1、第章直流直流变换电路第章直流直流变换电路5.1 直流斩波器直流斩波器一、概述一、概述将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流流电压的过程称为直流-直流电压变换。它通过对电力电子直流电压变换。它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，通过改变占空比占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC/DC变换电路，俗称斩波器变换电路，俗称斩波器(Chopper)。在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然
2、过零点，在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。造成线路的半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。造成线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以具有自关断能复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以具有自关断能力的全控型电力电子器件作为开关器件。力的全控型电力电子器件作为开关器件。二、直流斩波器的基本结构和工作原理二、直流斩波器的基本结构和工作原理 下图是直流斩波器的原理图。图中开关下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压。为固
3、定的直流电压。当开关当开关S闭合时，直流电流经过闭合时，直流电流经过S给负载给负载RL供电；开关供电；开关S断断开时，直流电源供给负载开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，的电流被切断，L的储能经二极的储能经二极管管VD续流，负载续流，负载RL两端的电压接近于零。两端的电压接近于零。图图5-1三、直流斩波器的分类三、直流斩波器的分类直流斩波器按照调制形式可分为直流斩波器按照调制形式可分为1）脉冲宽度调制）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制）脉冲频率调制(PFM)；3）混合调制。）混合调制。按变换电路的功能分类有按变换电路的功能分类有1）降压式直流）降压式直流-直流变换直流变换(Buck
4、 Converter)；2）升）升压式直流压式直流-直流变换直流变换(Boost Converter)；3）升压）升压-降降压复合型直流压复合型直流-直流变换直流变换(Boost-Buck Converter)；4）库克直流库克直流-直流变换（直流变换（Cuk Converter）。）。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为1）单象限直流斩波器；）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。）二象限直流斩波器。onontTtLLTLdtudtudtu000onontTtCCTCdtidtidti000四、直流斩波器中电感、电容的基本特性四、直流斩波器中
5、电感、电容的基本特性1 1、电感电压的伏秒平衡特性、电感电压的伏秒平衡特性稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此，每个开关周期中电感电压，每个开关周期中电感电压2 2、电容电流的安秒平衡特性、电容电流的安秒平衡特性稳态条件下，开关变换器中的电容电流必然周期性重复，稳态条件下，开关变换器中的电容电流必然周期性重复，每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定，每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定，因此，每
6、个开关周期中电容电流因此，每个开关周期中电容电流5.2 单管非隔离直流斩波器单管非隔离直流斩波器5.2.1、降压式直流斩波电路、降压式直流斩波电路1 1、电路的结构、电路的结构电路中的电路中的VT采用采用IGBT；VD起续流作用，在起续流作用，在VT关断时为关断时为电感电感L储能提供续流通路；储能提供续流通路；L为能量传递电感，为能量传递电感，C为滤波电为滤波电容，容，R为负载；为负载；Us为输入直流电压，为输入直流电压，U0为输出直流电压。为输出直流电压。图图5-22、工作原理、工作原理 1）在控制开关）在控制开关VT导通导通ton期间，二极管期间，二极管VD反偏，反偏，则电源则电源Us通过
7、通过L向负载供电，此间向负载供电，此间iL增加，电感增加，电感L的储能也增加，在电感端有一个正向电压的储能也增加，在电感端有一个正向电压uL=Us-uo，左边正右边负。这个电压引起电感电流左边正右边负。这个电压引起电感电流iL线线性增加；如上图性增加；如上图(a)所示。所示。2、工作原理、工作原理 2）在开关管）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流应电势，使二极管导通，故电流iL经二极管经二极管VD续续流，流，uL=-uo（原方向设为正），电感（原方向设为正），电感L向负载供电，向负载供电，电感电感L的储能逐步消耗在的储能逐步消耗
8、在R上，电流上，电流iL下降。如上图下降。如上图(b)所示。所示。图5-4 连续和断续两种工作模式波形图 3、基本数量关系、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性根据电感电压的伏秒平衡特性 设输出电压平均值为设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：，则在稳态时，上式可以表达为：即即 式中式中D为导通占空比；为导通占空比；ton为为VT的导通时间；的导通时间；T为开关周期。为开关周期。通常通常tonT，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入电压电压E不变时，输出电压不变时，输出电压Uo随占空比随占空比D的线性变化而线性改的线性变化而线性改变
9、，而与电路其他参数无关。变，而与电路其他参数无关。TTtLtLLonondtudtudtu 0 0 0EDETtUon 0)()(on0on0tTUtUUS5.2.2 升压式直流斩波电路升压式直流斩波电路1、电路的结构、电路的结构斩波开关斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接 图图5-52、工作原理、工作原理 1）VT导通时，导通时，Us向串在回路中的电感向串在回路中的电感L充电，电充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时二极感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时二极管管VD被反偏截止。由于电感被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此
10、充电的恒流作用，此充电电流为恒值电流为恒值IL。又。又VD截止时截止时C向负载向负载R放电，由于放电，由于C已经被充电且已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为恒值，记为U0。设。设VT的导通时间为的导通时间为ton，在此阶段，在此阶段电源电源Us全部加在电感全部加在电感L上，则上，则Us=uL；2、工作原理、工作原理 2）在）在VT关断时，储能电感关断时，储能电感L两端电势极性变成左两端电势极性变成左负右正，负右正，VD转为正偏，电感转为正偏，电感L与电源与电源Us叠加共同向叠加共同向电容电容C充电，向负载充电，向负载R供能。如果供能。如果VT的关
11、断时间为的关断时间为toff，则此时间内电感电压为，则此时间内电感电压为 。)(oSUU 图5-7 Boost变换器工作波形3、基本数量关系、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性根据电感电压的伏秒平衡特性 设输出电压平均值为设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表，则在稳态时，上式可以表达为：达为：即即 由斩波电路的工作原理可看出，周期由斩波电路的工作原理可看出，周期T toff，或，或T/toff1，故负载上的输出电压，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压高于电路输入电压Us，该变换电路称为升压式斩波电路。该变换电路称为升压式斩波电路。TTtLtLLonondtudtudtu 0
12、0 00)(offotUUtUsonsssUtTUtttUoffoffoffon05.2.3 升降压式直流斩波电路升降压式直流斩波电路1、电路的结构、电路的结构该电路的结构是储能电感该电路的结构是储能电感L与负载与负载R并联，续流二并联，续流二极管极管VD反向串接在储能电感与负载之间。反向串接在储能电感与负载之间。图图5-82、工作原理、工作原理 1）当开关）当开关VT导通时，电源导通时，电源Us经经VT给电感给电感L充电充电储能，电感电压上正下负，此时储能，电感电压上正下负，此时VD被负载电压被负载电压（下正上负）和电感电压反偏，流过（下正上负）和电感电压反偏，流过VT的电流为的电流为iT（
13、=iL），方向如上图），方向如上图a所示。由于此时所示。由于此时VD反偏截反偏截止，电容止，电容C向负载向负载R供能并维持输出电压基本恒定，供能并维持输出电压基本恒定，负载负载R及电容及电容C上的电压极性为上负下正，与电源上的电压极性为上负下正，与电源极性相反；此阶段极性相反；此阶段sLUu 2、工作原理、工作原理 2）当开关）当开关VT关断时，电感关断时，电感L电压极性变反（上负电压极性变反（上负下正），下正），VD正偏导通，电感正偏导通，电感L中的储能通过中的储能通过VD向向负载负载R和电容和电容C释放，放电电流为释放，放电电流为iL，电容，电容C被充电被充电储能，负载储能，负载R也得到电
14、感也得到电感L提供的能量。提供的能量。0UuL图5-10 Buck-Boost变换器工作波形3、基本数量关系、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性有根据电感电压的伏秒平衡特性有在开关在开关VT导通期间，有导通期间，有uL=Us；而在；而在VT截止期间，截止期间，uL=-u0。于是有于是有Uston=U0 toff 输出电压表达式可写成输出电压表达式可写成改变改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。当当 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为降压变换；降压变换；当当 时，斩波器输出电压高于输入电压，此时
15、为时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为升压变换升压变换。2/10 D12/1 DsssUDDUtTtUttU1ononoffon0TTttdtudtudtu 0 on Lon 0 LL05.2.4 Cuk直流斩波电路直流斩波电路1、电路的特点、电路的特点Cuk斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电流连续，脉动成分较小。流连续，脉动成分较小。图图5-112 2、工作原理、工作原理 1）当控制开关）当控制开关VT导通时，电源导通时，电源Us经经
16、L1VT回路给回路给L1充电储充电储能，能，C通过通过CL2RVT回路向负载回路向负载R输出电压，负载电压输出电压，负载电压极性为下正上负。极性为下正上负。2）当控制开关）当控制开关VT截止时，电源截止时，电源Us通过通过L1CVD回路向电回路向电容容C充电，极性为左正右负；充电，极性为左正右负；L2通过通过L2VDRL2回路向回路向负载负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。EDDEtTtEttU1ononoffon0输出可写成输出可写成 5.2.5 H桥式直流斩波电路桥式直流斩波电路1 1、电路的特点、电路的特点 全桥斩波电路有
17、两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开关关VT及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在四象限运行四象限运行。图图5-14 2、工作原理、工作原理 如果变换器同一桥臂的两个开关管如果变换器同一桥臂的两个开关管VT在任一时刻都不同在任一时刻都不同时处于断开状态，则输出电压时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。完全由开关管的状态决定。以负直流母线以负直流母线N为参考点，为参考点，U点的电压点的电压uUN由如下的开关状态由如下的开关状态决定：当决定：当VT1导通时，正的负载电流导通时，正的负
18、载电流io将流过将流过VT1；或当；或当VD1导通时，负的负载电流导通时，负的负载电流io将流过将流过VD1，则，则U点的电压为：点的电压为：uUN=Us 类似地，当类似地，当VT2导通时，负的负载电流导通时，负的负载电流io将流入将流入VT2；或当或当VD2导通时，正的负载电流导通时，正的负载电流io将流过将流过VD2，则，则U点的电点的电压为：压为：uUN=0综上所述，综上所述，uUN仅取决于桥臂仅取决于桥臂U是上半部分导通还是下半部分是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流导通，而与负载电流io的方向无关，因此的方向无关，因此UUN为：为：式中，式中，ton和和toff分别是分别是V
19、T1的导通和断开时间，的导通和断开时间，DVT1是开关管是开关管VT1的占空比。由此可知，的占空比。由此可知，UUN仅取决于输入电压仅取决于输入电压E和和VT1的占的占空比空比DVT1。类似地，。类似地，因此，输出电压因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压也与变换器的输入电压Us、开、开关占空比关占空比DVT1和和DVT3有关，而与负载电流有关，而与负载电流io的大小和方向无关的大小和方向无关如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则输出电压输出电压uo由输出电流由输出电流io的方向决定。这将引起输出电压平均的方
20、向决定。这将引起输出电压平均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同时处于断开的情况发生。时处于断开的情况发生。VT1offonUN0DUTttUUssVT3VNDUUs 3、全桥式变换器有两种、全桥式变换器有两种PWM的控制方式：的控制方式：1）双极性）双极性PWM控制方式控制方式 在该控制方式下，图中的（在该控制方式下，图中的（VT1、VT4）和）和(VT2、VT3)被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。2）单极性）单极性PWM控制方式控制方式 在该控制方式下，
21、每个桥臂的开关管是单独控制的。在该控制方式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。全桥式直流全桥式直流-直流变换器的输出电流即使在负载较小的直流变换器的输出电流即使在负载较小的时候，也没有电流断续现象。时候，也没有电流断续现象。5.3 变压器隔离的直流变压器隔离的直流-直流变换器直流变换器 许多场合要求输入输出间实现电隔离，在基本的许多场合要求输入输出间实现电隔离，在基本的非隔离非隔离DC-DC变换器中加入变压器，就可派生出带隔变换器中加入变压器，就可派生出带隔离变压器的离变压器的DC-DC变换器。在这类变换器中，变压器变换器。在这类变换器中，变压器的作用主要是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。的
22、作用主要是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。应用在应用在DC-DC变换器中的变压器是高频变压器，工作变换器中的变压器是高频变压器，工作原理与其他类型的变压器不同，铁芯必须加气隙。原理与其他类型的变压器不同，铁芯必须加气隙。由于变压器可插在基本变换电路中的不同位置，由于变压器可插在基本变换电路中的不同位置，从而可得到多种形式的变压器隔离的变换器主电路。从而可得到多种形式的变压器隔离的变换器主电路。下面介绍常见的单端正激变换器，反激变换器，半桥下面介绍常见的单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等及全桥式降压变换器等 5.3.1 单端正激变换器单端正激变换器1、电路结构 单端正激变换
23、器由Buck变换器派生而来。下图(a)为Buck变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔离变压器，即可得到图(b)的单端正激变换器。图5-15 单端正激变换器结构2、工作原理、工作原理 1）开关管）开关管VT导通时，工作状态如图导通时，工作状态如图5-16(a)所示，根据图所示，根据图中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流，中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流，VD1导导通，通，VD2截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通导通期间，电
24、感电压期间，电感电压 012LUUNNus图图5-16(a)2、工作原理、工作原理 2）开关管）开关管VT截止时，工作状态如图截止时，工作状态如图5-16(b)所示，所示，变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极管管VD2续流。在开关管续流。在开关管VT断开期间，电感电压为负，断开期间，电感电压为负，电流线性下降。电感电压电流线性下降。电感电压0LUu图图5-16(b)0)()(0012offonstUtUUNNssonUDNNUTtNNU12120)(在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内积分为零。因此由上式可见，单端正激变换器电压增
25、益与开关导通占空比由上式可见，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比成正比，这与成正比，这与BuckBuck变换器类似，不同的是比后者多了一个变变换器类似，不同的是比后者多了一个变压器的变比。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，压器的变比。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压变换器的一些特性。因而具有降压变换器的一些特性。得5.3.2 单端反激变换器1 1、电路结构、电路结构反激变换器电路如图5-17所示。与升-降压变换器相比较，反激变换器用变压器代替了升-降压变换器中的储能电感。这里的变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起储能电感的作用。图5-17 单端反激变换器电路原理
26、图2、工作原理、工作原理 1）当开关管）当开关管VT导通时，导通时，VD1承受反压，此时变承受反压，此时变压器副边相当于开路，原边相当于一个电感。电源压器副边相当于开路，原边相当于一个电感。电源US向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。2）当开关管）当开关管VT截止时，线圈中磁场储能不能突截止时，线圈中磁场储能不能突变，将会在变压器副边产生上正下负的感应电势，变，将会在变压器副边产生上正下负的感应电势，该感应电势使该感应电势使VD1承受正向电压而导通，从而磁场承受正向电压而导通，从而磁场储能转移到负载上。储能转移到负载上。反激变换器电路简单，在
27、小功率场合应用广泛。反激变换器电路简单，在小功率场合应用广泛。缺点是磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁缺点是磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体积较大。芯磁路气隙较大，磁芯体积较大。5.3.3 半桥式隔离的降压变换器半桥式隔离的降压变换器 在正激、反激变换器中，变压器原边通过的是单向脉动在正激、反激变换器中，变压器原边通过的是单向脉动电流，磁场易饱和。半桥和全桥式隔离变换器可克服此缺点。电流，磁场易饱和。半桥和全桥式隔离变换器可克服此缺点。1、电路结构、电路结构 半桥式隔离的降压变换器如图半桥式隔离的降压变换器如图5-19所示，所示，C1、C2为滤波为滤波电容，电容
28、，VD1、VD2为为VT1、VT2的续流二极管，的续流二极管，VD3、VD4为为整流二极管，整流二极管，LC为输出滤波电路。为输出滤波电路。图5-19 半桥式降压变换器2、工作原理、工作原理 滤波电容滤波电容C1、C2上的电压近似直流，且均为上的电压近似直流，且均为Us/2。1）当）当VT1关断、关断、VT2导通时，电源及电容导通时，电源及电容C2上的储能经上的储能经变压器传递到副边。同时，电源经变压器传递到副边。同时，电源经变压器变压器VT2向向C1充电，充电，C1储能增加。储能增加。2）当）当VT1导通、导通、VT2关断时，电源及电容关断时，电源及电容C1上的储能经上的储能经变压器传递到副
29、边，此时，电源经变压器传递到副边，此时，电源经VT1变压器变压器向向C2充电，充电，C2储能增加。储能增加。变压器副边电压经变压器副边电压经VD3及及VD4整流、整流、LC滤波后即得到直流滤波后即得到直流输出电压。通过交替控制输出电压。通过交替控制VT1、VT2的开通与关断，并控制其的开通与关断，并控制其占空比，即可控制输出电压大小。占空比，即可控制输出电压大小。5.3.4 全桥式隔离的降压变换器全桥式隔离的降压变换器常见的全桥式隔离的降压变换器电路如图常见的全桥式隔离的降压变换器电路如图5-20所示。所示。图图5-20 全桥式降压变换器全桥式降压变换器 1）电路的工作原理是：将）电路的工作原
30、理是：将VT1、VT4作为一组，作为一组，VT2、VT3作为另一组，交替控制两组开关关断与导通，即可利用作为另一组，交替控制两组开关关断与导通，即可利用变压器将电源能量传递到副边。变压器副边电压经变压器将电源能量传递到副边。变压器副边电压经VD1及及VD2整流，整流，LC滤波后即得直流输出电压。改变占空比即可控制输滤波后即得直流输出电压。改变占空比即可控制输出电压大小。出电压大小。2）电容）电容C0的作用是防止变压器出现偏磁而设置的，也称的作用是防止变压器出现偏磁而设置的，也称为去偏电容。由于正负半波控制脉冲宽度难以做到绝对相同，为去偏电容。由于正负半波控制脉冲宽度难以做到绝对相同，同时开关器件特性难以完全一致，从而电路工作时流过变压同时开关器件特性难以完全一致，从而电路工作时流过变压器原边的电流正负半波难以完全对称，因此，加上器原边的电流正负半波难以完全对称，因此，加上C0以防止以防止铁芯磁场直流磁化而饱和。铁芯磁场直流磁化而饱和。
