電力電子第8章變流電路的組合

1、第第 8 章變流電路的組合章變流電路的組合8.1 8.1 相控整流電路的串并聯(lián)相控整流電路的串并聯(lián) 8.2 8.2 多重化逆變電路多重化逆變電路 8.3 8.3 級聯(lián)式變流器級聯(lián)式變流器 8.4 8.4 開關(guān)電源開關(guān)電源 小小 結(jié)結(jié) 電磁感應(yīng)定律 （1）在電磁感應(yīng)過程中，感生電流所產(chǎn)生的磁通總是阻止磁通的變化。即在磁通增加時，感生電流所產(chǎn)生的磁通與原來磁通方向相反，削弱原磁通的增長；當(dāng)磁通減小時，感生電流產(chǎn)生的磁通與原來磁通方向相同，阻止原磁通減小。這就是楞次定律。當(dāng)通過線圈的磁通發(fā)生變化時，在線圈兩端就要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。磁通變化越快，感應(yīng)電動勢e就越大。（2）當(dāng)電壓u加在線圈輸入端時，在線

2、圈中產(chǎn)生電流，引起磁芯中磁場變化互感 同名端電流從兩個線圈的同名端流入，磁通是相互加強(qiáng)的；反之磁通互相抵消。線圈N1中電流i1在N2上產(chǎn)生的互感電勢為線圈N2中電流i2在N1上產(chǎn)生的互感電勢為互感磁勢耦合系數(shù) 將互感磁通與總磁通之比稱為耦合度 當(dāng)兩個線圈都有電流流通，通過互感互相影響。無漏感時K=1變壓器空載（次級不接負(fù)載）（1） 假設(shè)初級與次級線圈全耦合K=1 N1的端電壓 （L1:次級開路時的初級電感。） 在時間t時磁芯中磁通和線圈中的電流分別為 變壓器空載（次級不接負(fù)載）（2） 因為全耦合L2:初級開路時的次級電感初級開路時的次級電感。變壓器負(fù)載狀態(tài)如果將次級與負(fù)載接通，在次級線圈中就產(chǎn)

3、如果將次級與負(fù)載接通，在次級線圈中就產(chǎn)生電流生電流i2=u2/Z流經(jīng)負(fù)載。電流流經(jīng)負(fù)載。電流i2在線圈在線圈N2中中產(chǎn)生產(chǎn)生磁勢磁勢i2N2將產(chǎn)生磁通將產(chǎn)生磁通2，與初級，與初級i1N1產(chǎn)產(chǎn)生的磁通生的磁通1的方向相反。為了維持與空載一的方向相反。為了維持與空載一樣的感應(yīng)電勢樣的感應(yīng)電勢e1所需的磁通變化量所需的磁通變化量1t= 1- 2。必須加大輸入電流。必須加大輸入電流i1保持激磁保持激磁磁勢磁勢i1tN1基本不變，即基本不變，即i1tN1=i1N1- i2N2得出得出i1=i1t +i2*N2/N1當(dāng)激磁電感很大時，理想為無窮大，則激磁電流為當(dāng)激磁電感很大時，理想為無窮大，則激磁電流為0

4、。則。則i1=i2*N2/N1負(fù)載電流越大，反射到初級電流就越大負(fù)載電流越大，反射到初級電流就越大理想變壓器等效電路理想變壓器：如果磁芯磁導(dǎo)率u=，激磁電流為零，同時初級與次級線圈全耦合，且線圈電阻為零，也不考慮磁芯損耗和飽和。當(dāng)輸出端有負(fù)載時，輸入電流增加。因此變壓器的等效輸入阻抗i1=i2*N2/N1磁芯的磁滯回線Bs:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Br:剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc:矯頑磁力8.4 8.4 開關(guān)電源開關(guān)電源 8.4.1 8.4.1 帶隔離變壓器的單端變換電路帶隔離變壓器的單端變換電路 由由BuckBuck、BoostBoost、Boost-BuckBoost-Buck和和CukCuk四種四種DC-

5、DCDC-DC變換衍生變換衍生 在基本在基本DC-DCDC-DC變換電路中插入了隔離變壓器，使電源和負(fù)變換電路中插入了隔離變壓器，使電源和負(fù)載之間有電氣隔離，提高變換器運(yùn)行的安全可靠性和電磁兼容載之間有電氣隔離，提高變換器運(yùn)行的安全可靠性和電磁兼容性，適當(dāng)?shù)淖儔罕冗€可以使電源電壓與負(fù)載電壓匹配。性，適當(dāng)?shù)淖儔罕冗€可以使電源電壓與負(fù)載電壓匹配。 帶隔離變壓器的帶隔離變壓器的DC-DC變換電路可分為單端電路（變換電路可分為單端電路（Single End）和雙端電路（）和雙端電路（Double End）兩大類，）兩大類， 單端變換器變壓器磁通只在一個方向上變化，正激和反激單端變換器變壓器磁通只在一個

6、方向上變化，正激和反激電路屬于單端電路，電路屬于單端電路， 雙端變換器變壓器磁通作正反方向變化，半橋和全橋電路雙端變換器變壓器磁通作正反方向變化，半橋和全橋電路屬于雙端電路屬于雙端電路。 一一 單端正激變換器單端正激變換器（Forward ConverterForward Converter） N1原邊繞組、原邊繞組、 N2副邊繞組副邊繞組N3磁通復(fù)位繞組磁通復(fù)位繞組T開關(guān)管作斬波控制開關(guān)管作斬波控制T導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，N1電流電流i1上升上升,變壓變壓器鐵心磁通增加，在副邊繞組器鐵心磁通增加，在副邊繞組N2中感生電勢，使二極管中感生電勢，使二極管D2導(dǎo)導(dǎo)通，通，D3截止，電感電流截止，電感電流

7、iL= i2向向負(fù)載供電。負(fù)載供電。T導(dǎo)通時，因為磁通復(fù)位繞組導(dǎo)通時，因為磁通復(fù)位繞組N3中感生負(fù)電壓，中感生負(fù)電壓，D1截止，截止，N3中沒有電流。中沒有電流。T關(guān)斷時，電感關(guān)斷時，電感L經(jīng)負(fù)載和經(jīng)負(fù)載和D3續(xù)流。電容續(xù)流。電容C用于使輸出電壓用于使輸出電壓U0穩(wěn)定。穩(wěn)定。磁通復(fù)位繞組磁通復(fù)位繞組N3的作用是，因為變壓器原邊只在的作用是，因為變壓器原邊只在T導(dǎo)通時導(dǎo)通時有單方向電流，鐵心的磁化也是單向的，在電流為零時，有單方向電流，鐵心的磁化也是單向的，在電流為零時，鐵心仍有剩磁，當(dāng)下次鐵心仍有剩磁，當(dāng)下次T導(dǎo)通時，變壓器磁通從剩磁開始上導(dǎo)通時，變壓器磁通從剩磁開始上升，在升，在T重復(fù)通斷中

8、，重復(fù)通斷中， 剩磁越積越多，最后導(dǎo)致鐵心飽和，剩磁越積越多，最后導(dǎo)致鐵心飽和，使變壓器勵磁電流迅速增加可以損壞開關(guān)管使變壓器勵磁電流迅速增加可以損壞開關(guān)管T。為了避免鐵。為了避免鐵心的飽和現(xiàn)象，增加了磁通復(fù)位繞組。在心的飽和現(xiàn)象，增加了磁通復(fù)位繞組。在T關(guān)斷時，變壓器關(guān)斷時，變壓器電流下降，磁通下降，在電流下降，磁通下降，在N3中感應(yīng)電動勢為上中感應(yīng)電動勢為上“”，下，下“”，D1導(dǎo)通，產(chǎn)生電流導(dǎo)通，產(chǎn)生電流i3，i3與與i1反方向使鐵心消除剩反方向使鐵心消除剩磁，這過程稱為磁通的復(fù)位，這對單激式變換器是很重要磁，這過程稱為磁通的復(fù)位，這對單激式變換器是很重要的。的。 在在T T導(dǎo)通時（導(dǎo)通

9、時（0 0t tonon）變壓器副邊電壓變壓器副邊電壓 dUNNu122T關(guān)斷時（關(guān)斷時（tonT）, 副邊電壓副邊電壓消磁過程（消磁過程（ tontk ）dUNNu322開關(guān)管開關(guān)管T T承受的峰值電壓為：承受的峰值電壓為： dUNNu311ddddTmUNNNUNNUuUu331311N3N3在在N1N1中感生的電壓為中感生的電壓為單端正激變換器的工作過程如下：單端正激變換器的工作過程如下：T消磁結(jié)束（消磁結(jié)束（t tk kT T ）02uddonDOkUUNNTtUU123Tton12NNk 變換器輸出電壓變換器輸出電壓若取變壓器若取變壓器N3=N1,則正激變換器的最大占空比則正激變換器

10、的最大占空比max0.5,開關(guān)管開關(guān)管T的最大反向電壓為的最大反向電壓為2Ud。式中：式中：調(diào)整匝比輸出電壓調(diào)整匝比輸出電壓UO可以高于可以高于Ud,也可以低也可以低于于 Ud雙開關(guān)正激變換電路雙開關(guān)正激變換電路 T1、T2導(dǎo)通時：電源經(jīng)變壓器向負(fù)載端輸出電流導(dǎo)通時：電源經(jīng)變壓器向負(fù)載端輸出電流T1和和T2關(guān)斷時，電感關(guān)斷時，電感L經(jīng)二極管經(jīng)二極管D3續(xù)流，同時變壓器勵磁續(xù)流，同時變壓器勵磁電流經(jīng)電流經(jīng)D1、D2向電源向電源Ud返回磁能。返回磁能。雙管正激變換器比單管電路多用一個開關(guān)管，但開關(guān)管承雙管正激變換器比單管電路多用一個開關(guān)管，但開關(guān)管承受電源電壓受電源電壓Ud，單管電路低一倍。同時變

11、壓器少了一個磁通，單管電路低一倍。同時變壓器少了一個磁通復(fù)位繞組。復(fù)位繞組。雙開關(guān)正激電路常用在功率較大，電源與負(fù)載之間需要隔離的雙開關(guān)正激電路常用在功率較大，電源與負(fù)載之間需要隔離的DC/DC變換。變換。 二二 單端反激變換器（單端反激變換器（Flyback ConverterFlyback Converter） 電流電流i2有兩種情況有兩種情況211121iLW 12202221WiLW222121NNLLmax12120iNNi開關(guān)開關(guān)T T導(dǎo)通時，電流導(dǎo)通時，電流i1 1上升，上升，鐵心磁通增大，原邊繞組電感鐵心磁通增大，原邊繞組電感L L1 1儲能。儲能。T T關(guān)斷時，原邊電流關(guān)斷時

12、，原邊電流i1 1轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到副邊，即鐵心磁場儲能經(jīng)副邊，即鐵心磁場儲能經(jīng)N N2 2繞組繞組輸出，在轉(zhuǎn)換瞬間電感輸出，在轉(zhuǎn)換瞬間電感L L2 2儲能。儲能。在不考慮繞組電阻和漏感情況下在不考慮繞組電阻和漏感情況下所以所以i2的初始電流為：的初始電流為：電流電流i2有兩種情況有兩種情況（1） 電流連續(xù)時電流連續(xù)時 T1導(dǎo)通前，導(dǎo)通前，i2下降為下降為I10, T1導(dǎo)通時導(dǎo)通時i1從從I10開始增加。開始增加。T1關(guān)斷時，關(guān)斷時，i2從從I20下降。下降。（2） 電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時 T1導(dǎo)通前，導(dǎo)通前，i2已經(jīng)下降為已經(jīng)下降為0, T1導(dǎo)通導(dǎo)通時時i1從從0開始增加。開始增加。電流連續(xù)時電流連

13、續(xù)時（0ton和和tonT），變壓器磁場儲能變化，變壓器磁場儲能變化量應(yīng)該相等，即量應(yīng)該相等，即u2正負(fù)半周面積應(yīng)相等，因此正負(fù)半周面積應(yīng)相等，因此 )9.8(1)(1212120ddononOdononUNNUNNtTtUUNNtUtT單端反激電路是單端反激電路是DC/DC升壓降壓型變換器，升壓降壓型變換器，電路不能電路不能空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行。 開關(guān)管開關(guān)管T1關(guān)斷時，承受的最高正向電壓關(guān)斷時，承受的最高正向電壓VTmax為為Tton式中：占空比式中：占空比？伏秒平衡021maxUNNUVdT三三 變壓器隔離型變壓器隔離型Cuk變換器變換器 電容應(yīng)除以電容應(yīng)除以12NNk 2k2k在在Cuk

14、電路（圖電路（圖4.7a）基礎(chǔ)上）基礎(chǔ)上,將電容將電容C1拆分為拆分為C11、C12兩兩個電容，并在兩電容間插入了隔離變壓器。個電容，并在兩電容間插入了隔離變壓器。與原與原Cuk電路比電路比電感值應(yīng)乘以電感值應(yīng)乘以副邊電流應(yīng)除以變比副邊電流應(yīng)除以變比k。變壓器副邊電壓應(yīng)乘以變壓器變比變壓器副邊電壓應(yīng)乘以變壓器變比8.4.2 8.4.2 雙端雙端DC/AC/DCDC/AC/DC變換電路變換電路 一一 半橋式半橋式DC/AC/DCDC/AC/DC變換電路變換電路 T1、T2和和C1、C2組成半橋式電路，取直流側(cè)串聯(lián)電容組成半橋式電路，取直流側(cè)串聯(lián)電容C1C2 副邊帶中心抽頭的變壓器和副邊帶中心抽頭

15、的變壓器和D3、D4組成單相雙半波整流組成單相雙半波整流變換器輸出電壓變換器輸出電壓兩個開關(guān)管以相同占空兩個開關(guān)管以相同占空比交替通斷，變壓器原邊比交替通斷，變壓器原邊電壓電壓uAB波形如圖波形如圖8.21b。，。，在開關(guān)管導(dǎo)通時，整流輸在開關(guān)管導(dǎo)通時，整流輸出電壓與變壓器變比有關(guān)出電壓與變壓器變比有關(guān)ABouNNu12在電流在電流iL連續(xù)時，連續(xù)時，變換器輸出電壓變換器輸出電壓 為占空比，為占空比，00，故，故D4導(dǎo)通，導(dǎo)通， ip經(jīng)經(jīng)LrT3D4續(xù)流，續(xù)流， ip下降為下降為圖中的圖中的i2段。在段。在t1 t2中因為中因為D4導(dǎo)通，導(dǎo)通，uC40，所以，所以T4能能在零電壓狀態(tài)導(dǎo)通。在零

16、電壓狀態(tài)導(dǎo)通。換流階段換流階段3 3（t2 2t3 3）：）： t2 2時時T T3 3關(guān)斷關(guān)斷, , 并聯(lián)的并聯(lián)的C3C3充電需要一定時間，因此充電需要一定時間，因此T T3 3能在零電能在零電壓狀態(tài)下關(guān)斷。隨壓狀態(tài)下關(guān)斷。隨C C3 3充電，充電，uC3C3升高，升高，B B點(diǎn)電位上升，點(diǎn)電位上升，uAB逐步逐步從從0 0反向增加（圖反向增加（圖8.24c8.24c和圖和圖8.25b8.25b），）， uAB進(jìn)入負(fù)半周。進(jìn)入負(fù)半周。換流階段換流階段4 4（t3 3t4 4t5 5）：）： C3充電電流是等效電感和充電電流是等效電感和Lr的續(xù)流電流，該電流一方面經(jīng)的續(xù)流電流，該電流一方面經(jīng)C

17、3D4Lr給給C3充電，同時還經(jīng)充電，同時還經(jīng)C2CdD4將儲能回饋電將儲能回饋電源，因此源，因此ip繼續(xù)下降為圖繼續(xù)下降為圖8.25b的的i3段。段。 t3時隨時隨C2放電結(jié)束，放電結(jié)束，D2導(dǎo)通，因?qū)?，因此此ip經(jīng)經(jīng)D2和和D4續(xù)流，電流迅速下降續(xù)流，電流迅速下降（ ip i4）。在）。在t4時時ip到到0，T2、T4開始導(dǎo)通，開始導(dǎo)通， ip負(fù)向增加（反向建負(fù)向增加（反向建流），流），Lr反向儲能。在反向儲能。在t4t5間間uABUd, 但但D5和和D6尚在換流中尚在換流中（圖（圖8.25d），），D5和和D6都導(dǎo)通，因都導(dǎo)通，因此此uo=0。在。在t5后，后，D5和和D6換流完換流完

18、畢，（圖畢，（圖8.25c）。）。 8.4.3 8.4.3 開關(guān)電源芯片和應(yīng)用舉例開關(guān)電源芯片和應(yīng)用舉例 帶光電隔離的電壓反饋開關(guān)電源電路帶光電隔離的電壓反饋開關(guān)電源電路 模塊模塊38423842控制的反激型開關(guān)電源控制的反激型開關(guān)電源 8.4.4 8.4.4 直流開關(guān)電源與直流開關(guān)電源與AC/DCAC/DC整流的比較整流的比較 AC-DCAC-DC整流電路與交流電網(wǎng)間采用整流變壓器隔離，整流整流電路與交流電網(wǎng)間采用整流變壓器隔離，整流變壓器工作在工頻變壓器工作在工頻50H50HZ Z，變壓器體積重量都很大，消耗銅，變壓器體積重量都很大，消耗銅鐵材料多。整流器輸出電壓波動較大，輸出直流電壓紋波鐵材料多。整流器輸出電壓波動較大，輸出直流電壓紋波大，含低次諧波，后級濾波器的體積也較大，不利于整機(jī)大，含低次諧波，后級濾波器的體積也較大，不利于整機(jī)設(shè)計的小型輕型化，主要用于中、大容量設(shè)備的整流設(shè)計的小型輕型化，主要用于中、大容量設(shè)備的整流 AC-DC-AC-DCAC-DC-AC-DC結(jié)構(gòu)變換級數(shù)多，但其中間結(jié)構(gòu)變換級數(shù)多，但其中間DC-ACDC-AC變換采變換采用了高頻用了高頻PWMPWM技術(shù)，并插入高頻變壓器作隔離和電壓調(diào)整。技術(shù)，并插入高頻變壓器作隔離和電壓調(diào)整。變壓器的鐵心截面與頻率成反比，高頻變壓器的體積重量變壓器的鐵心截面與頻率成反比，高頻變壓器的體