1、第第4 4章章 直流直流-直流变换器直流变换器 主要内容u降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、工作特性，在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；u全桥式直流斩波器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；u影响直流斩波器输出电压纹波的因素；u几种不同变换器的开关利用率。众所周知，相控整流器能够得到直流电，但它存在着如下问题：随着控制角的增大功率因数降低，无功功率增大，影响电网质量。由于输出电压中具有低次谐波，为保证输出电压具有较小的纹波，必须有较大的滤波电感和电容。直流斩波器可以有效地解决以上问题直流斩波器可以有效地解决以上问题。在直流电机调速系统中，为避免电流断
2、续，最小负载电流越小，保证电流连续的电感越大，体积重量越大，成本越高。相控整流器存在着较大的失控时间，导致动态响应慢，快速性差。4.1 4.1 引引 言言直流直流-直流变换器直流变换器也称为也称为直流斩波器直流斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流斩波器主要有如下几种基本型式直流斩波器主要有如下几种基本型式：1.降压变换器降压变换器(Buck Converter)2.升压变换器升压变换器(Boost Converter)3.降压降压-升
3、压变换器升压变换器(Buck-Boost Converter)4.库克变换器库克变换器(Cuk Converter)5.全桥式直流斩波器全桥式直流斩波器(Full Bridge Converter)了解直流斩波器的几种基本形式了解直流斩波器的几种基本形式掌握直流斩波器的调制方式掌握直流斩波器的调制方式掌握掌握如何控制如何控制直流斩波器直流斩波器掌握直流斩波器的基本原理掌握直流斩波器的基本原理学 习 目 标 掌握直流斩波器在实际应用中的问题掌握直流斩波器在实际应用中的问题4.2 4.2 直流斩波器的控制直流斩波器的控制1.直流斩波器的调制方式基本的直流斩波器和它的输出波形基本的直流斩波器和它的输
4、出波形 ddsonsondon0so 01UDUTtdtdtUTUTttsonTtD输出电压平均值为Uo：改变负载端输出电压有2种调制方法：1.开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉冲宽度调制(PWM)。2.开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。也称为脉冲频率调制(PFM)。dsono UTtU 图(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。2.直流斩波器的控制图(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开
5、关频率在几千赫兹到几百千赫之间。按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：stmcosonUuTtD在实际应用中，有如下问题：(1)实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图(a)的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。3.直流斩波器在实际应用中的问题采用图(b)的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载。（b）(2)在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而下图所示的电路输出电压在0和Ud间变化。将PWM波用傅里叶级数展开：)cossin22cos2sin1cossin2(dotnnDntDtDDUu以上分析表明，输出电压可以
6、分解成直流分量、具有开关频率fs及其倍数的谐波分量，如右下图所示，左下图中uo是未加滤波器前的直流电压，由傅里叶级数可以看出，谐波的幅值和占空比有关，谐波的频率是开关频率的倍数。16采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。当低通滤波器的角频率fc开关频率fs时，经过滤波器后的输出电压基本上消除了高频谐波。电感和电容越大，输出电压越平稳，纹波越小。而开关频率越高，滤波效果越好，滤波器也可以越小。因此，在直流斩波器中，开关频率较高，可以减少装置的体积，提高性能。有些直流斩波器有两种不同的工作模式：在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑
7、这两种不同的工作模式的特性。1.电感电流连续模式2.电感电流断续模式输出电压中的谐波频率与开关频率即开关周期有关，滤波器是根据开关频率设计的，设计好后是固定不变的。第2种调制方法（PFM）中，开关频率是变化的，而第1种调制方法（PWM）的开关频率不变，因此第1种调制方法有较好的滤波效果，在电源中是最常见的调制方法。2022-8-15相控整流器与直流斩波器比较下面哪些说法是对的？相控整流器与直流斩波器比较下面哪些说法是对的？直流斩波器输出电压比相控整流器输出电压的纹波小直流斩波器输出电压比相控整流器输出电压的纹波小相控整流器的滤波器电感和电容小，所以纹波大相控整流器的滤波器电感和电容小，所以纹波
8、大相控整流器的开关频率如果高的话，纹波也小相控整流器的开关频率如果高的话，纹波也小直流斩波器的功率因数高是因为直流斩波器的功率因数高是因为前端整流器前端整流器的控制角为的控制角为0ABCD提交多选题4分4.3 4.3 降压变换器降压变换器 4.3.1 电流连续模式时的工作情况在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL=-Uo，电感电流下降。输出电压：ddsonoDUUTtU）（）（onsdonod-tTUt
9、UU因此，在电流连续模式中，当输入电压Ud不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在交流电源输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。忽略电路所有元件的能量损耗，则 因此，故有odPP ooddIUIUDUUII1oddo下图给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。由
10、ton期间的等效电路图可得onLMLLodddtILtiLuUUoBodsodonLMLB)(2)(221IUULDTUULtII在电流临界连续时有4.3.2 电流连续和断续模式的边界在Ud不变时根据上式绘出左图的曲线图。中给出了临界电流与占空比的关系。因此，在所给的条件下，如果输出电流平均值Io比下式所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。在D=0.5时，临界电流最大。oBdsddsodsodonLMLB)1(2)(2)(2)(221IDDLUTDUULDTUULDTUULtII对于图（对于图（b b），当），当L=1mH时，时，ILBM=10A,下面哪些说法是对的？下面哪些说法是对的？当当
11、ILB=15A时时,电感电流肯定是电感电流肯定是连续的连续的当当ILB=8A时时,电感电流肯定是断续电感电流肯定是断续的的当当L=0.5mH时，时，ILB=20A时时,电感电流不一定是连续的电感电流不一定是连续的当当L=0.5mH时，时，ILB=20A时时,电感电流一定是连续的电感电流一定是连续的ABCD提交多选题4分在在Uo不变时，临界电流与占空比的关系是怎样的？临界电流与占空比的关系是怎样的？在在D=？时，临界电流最大。？时，临界电流最大。作答主观题10分4.3.3 电流断续模式时的工作情况在直流电机速度控制系统中，输入电压Ud基本上是不变的，需要改变输出电压Uo，从而改变电机速度。在直流
12、可调电源的应用中，输入电压Ud可能是变化的，但输出电压Uo保持不变。l 在电流断续模式下，输出电压表达式分为两种不同情况：Ud为常数时输出电压表达式 Uo为常数时输出电压表达式1.Ud不变时的输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0.5时所需要的电感电流最大，则在Ud为常数时输出电压表达式为右图表示了输入电压不变时，不同占空比D时，输出电压与电流比的关系。LUTI8dsLBM)(41LBMo22doIIDDUU2.Uo不变时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0时所需要的电感电流最大，为则在Uo为常数时输出电压表达式为右图给出了保持输出电压不变的情况下，不同Uo/Ud时，占空比D与Io/IL
13、BM的函数关系曲线。LUTI2osLBM21doLBModo/1UUIIUUD4.3.4 寄生元件的影响 实际电路中，功率器件是有损耗的，变换器中的电感、电容、开关管、二极管等都对变换器造成寄生元件效应，也可以用等效电阻替代。当考虑这些电阻时，电路的特性将和理想情况的工作特性不同。在考虑寄生元件影响时，在D不变时，随着负载电流的增加，Uo/Ud将下降，因此，特性曲线是随着负载电流的增加而下降的斜线。4.3.5 输出电压纹波 在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图所示。阴影部分的面积表示的
14、是电荷增量Q，因此，电压纹波的峰-峰值Uo为:2sc22soo)1(2)1(81ffDLCDTUU 上式表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcust，VT3和VT2断开，VT1和VT4导通；当ucoust，VT3和VT2断开，VT1和VT4导通，电流回路如图(a)所示，；当ucoust，VT3和VT2断开，VT1和VT4导通，电流回路如图(b）所示。odu Uod-uUu在负载电流较小的情况下2.双极性控制方式下的工作过程 输出电压的波形（d）显示输出电压从+Ud变到-Ud。这就是为什么称这种控制方式为双极性PWM控制方式的原因。输出电压Uo、占空比D、控制电压uco之间的函数关系
15、将式(4-64)代入式(4-66)中得：式中 上式表明，与前面介绍的变换器相似，全桥式开关模式变换器输出电压平均值与输入控制信号是线性关系。事实上，当考虑同一桥臂的两个开关管有导通延迟时间时，输出电压Uo与控制电压uco的关系有轻微的非线性。当控制电压uco的大小和极性变化时，式(4-64)中的占空比D1从0到1之间变化，输出电压平均值Uo在-Ud到+Ud之间变化。当Io0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioust，关断VT2，触发VT1 当 ucoust ，关断VT4，触发VT3 当-ucoust，且 -ucoust，则VT1，VT4导通当ucoust ，且-ucoust，且-uco
16、ust，且-ucoust，则关断VT2，VT4，触发VT1，VT3 ，电感电势使 VD3，VT1 导通。当ucoust，-ucoust，断VT2，触发VT1，电感电势使得VD1、VD4导通；当-ucoust，则关断VT3，电感电势使得VD1、VD4导通；当ucoust，-ucoust，-ucoust，VT4断开；电感电势使得VT1、VD3导通；2.单极性控制方式的工作过程(在负载电流比较小的情况下)输出电压的波形（d）显示输出电压从+Ud变到0。这就是为什么称这种控制方式为单极性PWM控制方式的原因。如果uco0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Io0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递
17、。如果两种控制方式的开关频率相同，则由于单极性脉宽调制控制方式的输出电压波形的频率是双极性脉宽调制控制方式的2倍，因此前者有着较好的频率响应和较小的输出电压纹波。dco121oANBNdddstm(21)UuUUUUUUUDDD 下图给出了在双、单极性控制方式下输出电压纹波Ur,rms/Ud与占空比D的函数关系曲线。由图可见，单极性控制方式有着较小的输出电压纹波。4.7.3 两种控制方式的比较 4.4.8 8 直流斩波器的一般问题直流斩波器的一般问题1.直流斩波器的开关利用率 因此，从变换器的开关利用率考虑，通常采用升压变换器或降压变换器。只有在要求输出电压在比输入电压高和低的范围调节，或者要
18、求有负的输出电压时，考虑采用降压-升压变换器或库克变换器。只有要求变换器必须在四个象限运行时，才使用全桥式直流斩波器。降压变换器、升压变换器、降压升压变换器、库克变换器只能实现从电源向负载的单方向功率传输，工作在单象限里。降压变换器、升压变换器工作在第一象限；降压-升压变换器、库克变换器工作在第三象限。将降压变换器加入能量反馈回路后的电路原理图如图所示。VT1、VD1、L组成降压变换器。VT2、VD2、L组成反向的升压变换器。2.功率传递u第1种工作方式是，当变换器只做降压变换器运行时，VT2、VD2不工作，由直流电源向负载降压供电；u第2种工作方式是，当变换器只做升压变换器运行时，VT1、V
19、D1不工作，将负载能量反馈给直流电源。u第3种工作方式是，在一个周期内，使VT1、VT2互补工作。（1）当电流比较大时：当工作在第一象限，且正向电流比较大时，VT1、VD1、L组成的电路与降压变换器工作相同，由直流电源向负载降压供电；当工作在第二象限，且反向电流比较大时，VT2、VD2、L组成的升压变换器工作，将负载能量反馈给直流电源；（2）当电流比较小时，其工作过程如下：当VT1导通时，直流电源、VT1、电感L、负载构成回路，电流为正；当VT1关断、VT2加驱动信号时，电感自感电势使二极管VD1导通续流，VT2不能导通；电流降为零后，负载的电势使VT2导通，电流反向；当VT2关断、VT1加驱
20、动信号时，电感自感电势使二极管VD2导通，能量回馈，VT1 无法导通；电流降为零后，负载的电势使VT1导通，直流电源、VT1、电感L、负载构成回路，电流为正。由以上分析可见，方式3相当于电路轮流工作在降压变换器和升压变换器模式，在第一、二象限工作，采用方式3可实现2个电路在电流过零点的切换，避免了电流断续情况。该电路可以实现能量的双向传递。3带直流电动机负载时的机械特性 由前几节的分析可知，降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器、库克变换器都有电流连续和电流断续工作模式，电流临界连续的边界与占空比、开关频率、输入输出电压和电感的大小有关。电流断续区的特性比较软，在直流电机调速系统中机械特性也
21、较软。而全桥式直流斩波器在整个负载电流范围内都是电流连续的，因此克服了整流器和其他直流斩波器电流断续对电动机机械特性的影响。由于开关频率较高，因此，直流斩波器-直流电动机调速系统也比晶闸管整流器直流电动机调速系统的动态性能好。因此,广泛地应用在高性能直流电机调速系统和伺服电机调速系统中。4.4.9 9 直流开关电源的应用直流开关电源的应用 直流斩波器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介绍的几种主要直流斩波器可以直接应用在电机驱动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求：1 1当输入电压和负载
22、变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或输出电压可调。2 2输出与输入之间需要电气隔离。3 3某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。直流开关电源的组成框图 输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用了一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。直流斩波器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变压器副边的整流和滤波电路得到直流电压Uo。带有电气隔离的直流斩波器1.反激变换器 反激变换器是由降压-升压变换器推演得到的，降压-升压变换器电路图(a)所示。用变压器代替电感线圈，采用图(b)所示的电路，就可以实现电气隔离。输出电压的表达式为：DDNNUU112do2.正激变换器正激变换器是由降压变换器推演得到的，下图给出了正激变换器电路。其输出电压的表达式为：DNNUU12do3.全桥式变换器小小 结结 本章讨论了几种主要型式的直流斩波器的拓扑结构。除了全桥式直流斩波器以外，其他变换器只能在电压-电流相平面的单象限运行，即功率只能单方向传递。而全桥式直流斩波器可以在四个象限运行。
