第5章 直流-直流變流電路

5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4

Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路■直流-直流變流電路（DC/DCConverter）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（DCChopper）。◆功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電?！粢话闶侵钢苯訉⒅绷麟娮?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離?！鲩g接直流變流電路◆在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)?！粼诮涣鳝h(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直—交—直電路。斬波器的種類很多，具體結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化。一般將斬波電路分為降壓斬波電路、升壓斬波電路、降壓-升壓斬波電路、升壓-降壓斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路六種形式。斬波器的電能變換功能是由電力電子器件的通/斷控制實(shí)現(xiàn)的。用于斬波器的電力電子器件可以是晶閘管，也可以是IGBT等全控器件。由于晶閘管沒有自關(guān)斷能力，采用晶閘管構(gòu)成斬波電路時(shí)，必須設(shè)置專門的強(qiáng)迫換流電路來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，因此電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而全控制型器件具有自關(guān)斷能力，通過控制電路即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷的控制，故由全控型器件構(gòu)成的斬波器主電路的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。圖5.1基本的降壓斬波電路及其波形最基本的斬波電路如圖所示，斬波器負(fù)載為R。開關(guān)S閉合時(shí)：開關(guān)S斷開時(shí)：開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比定義為斬波器的占空比：在斬波電路中，輸入電壓是固定不變的，通過調(diào)節(jié)開關(guān)的開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間，即調(diào)節(jié)占空比，即可控制輸出電壓的平均值。斬波器的控制方式通常有三種：①脈寬調(diào)制控制方式：維持T不變，改變ton。②頻率調(diào)制控制方式：維持ton不變，改變T。③混合調(diào)制控制方式：ton和T都可調(diào)，使占空比改變。普遍采用的是脈寬調(diào)制控制方式。因?yàn)轭l率調(diào)制控制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計(jì)也比較困難。5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路1.電路結(jié)構(gòu)降壓斬波器（Buck）主電路在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，在ton導(dǎo)通期間內(nèi)，電感L中有電流通過，電流按指數(shù)曲線緩慢上升，t=t1時(shí)刻，V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)續(xù)流管VD續(xù)流，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。回路串接電感的大小直接關(guān)系到負(fù)載電流連續(xù)與否，下面對(duì)負(fù)載電流連續(xù)工作模式進(jìn)行討論。2.工作原理假設(shè)V、VD均為理想開關(guān)元件，并設(shè)V的一個(gè)控制周期為T。連續(xù)導(dǎo)電模式當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，電源電壓給負(fù)載供電，持續(xù)時(shí)間為ton；當(dāng)回路電感足夠大時(shí)，流過電感的電流是連續(xù)的，即不論開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)還是處于關(guān)斷狀態(tài)，始終有iL>0。當(dāng)V斷開時(shí)，負(fù)載電壓為零，持續(xù)時(shí)間為toff。3.電路波形4.數(shù)量關(guān)系⑴由“伏秒積為零”求Uo式中：ton—為V處于通態(tài)的時(shí)間；

toff—為V處于斷態(tài)的時(shí)間；

T—為開關(guān)周期；

—為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓與開關(guān)的占空比呈線性關(guān)系，而與其他電路參數(shù)無關(guān)。改變占空比α，就可得到從零到E之間連續(xù)可調(diào)的輸出電壓。√負(fù)載電流平均值為?電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。⑵假設(shè)電路無損耗，則輸入功率等于輸出功率，即：■例5-1在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值極大，Em=30V，T=50μs，ton=20s，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為輸出電流平均值為5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路1.電路結(jié)構(gòu)升壓斬波器（Boost）主電路2.工作原理升壓型斬波器用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實(shí)現(xiàn)能量從低壓向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞，如電池供電設(shè)備中的升壓電路、液晶背光電源等。當(dāng)開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，二極管承受反壓而截止。此時(shí)可將電路分為兩部分。第一部分由E、L、V組成，電感L儲(chǔ)存能量，流經(jīng)L、V的電流逐漸增大，電源的能量轉(zhuǎn)化為電感L中的磁場(chǎng)能量。第二部分由C、Z組成，C放電供給負(fù)載能量，負(fù)載兩端電壓逐漸降低。當(dāng)V斷開時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，電感儲(chǔ)能和電源一起經(jīng)二極管給電容充電，同時(shí)也向負(fù)載提供能量，電感電流iL逐漸減小。3.電路波形4.數(shù)量關(guān)系連續(xù)導(dǎo)電模式輸入輸出電壓關(guān)系：輸出電壓值高于電源電壓，因此稱該電路為升壓斬波電路，當(dāng)α從零趨向于1變化時(shí)，輸出電壓從E變化到無窮大，但受實(shí)際電器元件參數(shù)的影響，α不可能過大，有一定的取值范圍。⑵假設(shè)電路無損耗，則輸出功率等于輸入功率:■例5-3在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40s，ton=25s時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：輸出電流平均值為：5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路1.Buck-Boost斬波電路升降壓斬波電路的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓值，這種電源具有一個(gè)相對(duì)于輸入電壓公共端為負(fù)極性的輸出電壓。升降壓電路可以靈活改變電壓的高低，還能改變電壓的極性，因此常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的設(shè)備和各種開關(guān)穩(wěn)壓器等。Buck-Boost斬波電路

◆工作原理?V導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1，同時(shí)C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。?V關(guān)斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。

◆電路波形◆基本的數(shù)量關(guān)系?穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-Uo。于是：所以輸出電壓為：改變導(dǎo)通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時(shí)，則輸出功率和輸入功率相等，即則：Cuk斬波電路2.Cuk斬波電路Cuk電路的特點(diǎn)與升降壓電路相似，因此也常用于相同的場(chǎng)合。該電路一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出回路中都有電感，因此輸出電流紋波較小，從輸入電源吸取的電流紋波也較小，在某些對(duì)這些問題有特殊要求的場(chǎng)合應(yīng)用比較適合。Cuk斬波電路是將升壓與降壓斬波電路串接而成的，L1和L2為儲(chǔ)能電感，C1是耦合電容。Cuk斬波電路當(dāng)斬波開關(guān)V導(dǎo)通時(shí)，電感L1儲(chǔ)能，電容C1上的電壓使二極管VD反偏截止，電容C1向負(fù)載和L2提供能量，負(fù)載獲得反極性的能量。斬波開關(guān)V斷開時(shí)，電感L1的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)改變方向，電源和電感L1聯(lián)合對(duì)電容C1充電，二極管VD正偏而導(dǎo)通，在此期間L2經(jīng)VD向負(fù)載釋放能量。Cuk斬波電路■Cuk斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系⑴對(duì)L1、L2分別使用“伏秒積分為零”可得：⑵由電路無損可得：與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4

Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4

Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Sepic斬波電路圖5-6a)Sepic斬波電路

◆工作原理?V導(dǎo)通時(shí)，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。?V關(guān)斷時(shí)，E—L1—C1—VD—負(fù)載回路及L2—VD—負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移）?！糨斎胼敵鲫P(guān)系■Zeta斬波電路圖5-6bZeta斬波電路

◆工作原理?V導(dǎo)通時(shí)，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。?V關(guān)斷時(shí)，L1－VD－C1構(gòu)成振蕩回路，L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。◆輸入輸出關(guān)系為■兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負(fù)載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路5.3.1

正激電路5.3.2反激電路圖5-10間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)■同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直—交—直電路。■采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流—直流的變換有以下原因

◆輸出端與輸入端需要隔離。

◆某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。

◆輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1?！艚涣鳝h(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量?！鲩g接直流變流電路分為單端(SingleEnd)和雙端(DoubleEnd)電路兩大類，在單端電路中，變壓器中流過的是直流脈動(dòng)電流，而雙端電路中，變壓器中的電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流，正激電路和反激電路屬于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。

SuSiLiSOttttUiOOO圖5-11正激電路的原理圖圖5-12正激電路的理想化波形■正激電路(Forward)

◆工作過程

?開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)。

?S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為:

BRBSBHO圖5-13磁心復(fù)位過程◆變壓器的磁心復(fù)位

?開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。

?必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。?變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間為◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，在負(fù)載為零的極限情況下

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