1、1第第5章章 直流直流直流变流电路直流变流电路引言引言直流直流直流变流电路直流变流电路（DC/DC ConverterDC/DC Converter）：将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。直接直流变流电路（直流斩波电路直接直流变流电路（直流斩波电路DC Chopper DC Chopper）：）：直流直流-直流直流间接直流变流电路：间接直流变流电路：直流直流交流交流直流。直流。2第第5章章 直流直流直流变流电路直流变流电路35.1 基本斩波电路基本斩波电路45.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构续流二极管续流二极管负载负载出现出现的反
2、的反电动电动势势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)55.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理图5-1 降压斩波电路得原理图及波形t=0t=t1时时刻驱动刻驱动V导通，导通，电源电源E向负载供向负载供电，负载电压电，负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数曲线上按指数曲线上升。升。UGE65.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理图5-1 降压斩波电路得原理图及波形t=0t=t1时时刻驱动刻驱动V导通，导通，电源电源E向负载供向负载供电，负载电压电，负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数曲线上按
3、指数曲线上升。升。75.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理图5-1 降压斩波电路得原理图及波形t=t1T时控时控制制V关断，二极关断，二极管管VD续流，负续流，负载电压载电压uo近似为近似为零，负载电流呈零，负载电流呈指数曲线下降。指数曲线下降。通常串接较大电通常串接较大电感感L使负载电流使负载电流连续且脉动小。连续且脉动小。85.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系数量关系电流连续输出电压平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 -导通占空比（导通占空比（1)电流断续，Uo被抬高，一
4、般不希望出现。负载电流平均值：95.1.1 降压斩波电路降压斩波电路斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）。）。ton不变，变不变，变T 频率调制。频率调制。ton和和T都可调都可调混合型。混合型。例例5-1 P122 自学（自学（1分钟）分钟）此种方式应用最多EETtEtttUonoffonono（5-1）105.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 升压斩波电路（升压斩波电路（Boost Chopper）保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结构1)升压斩波电路的基本原理115.1.2 升压斩波电路升压斩波电路工作原理假设L
5、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。图5-2 升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形125.1.2 升压斩波电路升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。图5-2 升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向充电，并向负载负载提供能量。提供能量。135.1.2 升压斩波电路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：off1otIEU ont
6、EI1EtTEtttUoffoffoffono（5-21）（5-20）offoontIEUtEI11)(化简得：例5-3 P124（自学1分钟）升压斩波电路使输出电压高压电源电压的原因：升压斩波电路使输出电压高压电源电压的原因：（1）电容）电容C可使输出电压保持住可使输出电压保持住（2）电感）电感L储能之后具有使电压储能之后具有使电压泵升泵升的作用的作用145.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 1）升降压斩波电路）升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构155.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路基本工作原理a)otb
7、)oti1i2tontoffILIL图5-4 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。165.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图5-4 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。175.1.3升降压斩波电路和升降压斩
8、波电路和Cuk斩波电路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Ttu0L0d（5-39）所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE（3-40）185.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 结论当当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压，时为升压，故称作故称作升降压斩波电路升降压斩波电路。也有称之为。也有称之为buck-boost 变换器变换器。所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）195.1.3升降压斩波电路
9、和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路205.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路215.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路数量关系EEtTtEttU1ononoffono（5-48）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
10、都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。225.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路a)Sepic斩波电路图5-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Sepic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。235.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路a)Sepic斩波电路Sepic电路原理V断态，EL1C1VD负载负载回路及L2VD负载负载回路同时导电，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）。245.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波
11、电路a)Sepic斩波电路Sepic电路原理输入输出关系：EEtTtEttU1ononoffono（5-49）特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流连续有利于输入滤波，但负载电流为脉冲波形。255.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理斩波电路原理图5-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路b)Zeta斩波电路V处于通态期间，电源处于通态期间，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能；同时贮能；同时E、C1共同向负载共同向负载R供电，并向供电，并向C2充电。充电。265.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩
12、波电路原理V关断后，L1VDC1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。b)Zeta斩波电路275.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理V关断后，L1VDC1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。b)Zeta斩波电路285.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路a)Sepic斩波电路zeta电路原理输入输出关系：特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流为脉冲波形，负载电流连续。29复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波
13、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。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路305.3带隔离的直流带隔离的直流-直流变流电路直流变流电路引言：引言：前面介绍的直流斩波电路的输入输出存在直接的前面介绍的直流斩波电路的输入
14、输出存在直接的电气连接。然而在许多场合要求输入和输出实现电气电气连接。然而在许多场合要求输入和输出实现电气隔离，可在隔离，可在基本的斩波电路中加入变压器，基本的斩波电路中加入变压器，就可派生就可派生出出带隔离变压器的带隔离变压器的DC-DC变流电路。变流电路。变压器的主要作用是隔离，变压器的主要作用是隔离，一定情况下也能起到变压一定情况下也能起到变压的作用，的作用，为高频变压器。为高频变压器。（变压器铁芯必须加气隙，（变压器铁芯必须加气隙，变压器的设计是一个重要而复杂的工程）变压器的设计是一个重要而复杂的工程）315.3.1正激电路正激电路正激电路是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器正激电路
15、是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器派生出来的。派生出来的。电力晶体管电力晶体管GTR（a）降压斩波电路）降压斩波电路325.3.1正激电路正激电路降压斩波电路降压斩波电路（a）降压斩波电路）降压斩波电路V处于通态时处于通态时UL=Us-U0335.3.1正激电路正激电路降压斩波电路降压斩波电路（a）降压斩波电路）降压斩波电路V处于断态时处于断态时UL=-U034降压斩波电路数量关系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Ttu0L0d（5-39）offoontUtUos）（UV处于通态时处于通态时UL=Us-U0V处于断态时处于断态时UL=-U0355
16、.3.1正激电路正激电路正激电路是在降压斩波电路的基础上正激电路是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器加入隔离变压器派生出来的。派生出来的。隔离变压器隔离变压器（a）降压斩波电路）降压斩波电路 (b)正激电路正激电路365.3.1正激电路正激电路正激电路分析：正激电路分析：（a）当）当T导通时，正激电路导通时，正激电路V处于通态时处于通态时UL=（N2/N1）Us-U0375.3.1正激电路正激电路正激电路分析：正激电路分析：（b）当）当T断开时，正激电路断开时，正激电路V处于断态时处于断态时UL=-U0385.3.1正激电路正激电路正激电路分析：正激电路分析：（a）当）当T导通时，正激电路导
17、通时，正激电路（b）当）当T断开时，正激电路断开时，正激电路V处于断态时处于断态时UL=-U0V处于通态时处于通态时UL=（N2/N1）Us-U039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Ttu0L0d（5-39）offoontUtUosNU)/N12（V处于通态时处于通态时UL=（N2/N1）Us-U0V处于断态时处于断态时UL=-U0405.3.1正激电路正激电路此正激电路缺点：此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变变压器原边通过单相脉动电流，变压器铁芯极易饱和。压器铁芯极易饱和。（a）正激电路）正激电路415.3.1正激电路正激电路此正激电路缺点：此正
18、激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变变压器原边通过单相脉动电流，变压器铁芯极易饱和。压器铁芯极易饱和。解决措施：在隔离变压器中解决措施：在隔离变压器中增加一个增加一个去磁绕组去磁绕组，将变，将变压器中存储的激磁能量反激到电源中。压器中存储的激磁能量反激到电源中。（a）正激电路）正激电路（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路去磁绕组去磁绕组425.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路V处于通态时处于通态时UL=（N2/N1）Us-U0435.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实
19、用正激电路）一种实用正激电路V处于通态时处于通态时UL=（N2/N1）Us-U0445.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路V处于断态时处于断态时UL=-U0要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复位。位。455.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路465.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路要求断态时要保证去磁电流降为零，使变
20、压器磁芯可靠复要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复位。位。T2时刻磁芯复位47HBBr-Br0HBBr-Br0485.3.1正激电路正激电路一种实用正激电路分析：一种实用正激电路分析：（b）一种实用正激电路）一种实用正激电路数量关系：数量关系：495.3.2反激电路反激电路反激电路是在反激电路是在升降压斩波电路升降压斩波电路的基础上的基础上加入隔离变压加入隔离变压器器派生出来的。派生出来的。（a）升降压斩波电路）升降压斩波电路（b）反激电路）反激电路505.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：T处于处于通态通态时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。时，电源将电能转为
21、磁能存储在变压器中。（b）反激电路）反激电路V处于通态时处于通态时U2=-（N2/N1）Us515.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：T处于处于通态通态时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。（b）反激电路）反激电路V处于通态时处于通态时U2=-（N2/N1）Us525.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：T处于处于断态断态时，变压器将磁能转为电能传送给负载。时，变压器将磁能转为电能传送给负载。（b）反激电路）反激电路V处于断态时处于断态时U2=U0535.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：T处于处于断态断态时，
22、变压器将磁能转为电能传送给负载。时，变压器将磁能转为电能传送给负载。（b）反激电路）反激电路V处于断态时处于断态时U2=U0545.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：（b）反激电路）反激电路V处于通态时处于通态时U2=-（N2/N1）UsV处于断态时处于断态时U2=U0电流连续时的数量关系：电流连续时的数量关系：555.3.2反激电路反激电路反激电路分析：反激电路分析：（b）反激电路）反激电路特点：特点：电路简单，无需磁场复位电路简单，无需磁场复位电路，在小功率场合应用电路，在小功率场合应用广泛。广泛。缺点：磁芯磁场直流成分缺点：磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁大，为防止
23、磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体芯磁路气隙较大，磁芯体积相对较大。积相对较大。565.3.3半桥电路半桥电路n引言引言n在在正激、反激正激、反激电路中变压器原边通过的是单向脉冲电电路中变压器原边通过的是单向脉冲电流，流，为防止变压器磁场饱和，需要加上必要的磁场复为防止变压器磁场饱和，需要加上必要的磁场复位电路或要求磁路上留有一定的气隙，位电路或要求磁路上留有一定的气隙，因而磁性材料因而磁性材料未得到充分利用；另外，主开关器件未得到充分利用；另外，主开关器件承受的电压高于承受的电压高于电源电压，电源电压，故对器件耐压要求高。故对器件耐压要求高。n半桥式和全桥式隔离的半桥式和全桥式隔离的DC-D
24、C电路则可以克服以上电路则可以克服以上缺点。缺点。n仅讨论在降压电路中插入桥式变压器隔离的仅讨论在降压电路中插入桥式变压器隔离的DC-DC电路。电路。575.3.3半桥电路半桥电路半桥隔离的降压电路原理图半桥隔离的降压电路原理图半桥电路半桥电路585.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT1关断，关断，VT2导通时，负载经导通时，负载经D3供电，同时电源供电，同时电源C1储能储能595.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT1关断，关断，VT2导通时，导通时，负载经负载经D3供电，同时电源供电，同时
25、电源C1储能储能605.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT1导通之前，先关断导通之前，先关断 VT2。D3和和D4都处于导通状态都处于导通状态615.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT1导通之前，先关断导通之前，先关断 VT2。D3和和D4都处于导通状态都处于导通状态625.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT2关断，关断，VT1导通时，负载经导通时，负载经D4供电，同时电源供电，同时电源C2储能储能635.3.3半桥电路半桥电路半桥电路原理
26、图半桥电路原理图半桥电路分析：半桥电路分析：当当VT2关断，关断，VT1导通时，导通时，负载经负载经D4供电，同时电源供电，同时电源C2储能储能645.3.3半桥电路半桥电路半桥电路分析：半桥电路分析：D1、D2的作用的作用是当截止时为流过变压器原边漏感及线路电感是当截止时为流过变压器原边漏感及线路电感的电流提供的电流提供续流续流通路，以防止截止时因电感电流变化太快导致通路，以防止截止时因电感电流变化太快导致感应电压过高而损坏。感应电压过高而损坏。电流连续时的数量关系：电流连续时的数量关系：655.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路665.3
27、.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路当当S1、S2闭合时闭合时675.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路当当S1、S2闭合时闭合时685.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路开关开关S2、S3闭合之前闭合之前先断开先断开S1、S2695.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路开关开关S2、S3闭合之前闭合之前先断开先断开S1、S2705.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电
28、路原理图全桥电路全桥电路当当S3、S2闭合时闭合时715.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路全桥电路当当S3、S2闭合时闭合时725.3.3全桥电路全桥电路全桥隔离的降压电路原理图全桥隔离的降压电路原理图全桥电路数量关系：全桥电路数量关系：当滤波电感电流连续时当滤波电感电流连续时735.3.3全桥电路全桥电路半桥隔离的降压电路原理图道半桥隔离的降压电路原理图道全桥电路全桥电路745.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：755.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：推挽电路原理图：n当当S1闭合时闭合时765.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理
29、图：推挽电路原理图：n当当S1闭合时闭合时775.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：推挽电路原理图：nS2闭合之前，闭合之前，先断开先断开S1785.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：推挽电路原理图：nS2闭合之前，闭合之前，先断开先断开S1795.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：推挽电路原理图：n当闭合当闭合S2时时805.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：推挽电路原理图：n当当闭合闭合S2时时815.3.5推挽电路推挽电路n推挽电路原理图：数量关系：数量关系：当滤波电感电流连续时当滤波电感电流连续时各种带隔离的直流各种带隔离的直流-直流变流电路的比较见直流变流电路
30、的比较见P136表表5-1825.3.6全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流83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、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
31、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84 本章小结本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重点重点是，理解降压斩波电路降压斩波电路和升压斩波电升压斩波电路路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电开关电源源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。
