfRfUOsooffLsdfU DUCCCI DTfRQ 桥式变换电路 使使V V4 4保持通时，保持通时， V V1 1、VDVD1 1和和V V2 2、VDVD2 2等效为又一组可逆斩波电等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1 1、2 2象限。象限。 使使V2保持通时，保持通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组可逆斩波等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限象限 。tOtttttttOOOOOOO1u2u
21、3uoi1i2i3io多相多重斩波电路及其波形多相多重斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间接入多个是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的。结构相同的基本斩波电路而构成的。 相数相数: :一个控制周期中电源侧一个控制周期中电源侧的电流脉波数。的电流脉波数。 重数重数：负载电流脉波数。：负载电流脉波数。3 3相相3 3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3 3个降压斩波电个降压斩波电路单元路单元并联并联而成。而成。 总输出电流为总输出电流为 3 3 个斩波个斩波电路单元输出
22、电流之和，其平均值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为单元输出电流平均值的3 3倍，脉动倍，脉动频率也为频率也为3 3倍。倍。 作作 业业6 61、分析降压和升压斩波电路的工作原理。、分析降压和升压斩波电路的工作原理。2、在降压斩波电路中，、在降压斩波电路中，Ui=30-50V，输出电压输出电压U0=20V，负载，负载R=2-20 ，PWM控制周期控制周期TS=40 s。试计算输出电压纹波。试计算输出电压纹波小于小于1% 、电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取、电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。开关管和二极管，电感电流的最
23、大和最小值。3、在升压斩波电路中，在升压斩波电路中，Ui=30-50V，负载，负载R=10-50 ，PWM控制周期控制周期TS=50 s。试计算输出电压。试计算输出电压U0=100V、纹波小于纹波小于1% 和电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关和电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。管和二极管，电感电流的最大和最小值。4、59第一章第一章 直流直流/ /直流变换器直流变换器1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-
24、降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器nCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器Cuk变换器的推导镜像翻转滤波电容和二极管交换位置 Cf和Q改变位置 Lf移到上面输入输出反极性！共用Q、D、CfnCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器Q导通111LLidiUULdt1( )1iLonUITL2212LLcodiUUULdt12( )2coLonUUITLQ关断1111LLicdiUUULdt11(
25、 )1ciLoffUUITL222LLodiUULdt 2( )2oLoffUITL输入输出关系1( )1iLonUITL11( )1ciLoffUUITL12( )2coLonUUITL2( )2oLoffUITL1oiUDUD1cioUUUUo既可高于Ui，又可低于Ui。nCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器电压应力：电压应力：ceioUUU功率晶体管电流平均值：电流平均值：()Q avioIIID电流最大值：电流最大值：1212iiQpiossUUIIIDTDTLL12122ioisLLIIU DT
26、L L二极管有效值电流：有效值电流：电压应力：电压应力：平均电流：平均电流：(1)DioIIID1DrmsioIIIDDioUUU电感电感电感L1的电流脉动：的电流脉动：11iLonUITL122coLonUUITL电感电感L2的电流脉动：的电流脉动：2oniooUTULU 2oinUTL电容电容C1的选择：电容C2的选择：n Q导通，C1放电；n Q截止，C1充电。与Buck变换器类似Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。nCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器
27、电流断续模式所谓电流断续模式，是指二极管电流断续！nCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器*耦合电感的Cuk变换器121LLiononIIULMTT2112LLcoononIIUULMTT1cioUUU11LieonIULT21211211eML LLLML21ML10LI11ML20LI电感脉动nCuk变换器的推导n工作原理n 元器件选择和设计n电流断续模式n耦合电感的Cuk变换器n隔离式Cuk变换器1.4 Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.1.5 Zeta变换器和Sepic变换器Q1VinLcCfDLf
28、CfRLdVo+_+VovD+_Zeta变换器Sepic变换器*输入输出同极性！1oiUDUDZeta变换器和Sepic变换器*Sepic: Single-ended primary inductance converter*R.P.Massey, and E.C. Snyder, “High-voltage single-ended dc-dc converter,” in Proc.IEEE PESC, 1977, pp.156-159QVinLfCfRLdVo+_Q1VinLcRLdVo_+CfD6种基本变换器的比较BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConve
29、rter1oinVDVD1oinVDVD1oinVDVD1oinVDVD11oinVVDoinVDVVoltage Conversion RatioOutput Voltage PolarityInput Current RippleOutput Current Ripple+_LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeLbQDRLdVo+_VinCfLfCfRLdVo_+LbQVinCbDLfCbLbQVinR
30、LdVo+_CfD2Q1VinLcCfDLfCfRLdVo+_+VovD+_Topology第一章第一章 直流直流/ /直流变换器直流变换器1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器n正激变换器的推导n工作原理n基本数量关系1.5.1 正激(Forward)变换器n正激变换器的推导n工作原理n基本数量关系1.5.1 正激(Forward)变换器D1第1步：加入隔离变压器；第2步：加入磁复位电路；第3步：加
31、入整流二极管。正激变换器的推导D1n正激变换器的推导n工作原理n基本数量关系1.5.1 正激(Forward)变换器Q导通1idNUdt( )1ionUTNLffrectodiLuUdt21ioNUUNmmidiLUdtimmUitLN1的激磁电感Q关断：磁复位3idNUdt ( )3iRUTNLffodiLUdt 2331NmiNdiLUNdt 321331iionmNonmUNUNitTLNTN LQ关断：磁复位完成LffodiLUdt 变压器磁复位完成n正激变换器的推导n工作原理n基本数量关系1.5.1 正激(Forward)变换器输入输出关系21oiNUDUN最大占空比( )1ionU
32、TN( )3iRUTN( )( ) 31RonNTTNRsonTTT113NDNN131QiNUUN321DiiNUUUN311iNUN213DiNUUN231DiNUUN开关管、二极管的电压应力131QiNUUN113NDNN13131NNNNN1N3Dmax0.5UQ2UiN1N3Dmax0.5UQ2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui复位绕组匝数的选择n工作原理n外特性n变换器设计n与Buck-Boost变换器的关系1.5.2 反激(Flyback)变换器n工作原理n外特性n变换器设计n与Buck-Boost变换器的关系1.5.2 反激(Flyback)变换器反激变换器Q导通变压器
33、相当于一个电感n电感储能；n负载由滤波电容提供能量。11max1minIII1ionUTLQ关断n电感释放能量给负载供电。22max2minIII2ooffUTL变压器相当于一个电感1max12max2ININ1min12min2ININ1122I NI N 11ionUITL22ooffUITL21122LNLN211oiNDUUND输入输出关系升降压变换器n工作原理n外特性n变换器设计n与Buck-Boost变换器的关系1.5.2 反激(Flyback)变换器不同负载情况电流断续时的输入输出关系212oRsIITT22oRUITL11ionUITL1122I NI N 21122LNLN2
34、212iosoU DUL f IFlyback变换器的外特性2212iosoU DUL f I211oiNDUUND112(1)2iGosUNIIDDL fN电流断续时：电流连续时：电流临界连续时：1max12124iGsUNIL fND=1/2max4(1)GGIDDI220112()(1)2GsUNIDL fND值越小，电流值越小，电流IG越大，要求越大，要求L1越大。越大。n工作原理n外特性n变换器设计n与Buck-Boost变换器的关系1.5.2 反激(Flyback)变换器I11iID I112iQPsUIIDTLoiP UI212oiQPsiPUIDTD UL21oIDI2212o
35、DPsUIID TL2112ooDPsIUID TDL电感电流工作模式比较电流断续时：电流连续时：电流连续时：2oQPiPID U122oDPiPNIND U如果Po相等，CCM时器件的电流峰值比DCM的小！变压器匝比比较晶体管电压应力：12QioNUUUN二极管电压应力：21DioNUUUN211oiNDUUND变压器匝比的选择灵活性很大！21NNUQ UD 21NNUQ UD 根据实际可采购到的晶体管、二极管的电流、电压定额和价格来合理选择匝比。n工作原理n外特性n变换器设计n与Buck-Boost变换器的关系1.5.2 反激(Flyback)变换器FlybackBuck/Boost电感释
36、能电感储能两种变换器对比第1步：加入隔离变压器；第3步：调整变压器次级位置；第2步：将Lc和变压器集成在一 起，用激磁电感代替Lc；第4步：将Q移到下面。Buck-Boost到Flyback的演变1.6 1.6 半桥电路半桥电路l S S1 1与与S S2 2交替导通，使变压器一次侧交替导通，使变压器一次侧形成幅值为形成幅值为U Ui i/2/2的交流电压。改变的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压侧整流电压u ud d的平均值，也就改变的平均值，也就改变了输出电压了输出电压U Uo o。l S S1 1导通时，二极管导通时，二极管VDVD1 1处于
37、通态，处于通态，S S2 2导通时，二极管导通时，二极管VDVD2 2处于通态处于通态; ;l 当两个开关都关断时，变压器绕当两个开关都关断时，变压器绕组组N N1 1中的电流为零，中的电流为零，VDVD1 1和和VDVD2 2都处都处于通态，各分担一半的电流。于通态，各分担一半的电流。1 1）工作过程）工作过程S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOlS S1 1或或S S2 2导通时电感导通时电感L L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L L的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。S S1 1和和
38、S S2 2断态时承受的峰值电压均为断态时承受的峰值电压均为U Ui i。l 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，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。因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。2 2）数量关系）数量关系当滤波电感当滤波电感L L的电流连续时：的电流连续时： 如果输出电感电流不连续，输出电压如果输出电感电流不连续，输出电压U U0 0将高于上式的计算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
39、情况下，值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， TtNNUUon12io2i12oUNNU 1.7 全桥电路l全桥电路中，互为对角的两个开全桥电路中，互为对角的两个开关关同时同时导通，同一侧半桥上下两导通，同一侧半桥上下两开关开关交替交替导通，使变压器一次侧导通，使变压器一次侧形成幅值为形成幅值为U Ui i的交流电压，改变占的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。空比就可以改变输出电压。l当当S S1 1与与S S4 4开通后，开通后，VDVD1 1和和VDVD4 4处于处于通态，电感通态，电感L L的电流逐渐上升；的电流逐渐上升；1 1）工作过程）工作过程S1S2uS1uS2i
40、S1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOlS S2 2与与S S3 3开通后，二极管开通后，二极管VDVD2 2和和VDVD3 3处于通态，电感处于通态，电感L L的电流也上升。的电流也上升。l当当4 4个开关都关断时，个开关都关断时，4 4个二极管个二极管都处于通态，各分担一半的电感都处于通态，各分担一半的电感电流，电感电流，电感L L的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。S S1 1和和S S2 2断态时承受的峰值电压均为断态时承受的峰值电压均为U Ui i。l 如果如果S S1 1、S S4 4与与S S2 2、S S3 3的导通时间不对称，则交流电压的导
41、通时间不对称，则交流电压u uT T中将含中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成分量，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，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。也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。2 2）数量关系）数量关系滤波电感电流连续时：滤波电感电流连续时： 输出电感电流断续时，输出电压输出电感电流断续时，输出电压U Uo o将高于上式的计算值，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：并随负载减小而升高，在负载为零
42、的极限情况下： TtNNUUon12io2i12oUNNU1.8 推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOl推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S S1 1和和S S2 2交替导通，交替导通，在绕组在绕组N N1 1和和N N, ,1 1两端分别形成相位相反的两端分别形成相位相反的交流电压。交流电压。lS S1 1导通时，二极管导通时，二极管VDVD1 1处于通态，电感处于通态，电感L L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。lS S2 2导通时，二极管导通时，二极管VDVD2 2处于通态，电感处于通态，电感L L电流也逐渐上升
43、电流也逐渐上升1 1）工作过程）工作过程l当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VDVD1 1和和VDVD2 2都处于都处于通态，各分担一半的电流。通态，各分担一半的电流。S S1 1和和S S2 2断态时断态时承受的峰值电压均为承受的峰值电压均为2 2倍倍U Ui i。lS S1 1和和S S2 2同时导通，相当于变压器一次同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。导通。2 2）数量关系）数量关系 滤波电感滤波电感L电流连续时：电流连续时： 输出电感电流不连续时，输出电压输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于将高于上式的计算值，并
44、随负载减小而升高，在负上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，载为零的极限情况下，TtNNUUon12io2i12oUNNU电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，可靠性，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、
45、电解电源等半桥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低输入电压的电源各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较1.9 1.9 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流l 双端电路中常用的整流电路形式双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。为全波整流电路和全桥整流电路。1 1）全波整流电路的特点）全波整流电路的特点 优点：电感优点：电感L L的电流回路中只有
46、的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要整流电路中只需要2 2个二极管，个二极管，元件数较少。元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况适用场合：输出电压较低的情况下（下（100V100V）。）。a）全波整流电路b）全桥整流电路2 2）全桥电路的特点）全桥电路的特点 优点：二极管在断态承受的电优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器压仅为交流
47、电压幅值，变压器的绕组简单。的绕组简单。 缺点：电感缺点：电感L L的电流回路中存在的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要而且电路中需要4 4个二极管，元个二极管，元件数较多。件数较多。适用场合：高压输出的情况下。适用场合：高压输出的情况下。a）全波整流电路b）全桥整流电路3） 同步整流电路：同步整流电路： 当电路的输出电压非常低当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电时，可以采用同步整流电路，利用低电压路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。损耗，进
48、一步提高效率。同步整流电路原理电力电子装置控制系统结构与常规控制系统比较：1. 相同点：分析思路及分析方法相近2. 不同点：控制对象模型复杂（非线性、时变等） 电力电子装置控制系统结构*1.6 开关直流电源的控制开关直流电源的控制v 电力电子主电路的建模理想开关模型 （时变、非线性）状态空间平均模型 （定常、非线性）小信号模型 （定常、线性） 器件模型 微模型 宏模型 即使不考虑器件开关过程器件的复杂性电力电子电路模型也是非线性的 电力电子器件的理想开关模型对控制系统的建模和分析已经足够精确理想开关模型理想开关模型 VDUiUo+CRSL开关导通期间： 开关关断期间：RuidtduCuudtd
49、iLCLCCiLRuidtduCudtdiLCLCCL 0理想开关模型理想开关模型v选取为iL、uC状态变量，电路的状态方程可表示为： VDUiUo+CRSL , ), s122s1111iiiitDTttDTtttuBxAuBxAx00 ,0 ,0 ,021112111111BABARCCLLRCCL ,iCLuuiux理想开关模型理想开关模型 VDUiUo+CRSL , ), s122s1111iiiitDTttDTtttuBxAuBxAx横坐标：时间(s) a) uC 单位V b) iL 单位A利用理想开关模型求得的数值解 状态空间平均模型UiUo+CRLDiLDUi状态平均模型 212
50、1)1 ()(1BBB AAA BuAxxDDDDuxx01110LDRCCL即 状态空间平均模型UiUo+CRLDiLDUi状态平均模型 横坐标：时间(s) a) uC 单位V b) iL 单位A利用状态空间平均模型求得的数值解 uxx01110LDRCCL小信号模型),(DuxFx DDDDD),(),(),(000000000uxFuuuxFxxuxFx在电路工作点处对方程进行线性化得：dCuBxAx小信号模型对降压斩波电路在电路工作点处对方程进行线性化得：uxx01110LDRCCLduxx00111000LuLDRCCL传递函数模型对状态方程进行拉氏变换：)()()()()(11sD
