直流斬波電路

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 第第5章章 直流變換電路直流變換電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 第第5章章 直流變換電路直流變換電路. 引言引言 直流-直流變流電路（DC/DC Converter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 直接直流變流電路 也稱斬波電路（DC Chopper）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。 間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 根據(jù)電路是否具備電能回饋能力、輸出端和

2、輸入端是否電氣隔離以及電路的結(jié)構(gòu)形式等三個原則，可以對電力電子電路進行如圖5-1所示的分類。各種不同的電路有各自不同的特點和應(yīng)用場合?？偟膩碚f，非回饋型比回饋型結(jié)構(gòu)簡單、成本低，絕大多數(shù)應(yīng)用不需開關(guān)電源有回饋能力。非隔離型電路比隔離型電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但大多數(shù)應(yīng)用需要開關(guān)電源的輸出端和輸入端隔離，或需要多組相互隔離輸出，因此隔離電路的應(yīng)用較廣。非隔離型也有不少應(yīng)用，像開關(guān)型穩(wěn)壓器、直流斬波器等。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1 直接斬波電路直接斬波電路5.1.1 降壓（降壓（Buck)型電路型電路5.1.2 升壓（升壓（Boost)型電路型電路5.1.3 升降壓型電路升降壓型電路5.1.4

3、 Cuk型電路型電路5.1.5 Sepic型電路和型電路和Zeta電路電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1 直接直流變換電路直接直流變換電路 引言引言 兩個基本的原理：兩個基本的原理：穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個周期內(nèi)的平均值為0。（在一個周期內(nèi)，電感電流的增量等于電流的減量）穩(wěn)態(tài)條件下，電容電流在一個周期內(nèi)的平均值為0。（在一周期內(nèi)，電容的充放電量相等。）電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 直流變換器的工作原理直流變換器的工作原理工作原理：工作原理：圖中圖中S是可控開關(guān)，是可控開關(guān)，R為為純阻性負載。純阻性負載。 占空比：占空比： T為開關(guān)為開關(guān)S的工作周期，的工作周期，Ton為導(dǎo)通時間，為導(dǎo)通時間

4、，Toff為關(guān)斷時間。占為關(guān)斷時間。占空比空比 則則由波形可知由波形可知輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值為為： onTDT,(1.)onoffTDT TD T001TonOddTUu dtUDUTT電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 輸出電壓平均值的改變： D是01之間變化的系數(shù)，因此在D的變化范圍內(nèi)輸出電壓U0總是小于輸入電壓Ud，改變D值就可以改變輸出電壓的大小。占空比的改變：通過改變Ton 或T都可以實現(xiàn)。 脈沖寬度調(diào)制方式（PWM控制方式）： 周期T不變，通過改變開通時間Ton改變占空比的控制方式。 脈沖頻率調(diào)制方式（PFM控制方式） ： 開通時間Ton不變，通過改變周期T改變占空比的控制方式。

5、 混合調(diào)制方式： 周期T和開通時間Ton都改變來改變占空比的控制方式。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1.1 降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖5-1 降壓斬波電路

6、得原理圖及波形vt=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。vt=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。v通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。v動畫演示。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v電流連續(xù) 負載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比v 電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 負載電流平均值：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 對降壓斬波電路進行解析 基于分時段線性電路這一思想

7、，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。 電流連續(xù)時得出1/10/1111tmTEeEeEImeRReR1/20/1111tmTEeEeEImeRReR式中， ， ， ， ，I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（5-9）和式（5-10）用泰勒級數(shù)近似，可得 1020om EIIIR 平波電抗器L為無窮大，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)RL /電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1.1 降壓型直流變換器（降壓型直流變換器（Buck）電路結(jié)構(gòu)如圖所示:續(xù)流二極管續(xù)流二極管輸入直輸入直

8、流電壓流電壓濾波電感濾波電感濾波電容濾波電容負載負載電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Buck變換器電感電流連續(xù)狀態(tài)時的工作特性： Buck變換器有兩種可能的情況：電感電流連續(xù)模式CCM和電感電流斷續(xù)模式DCM。電感電流連續(xù)是指電感電流在整個周期內(nèi)都存在；而電感電流斷續(xù)是指電感電流在開關(guān)管V阻斷期間后期一段時間內(nèi)，電感電流已降為0。處于這兩種情況的臨界點稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，這時在開關(guān)管阻斷結(jié)束，電感電流剛好結(jié)束。 理想的電力電子變換器 開關(guān)管V和二極管VD從導(dǎo)通變阻斷或從阻斷變導(dǎo)通，過渡時間為0，且通態(tài)壓降為0，斷態(tài)漏電流為0。 在一個周期內(nèi)，輸入電壓Ud保持不變，輸出電壓有很小的紋波，可認為U

9、o保持恒定。 電感和電容均為無損耗的理想儲能元件。 線路阻抗為0。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 兩種開關(guān)狀態(tài)：在一個周期內(nèi)，Ton期間，V導(dǎo)通，VD截止，稱為開關(guān)狀態(tài)1；Toff期間，V阻斷，VD導(dǎo)通，稱為開關(guān)狀態(tài)2. 開關(guān)狀態(tài)1 Ton期間， V導(dǎo)通，VD截止，等效電路見（圖5.2a） 令t=0時，開關(guān)管V導(dǎo)通，電源電壓Ud通過V給負載供電，電感儲能，由于輸出濾波電容兩端的電壓Uo保持不變，所以電感兩端的電壓 uLUdUo保持不變，所以電感電流線性增加，在t =Ton =DT時，iL達到最大值。在此期間， iV iL，也是線性增加的；ic iL Io，也是線性增加的。電感電流的增量為：LLLdo

10、ondiiiLLLUUdttT00ddLonUUUUiTDTLL電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 開關(guān)狀態(tài)2 Toff期間， V截止，VD導(dǎo)通，等效電路（圖5.2b） tTon時，開關(guān)管V阻斷，電感電流不能突變，VD導(dǎo)通為L續(xù)流。電感釋放能量，給負載供電，由于輸出濾波電容兩端的電壓Uo保持不變，所以電感兩端的電壓 uL-Uo保持不變，所以電感電流線性減小，在t =T 時，iL減小到最小值。 此期間， iVD iL，是線性減小的；ic iL Io，也是線性減小的，從ILmax-Io 減小到ILmin-Io 。電感電流的減小量為：當(dāng)tT后，開關(guān)管開通，進入下一個周期。LLLLooffdiiiuLLLUdt

11、tT (1)oLUiD TL電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 結(jié)論：當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感電流得增加和減小量是相等的，由、 可以得到：因為： 所以：因此：Buck直流變換器為降壓型直流變換器 電壓電流基本關(guān)系： 假設(shè)變換器沒有能力損耗，則：從而得到輸入和輸出電流之間的關(guān)系0(1)doLLLUUUiDTiD TiLL odUDU01onTDTodUUddooU IU IdoIDI電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 見圖5.2（c）穩(wěn)態(tài)時，一個開關(guān)周期內(nèi)，C的充放電平均電流相等，所 以負載輸出的平均電流Io 就是iL 的 平均值 ，即：這樣就可以求出電感電流的最大和最小值： 開關(guān)管V和二極管VD的電流幅值與電感電流

12、最大值相等 開關(guān)管V和二極管VD的電壓幅值相等 電容在一個周期內(nèi)的放電電荷為： 輸出電壓的脈動量（脈動峰-峰值)為: maxmin2LLoIIImax11(1) 22oLoLURIIiD TRLmin11(1) 22oLoLURIIiD TRLVVDdUUU12228LLiiTQf2(1)8ooD UQuCLCf電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 2. Buck變換器電感電流斷續(xù)狀態(tài)時的工作特性： 三種開關(guān)狀態(tài) 與電感電流連續(xù)的狀態(tài)時相比，增加了V和VD都截止的第三種工作狀態(tài)。如圖所示： 臨界連續(xù)狀態(tài) 臨界負載電流臨界負載電流當(dāng)實際負載電流 IoIok，電感電流連續(xù)，否則電感電流斷續(xù)。max()(1)(

13、1)1122222dodoOKLLD UUDD UD UIIiLfLfLf電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 3.降壓斬波電路設(shè)計舉例降壓斬波電路設(shè)計舉例（1）設(shè)計指標(biāo)：）設(shè)計指標(biāo)： 輸入電壓：200300V直流 輸出電壓：180V 最大輸出電流：20A 開關(guān)頻率：20kHz 輸出電壓紋波：1V（2）設(shè)計步驟）設(shè)計步驟 首先選擇元件電壓：開關(guān)管、二極管最高電壓： 輸入電壓最大值300V輸出濾波電容電壓： 輸出電壓180V電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 選擇輸出電感紋波電流：開關(guān)管、二極管電流峰值： 電感電流峰值：輸出濾波電容紋波電流： 電感紋波電流：電感電流有效值： 近似等于輸出電流 20A設(shè)計電感：m ax

14、1222LIIIAoAIIo4%20AIIo4%206(1)300(10.6)0.650100.94dUDD TLm HI電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 輸出電容的計算（理想電容）： 輸出電容的計算（考慮電容等效串聯(lián)電阻）：CITCTIUo812221FUITCo2518105048625.041IURoESR電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 初選開關(guān)管為: IGBT APT APT30GT60BR (600V, 30A) 二極管為: IXYS DSEI30-06A (600V, 37A) APT APT30GT60BR主要參數(shù)|正向壓降(30A) 2.2V|正向最大電流(25) 58A|正向最大電流(10

15、0) 30A|結(jié)殼熱阻 0.5K/W IXYS DSEI 30-06A 主要參數(shù)|正向平均電流(85) 37A|正向壓降(37A) 最大1.6V|結(jié)殼熱阻 1K/W 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1.2 升壓型直流變換器（升壓型直流變換器（Boost）典型電路：如下圖所示。輸入直輸入直流電壓流電壓升壓電感升壓電感保持輸出電保持輸出電壓恒定壓恒定負載負載續(xù)流二極管續(xù)流二極管 全控型全控型器件器件。濾波電容濾波電容電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電路結(jié)構(gòu)和升壓原理電路結(jié)構(gòu)和升壓原理 像Buck變換器那樣，在電源和負載之間串接一個通-斷控制的開關(guān)器件，不可能獲得高于電源電壓的直流電壓。為了獲得高于電源電壓

16、的直流輸出電壓，一個簡單而有效的辦法就是利用電感線圈L在其電流減小時所產(chǎn)生的反電動勢。當(dāng)電感電流減小時，反電動勢為正值，與電源一起為負載供電，則負載獲得高于電源的電壓 Boost變換器是輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，電感L在輸入側(cè)，稱為升壓電感。 Boost變換器也有兩種運行模式：電感電流連續(xù)模式CCM和電感電流斷續(xù)模式DCM。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Boost變換器電感電流連續(xù)狀態(tài)時的工作特性： 假設(shè) Boost變換器為理想變換器 兩種開關(guān)狀態(tài) 開關(guān)狀態(tài)1 Ton期間 V導(dǎo)通，VD截止，等效電路為圖3.3（a） 電源電壓加在電感L上，電感電流iL線性增加。 當(dāng)tTon時，電感

17、電流達到最大值iLmax。在V導(dǎo)通期間，電感電流的增量為： 在此期間， 線性增加；電容C為負載供電， LLddiuULdtddLonUUiTD TLLVLiicooiiI 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 開關(guān)狀態(tài)2 Toff期間， V截至，VD導(dǎo)通，等效電路 見（圖圖3.3b） tTon時，開關(guān)管V阻斷，電感電流不能突變，VD導(dǎo)通為L續(xù)流。電感釋放能量，和電源一起給負載供電，由于輸出濾波電容兩端的電壓Uo保持不變，所以電感兩端的電壓 uLUd-Uo保持不變，所以電感電流線性減小，在t =T 時，iL減小到最小值ILmin。 此期間， iVD iL，是線性減小的；ic iL Io，也是線性減小的,從I

18、Lmax-Io 減小到ILmin-Io 。 電感電流的減小量為：當(dāng)tT后，開關(guān)管開通，進入下一個周期。( )LLLdooffidiuUULLdtT (1)odLUUiD TL電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 結(jié)論： 當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感電流得增加和減小量是相等的，由、 可以得到：因為： ， 所以：因此Boost變換器為升壓變換器。(1)dodLLLUUUiDTiD TiLL 1doUUD01onTDTodUU電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 基本電壓電流關(guān)系：基本電壓電流關(guān)系：假設(shè)變換器沒有能力損耗，則： 從而得到輸入和輸出電流之間的關(guān)系開關(guān)管V和二極管VD的電流幅值與電感電流最大值相等開關(guān)管V和二極管VD

19、的電壓幅值相等輸出電壓的脈動峰-峰值 Ton期間，負載電流Io靠電容C放電來供給，uo下降可近似認為放電電流為一常數(shù)。ddooU IU I1odIIDVVDoUUUoonooITDIQuCCCf 見圖5.3（c）電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 2. Boost變換器電感電流斷續(xù)狀態(tài)時的工作特性： 三種開關(guān)狀態(tài) 與電感電流連續(xù)的狀態(tài)時相比，增加了V和VD都截止的第三種工作狀態(tài)。如圖所示： 臨界連續(xù)狀態(tài) 臨界負載電流臨界負載電流當(dāng)實際負載電流 IoIok，電感電流臨界連續(xù)；當(dāng)實際負載電流 IoIok，電感電流斷續(xù)，否則電感電流連續(xù)。max()112222dodOKLLD UD UUIIiLfLf電力電子

20、技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1.3 升降壓型直流變換器升降壓型直流變換器 Buck-Boost變換器典型電路：變換器典型電路：輸入直輸入直流電壓流電壓續(xù)流二極管續(xù)流二極管儲能電感儲能電感 全控型全控型器件器件。保持輸出保持輸出電壓恒定電壓恒定電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 前面講到的Buck變換器只能降壓，Boost變換器只能升壓，而Buck-Boost變換器既能升壓也能降壓。Buck-Boost變換器是在Buck變換器的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個Boost變換器組成的。輸出和輸入電壓反相，也成為反相型直流變換器 和Buck、Boost變換器一樣， Buck-Boost變換器也存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模

21、式。概述概述電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Buck-Boost變換器電感電流連續(xù)狀態(tài)時的工作原理： 假設(shè)：與前述Buck變換器的假設(shè)相同 工作過程有兩種開關(guān)狀態(tài)： 開關(guān)狀態(tài)1 Ton期間 V導(dǎo)通，VD截止，等效電路為圖3.4（a） 電源電壓加在電感L上，電感電流iL線性增加。 當(dāng)tTon時，電感電流達到最大值iLmax。在V導(dǎo)通期間，電感電流的增量為： 在此期間， 線性增加；電容C為負載供電， ( )LLLdonidiuULLdtTddLonUUiTD TLLVLiicooiiI 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 開關(guān)狀態(tài)2 Toff期間， V截至，VD導(dǎo)通，等效電路（圖圖3.4b） tTon時，開關(guān)管V

22、阻斷，電感電流不能突變，VD導(dǎo)通為L續(xù)流。電感釋放能量，給負載供電，由于輸出濾波電容兩端的電壓Uo保持不變，所以電感兩端的電壓 uL-Uo保持不變，所以電感電流線性減小，在t =T 時，iL減小到最小值ILmin。 此期間， iVD iL，是線性減小的；ic iL Io，也是線性減小的,從ILmax-Io 減小到ILmin-Io 。 電感電流的減小量為： 當(dāng)tT后，開關(guān)管開通，進入下一個周期。( )LLLooffidiuULLdtT (1)oLUiD TL電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 結(jié)論： 當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感電流的增加和減小量是相等的，由、 可以得到：因為： 所以：當(dāng)0D0.5時，UoUd，

23、為降壓變換器； 當(dāng)0.5DUd，為升壓變換器。因此Buck-Boost變換器為升降壓變換器。(1)doLLLUUiDTiD TiLL 1doD UUD01onTDT電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Buck-Boost 電路仿真實例電路仿真實例測量測量電路電路觸發(fā)觸發(fā)電路電路示波示波器器測量測量電路電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Buck-Boost 電路仿真輸出波形電路仿真輸出波形正常情況下的波形穩(wěn)態(tài)情況下的波形電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 基本電壓電流關(guān)系：基本電壓電流關(guān)系：假設(shè)變換器沒有能量損耗，則： 從而得到輸入和輸出電流之間的關(guān)系開關(guān)管V和二極管VD的電流幅值與電感電流最大值相等開關(guān)管V和二極管V

24、D的電壓幅值相等電容在一個周期內(nèi)的放電電荷為： 輸出電壓的脈動峰-峰值為：ddooU IU I1odD IIDVVDodUUUUoonoQITID ToocID TUD TQuCCRCooUD TCR u 見圖5.4（c）電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 臨界負載電流臨界負載電流當(dāng)實際負載電流 IoIok，電感電流臨界連續(xù)；當(dāng)實際負載電流 IoIok，電感電流連續(xù)，否則電感電流斷續(xù)。2. Buck-Boost變換器電感電流斷續(xù)狀態(tài) 三種開關(guān)狀態(tài) 與電感電流連續(xù)的狀態(tài)時相比，增加了V和VD都截止的第三種工作狀態(tài)。如圖所示： 臨界連續(xù)狀態(tài)max112222ddOKLLD T UD UIIiLLf電力電子技

25、術(shù)電力電子技術(shù) 5.2.4 Cuk直流變換器直流變換器 Cuk直流變換器典型電路：直流變換器典型電路：L1、L2儲能電感耦合電容快速恢復(fù)續(xù)流二極管濾波電容電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 概述概述1980年，Slobodan.Cuk教授提出了以他的名字命名的直流變換器Cuk直流變換器。 Cuk直流變換器的思路就是在Boost變換器的基礎(chǔ)上串聯(lián)了一個Buck變換器。 Cuk直流變換器儲能電感L1和L2繞在同一磁心上形成變壓器，選擇合適的匝數(shù)比，理論上稱為“零紋波”電壓輸出，是一種具有電壓補償?shù)闹绷髯儞Q器。 Cuk變換器也存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式，但這里指的是二極管VD的電流在Toff是連續(xù)還是斷續(xù)

26、。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Cuk變換器電流連續(xù)的工作原理： 假設(shè)：與前述的Buck變換器假設(shè)相同；另外，由于電容C1足夠大，假定UC1保持不變。 工作過程有兩種開關(guān)狀態(tài)： 開關(guān)狀態(tài)1 Ton期間 V導(dǎo)通，VD截止，等效電路圖5.5（a） 以V為界，形成兩個回路。左回路由電源Ud、L1、V組成；右回路由V、C1、L2、R和C2組成。 左回路：電源電壓加在電感L1上，uL1Ud ，電感電流iL1線性增加。 1( )1111LLLdonidiuULLdtT1( )1dLUD TiL電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 右回路：C1通過V給負載供電，L2儲能，uL2UC1-Uo，電感L2電流線性增加。在此期間，

27、 也是線性增加的； 波形圖見圖5.5（c）2( )22122LLLCoonidiuUULLdtT12( )2()coLUUD TiL12VTLLiii 開關(guān)狀態(tài)2 Toff期間 V阻斷，VD導(dǎo)通，等效電路 圖5.5（b） 以VD為界，形成兩個回路。左回路由電源Ud、L1、C1、VD組成；右回路由VD、C1、L2、R和C2組成。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 右回路：L2通過VD續(xù)流給負載供電，uL2-Uo，電感L2電流線性減小，電流減小量為：在此期間， 也是線性減小的，波形圖見圖5.5（c）1( )11111LLLdCoffidiuUULLdtT 11( )1() (1)CdLUUDTiL2( )2

28、222LLLooffidiuULLdtT 2( )2(1)oLUDTiL12VDLLiii左回路：電源電壓和電感L1一起為C1充電，uL1UdUC1 ，電感電流iL1線性減小，電流減小量為：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 結(jié)論：當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感L1電流的增加和減小量是相等的，由、 可以得到：當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感L1電流的增加和減小量是相等的，由、 可以得到：由上式的： 圖5.5 和Buck-Boost電路一樣，Cuk變換器為升降壓變換器。11( )1( )111() (1)dCdLLLUD TUUDTiiiLL 11dCUUD12( )2( )222()(1)cooLLLUUD TUD Ti

29、iiLL 1oCUD U1odDUUD電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 2. Cuk變換器電流斷續(xù)狀態(tài) 由于電感L1和L2較小，可能儲存的能量在Toff期間釋放完，造成電流斷續(xù)。 臨界連續(xù): 電感L1和L2儲存的能量在Toff結(jié)束時恰好釋放完。 根據(jù)前面所討論的方法，有興趣的同學(xué)自己推導(dǎo)一下臨界負載電流。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Cuk變換器是用電容作為傳輸能量的元件，而前面的三種直流變換器是用電感作為傳輸能量的元件。 Cuk變換器也是一種輸出電壓與輸入電壓極性相反的直流變換器。 Cuk變換器比前面三種復(fù)雜，但它能達到輸入、輸出電流連續(xù)的效果，而且通過將輸入輸出電感耦合，可以“零紋波”，使體積小型化。

30、 Cuk變換器雖然電路拓撲較佳，但并不廣為應(yīng)用，原因是能量轉(zhuǎn)換用的電容需要耐受極大的紋波電流，這種電容成本高，可靠性稍差一些。 說明：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.1.5 Sepic 和和Zeta直流變換器直流變換器Sepic 直流變換器主電路直流變換器主電路Zeta 直流變換器主電路直流變換器主電路典型電路：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Sepic 直流變換器工作特性分析：直流變換器工作特性分析： 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)1 Toff期間 V開通，VD關(guān)斷，等效電路 圖5.6（a) 以V為界，形成了兩個回路：UdL1V回路和C1VL2回路。兩回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能，電感電流線性增加；負載R由電容C

31、2 供電。 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2 Ton期間 V關(guān)斷，VD截止，等效電路圖5.6（b) 以VD為界形成兩個回路，UdL1C1VDRC回路及L2VDRC回路同時導(dǎo)電，此階段Ud和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）；L2通過VD續(xù)流，為負載提供能量。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Sepic直流變換器輸出輸入電壓關(guān)系：穩(wěn)態(tài)時，對于電感兩端的電壓在一個周期內(nèi)平均值為0，可得：)1)(011DUUUDUUCddL210(1)LCUUD UD令上式中的UL10和UL20，消去UC1可得：注：在上式中UC1UddoUDDU1 Sepic電路較復(fù)雜，限制了其使用范圍，具有輸

32、出電壓比輸入電壓可高可低的特點，它可用于要求輸出電壓較低的單相功率因數(shù)校正電路。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Zeta直流變換器工作特性分析：直流變換器工作特性分析： 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)1 Ton期間 V開通，VD關(guān)斷，等效電路 圖5.7（a) 電源Ud經(jīng)開關(guān)管V向電感L1儲能；同時電源和C1一起向負載供電，電感L2儲能，C1放電，電感電流 和 都線性增加。1Li2Li 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2 Toff期間 V阻斷，VD導(dǎo)通，等效電路 圖5.7（b) 電感L1釋放能量經(jīng)VD續(xù)流給C1充電；電感L2釋放能量，經(jīng)VD續(xù)流為負載供電，電感電流 和 都線性減小。1Li2Li電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) Zeta直流

33、變換器輸出輸入電壓關(guān)系：穩(wěn)態(tài)時，對于電感兩端的電壓在一個周期內(nèi)平均值為0，可得：11(1)LdCUUDUD2100()(1)LdCUUUUDUDdoUDDU1令上式中的UL10和UL20，消去UC1可得：注：在上式中UC1UoZeta和Sepic兩種電路相比較，具有相同的輸出輸入關(guān)系。Sepic電路中，電源電流和負載電流均連續(xù)，有利于輸入、輸出濾波；反之Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 六種基本的斬波電路小節(jié)六種基本的斬波電路小節(jié)電路電路特點特點電壓比公式電壓比公式應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域Buck只有降壓，不能升壓，輸出電壓和輸入電壓同極性，輸出電流脈動大，輸入電流脈

34、動小，結(jié)構(gòu)簡單。各種降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。Boost只能升壓，不能降壓，輸出和輸入電壓同極性，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡單。各種升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，升壓型功率因數(shù)校正電路（PFC）Buck - Boost 能升壓，能降壓，輸出和輸入電壓極性相反，輸出輸入電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。反相型開關(guān)穩(wěn)壓器。Cuk能升壓，能降壓，輸出和輸入電壓極性相反，輸出輸入電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對輸入輸出紋波要求高的反相開關(guān)穩(wěn)壓器。Sepic能升壓，能降壓，輸出和輸入電壓同極性，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。升降壓型功率因數(shù)校正電路。Zeta能升壓

35、，能降壓，輸出和輸入電壓同極性，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對輸出紋波要求高的升降壓型功率因數(shù)校正電路。0dUDU011dUUD01dUDUD01dUDUD01dUDUD01dUDUD電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 電流可逆斬波電路 斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。 降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限

36、。 升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) a） 電流可逆斬波電路及波形電路結(jié)構(gòu)和工作過程：V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機再生制動運行，工作于第2象限。必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電

37、路 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。橋式可逆斬波電路 工作過程分析：使V4保持通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限使V2保持通態(tài)時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路基本概念多相多重斬波電路在電源和負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重數(shù)一個控制周期內(nèi)負載電流的脈波數(shù)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 3相3

38、重降壓斬波電路電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成?？傒敵鲭娏鳛?3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。總的輸出電流脈動幅值變得很小 。所需平波電抗器總重量大為減輕?？傒敵鲭娏髯畲竺}動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 當(dāng)上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3 3相相1 1重重斬波電路斬波電路。 而當(dāng)電源為3個獨立電源，向一個負載供電時，則為1 1相相3 3重重斬波電路斬波電路。 多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.3 間接直流變換電

39、路間接直流變換電路5.3.1 正激型電路正激型電路5.3.2 反激型電路反激型電路5.3.3 半橋型電路半橋型電路5.3.4 全橋型電路全橋型電路5.3.5 推挽型電路推挽型電路 5.3.6 高頻整流電路高頻整流電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 隔離型直流變換電路隔離型直流變換電路直流交流直流的變換,也稱間接直流變換電路,同基本的直流斬波電路相比,在電路中增加了交流環(huán)節(jié),也稱直交直電路,主要應(yīng)用于開關(guān)電源等裝置中。電路的典型結(jié)構(gòu)如下圖：高壓（方波）低壓高頻整流低壓大電流高壓電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 采用這種結(jié)構(gòu)的原因：大功率的轉(zhuǎn)換；輸入端和輸出端需要電氣隔離；某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出；輸出

40、電壓和輸入電壓的比例遠大于1或遠小于1；交流環(huán)節(jié)采用較高的頻率，可以減小變壓器和濾波電感的體積和重量。通常工作頻率高于20kHz這一人耳聽覺的極限，以避免變壓器和電感產(chǎn)生刺耳的噪聲。整流電路中，通常采用快恢復(fù)二極管或通態(tài)壓降低的肖特基二極管。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 隔離型直流變換器的分類：隔離型電路隔離型電路單端電路雙端電路正激型電路正激型電路反激型電路反激型電路半橋型電路半橋型電路全橋型電路全橋型電路推挽型電路推挽型電路變壓器中的電流是直流脈動的電流變壓器中的電流是正負對稱的交流電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.3.1 正激型電路正激型電路典型單端正激直流變換器： 如圖 單端 ：變壓器中流過脈

41、動的直流電流； 正激：當(dāng)開關(guān)V導(dǎo)通時，VD1隨即導(dǎo)通； Forword變換器是Buck變換器的拓撲，中間加入了變換器； 變壓器的優(yōu)點：（前面已提到） 變壓器的處理：由于變壓器的勵磁電流和漏感儲能，在V關(guān)斷時，會產(chǎn)生危險的過電壓，需增加一個去磁繞組(或回能繞組）和一個回能二極管。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 正激電路(Forward)的工作過程（見圖5.8）開關(guān)V開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上“+”下“-”負，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上“+”下“-” 。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；V關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD

42、3流回電源，所以V關(guān)斷后承受的電壓為：13(1)ViNuUN電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 磁心復(fù)位過程： 開關(guān)管V開通后，變壓器的勵磁電流從零開始線性增加 ； 開關(guān)管V關(guān)斷后，必須設(shè)法使勵磁電流降到零，否則在下一個周期內(nèi)，勵磁電流的剩余值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開關(guān)周期中累積起來，越變越大，從而導(dǎo)致變壓器的勵磁飽和，勵磁電流迅速增加，最終損壞電路中的開關(guān)元件。因此在V關(guān)斷后，使勵磁電流降到零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。變壓器的繞組W3和二極管VD3組成復(fù)位電路。（見圖5.8） 正激變換器輸出與輸入電壓之間的關(guān)系：21oUNDUiN電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電流斷續(xù)工作狀態(tài)：電路在一個周期內(nèi)有

43、3種工作狀態(tài)，和Buck電路分析類似，在這里不再贅述。除了上述的單端正激型電路之外，正激電路還有其他的形式，例如雙開關(guān)正激型電路，如圖所示：雙開關(guān)正激型電路的工作原理與單開關(guān)正激型電路基本相同。正激電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，廣泛應(yīng)用于功率為數(shù)百瓦數(shù)千瓦的開關(guān)電源中。該電路的缺點是變壓器的工作點僅處于磁化曲線平面的第象限利用率較低。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.3.2 反激電路反激電路V開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加；V關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。反激電路為Boost-Buck電路的拓撲。典型單端反激直流變換器：如圖反激：V

44、開通，VD截止，稱為反激。一次側(cè)儲能，二次側(cè)釋放能量。單端反激直流變換器工作過程分析：（見圖5.9）電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 反激直流變換器也存在兩種狀態(tài)： 如果當(dāng)V開通，繞組W2中的電流尚為下降到零，稱為電流連續(xù)； 如果當(dāng)V截止，繞組W2中的電流已經(jīng)下降到零，即： 稱為電流斷續(xù)。 （見圖5.9） 電流連續(xù)時，輸入和輸出電壓之間的關(guān)系：VDoffTT211oUNDUiND電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.3.3 半橋電路半橋電路典型半橋型直流變換器：如圖S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。

45、電容分壓：C1、C2每個電容上分壓為Ui/2 “雙端”：變壓器流過的是正負相等的交流。工作過程分析：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1或S2導(dǎo)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。見圖（5.10）半橋電路也是Buck電路的拓撲。S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài);電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 輸入輸出電壓關(guān)系：電感電流連續(xù)時：電感電流不連續(xù)時： 輸出電壓將高于上式，在負載為零的極限下 212oiUNDUN 為了避

46、免上下兩個開關(guān)在換流過程中發(fā)生短暫的同時導(dǎo)通現(xiàn)象而損壞開關(guān)，每個開關(guān)管各自的占空比小于0.5。2112oiUNUN電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 典型全橋型直流變換器：如圖 導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。（見圖5.11）當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。全橋電路也是Buck電路的拓撲。全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時同時導(dǎo)通，同一

47、側(cè)半橋上下兩開關(guān)5.3.4 全橋電路全橋電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 輸出輸入電壓的關(guān)系： 電感電流連續(xù)時 電感電流斷續(xù)時，輸出電壓高于上式，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限下，有212oiUNDUN21oiUNUN電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 5.3.5 推挽電路推挽電路S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。推挽電路也是Buck電路的拓撲。見（圖5.12）典型推挽直流變換器：如圖推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 輸出輸入電壓間的關(guān)系：電感電流連續(xù)時：電感電流不連續(xù)時：并隨負載減小而升高，在負載為零的極限下，有212oiUNDUN21oiUNUN電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 各種不同的間接直流變流電路的比較各種不同的間接直流變流電路的比較電路優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡單，成本