电力电子资料第五章

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1、第五章 直流斩波电路,1、定义： 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。 2、分类： 按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。 按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。 3、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。,第一节 直流斩波的工作原理,工作原

2、理：图中T是可控开关，R为纯阻性 负载。当开关T接通时，电流经负载电阻R流 过，R两端就有电压；开关T断开时，R中电流 为零，电压也变为零。 电路中开关的占空比 TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。 由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。 占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。,直流变换电路的常用工作方式主要有两种： 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持ton不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的

3、，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。 脉宽调制(PWM)工作方式： 即维持TS不变，ton改变。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。,第二节 直流斩波器基本电路,一、降压（Buck）变换电路,续流二极管,全控型电力器件,输入直流电压,滤波电感,滤波电容,负载,导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图 (b)所示 ； 关断期间（toff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如 (c)所示； 由波形图(b)可以计算出输出电压的平均

4、值为：,忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：,电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和 电容C的数值。,Buck变换器的可能运行情况：,电感电流连续模式,电感电流临界 连续状态,电感电流断流模式,二、升压（Boost）变换电路,1) 定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。,全控型电力器件开关,储能,保持输出电压,2）原理图,3）工作原理： ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载R提 供能量。 可得： 式中占空比D=ton/T

5、S，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在 0D1的变化范围内 UoUin, T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。 T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C充电。,总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:,三、升降压（Buck-Boost）变换电路,1) 概述： 升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。,2）工作原理： ton期间，二极管D反

6、偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。, toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和R反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。,在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量， 得：,由 的关系，求出输出电压的 平均值为：,上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5Ud，为升压变换；当0D0.5时，U0Ud，为降压变换。,四、库克（Cuk）变换电路,1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。 2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要

7、求。,L1、L2储能电感,耦合电容,快速恢复续流二极管,滤波电容,晶闸管关断,晶闸管开通,1） Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管D的电流连续或断流。 2）工作情况 电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电 流总是大于零。 电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周期TS的开通时刻二极管电流正好降为零。,五 、 带隔离变压器的直流变换器,1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。 2）选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与

8、负载所需的输出电压Uo ，能使直流变换器的占空比D数值适中而不至于接近于零或接近于l。 3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。,1、引入变压器作用：,1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化； 2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载； 3）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；,2、分类：,1. 反激式变换器,一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5。,反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压UO为：,变换器的输出电压为：,该电路的占空比D不能超过0.5。

9、,2 .正激式变换器,3 .推挽式变换器（属正激式变换器）,其工作占空比必须保持小于0.5。,4 .半桥式变换器,5 .全桥变换电路,将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关管，并配上适当的驱动器，即可组成图3.6.5所示的全桥电路。,PWM(Pulse Width Modulation)控制 脉冲宽度调制技术， 通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，来等效地获得所需要波形 （含形状和幅值）。 脉宽调制(PWM)是利用微处理 器的数字输出来对模拟电路进行控 制的一种非常有效的技术，广泛应 用在从测量、通信到功率控制与变 换的许多领域中。 面积等效原理：,第三节 PWM控制技术,一、直流PW

10、M控制的基本原理,1）PWM波形：将一个直流电压分成N等份，并把每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，得到的脉冲列； 2）调制方法：等腰三角波上下宽度 与高度成线性关系且左右对称，当 它与任何一个光滑曲线相交时， 即得到一组等幅而脉冲宽度 正比该曲线函数值的矩形脉冲。,调制信号,载波,3）直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如果这些脉冲的频率不变而宽度变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流电压。 调节直流调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲的宽度。,图3.7.1 PWM波形,调制信号,载波,1 、双极

11、性电压开关PWM控制方式,开关原理： 直流控制电压与三角波电压比较产生两组开关的PWM控制信号: 1)当uruc时，T1和T4导通，T2和T3关断； 2)当uruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。,ur,uc,输出电压的平均值为：,变换电路的输出电压可在 -Ud到+Ud之间变化: 1） 时，U0=0； 2） 时，U00；,ur,uc,1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。 3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能量，在I00时，U0向Ud传

12、输能量。,总结：,电路在工作过程中，保持T4导通，T3关断。 1）若 ，T1触发导通，T2 关断,u0=Ud； 2) 若 ，T2触发导通，T1关断，u0=0。,2 、单极性电压开关PWM控制方式,平均输出电压U0的表达式为:,D1是开关T1的占空比，Ucm是三角波的峰值，k=Ud/Ucm是比例系数。这个公式表明，在单极性电压开关PWM控制方式中，输出电压平均值U0随控制电压ur线性变化。不管输出电流I00或I00，U0始终为正值。,第四节 软开关技术,一、 软开关的基本概念 1 软开关及其特点 2 软开关的分类 二、 基本的软开关电路 1 准谐振变换电路 2 零开关PWM变换电路 3 零转换P

13、WM变换电路,概述,电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。,1、硬开关：,2）特点： 不存在电压和电流的交迭。 降低开关损耗、开关噪声。提高开关频率。,1. 软开关及其特点,2）特点： 开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。 产生较大的开关损耗和开关噪声。,2、软开关：,1）定义： 开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。,1）定义： 开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通） ，在其电流不 为零时

14、关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。,图6.1.1 Buck直流变换电路的硬开关特性,硬开关（开关过程）,其中：开关管T开通和关断时存在电压和电流的交迭，即开通时T两端电压uT很大，关断时流过T中的电流iT很大，从而产生较大的开关损耗和开关噪声。,软开关过程（开关过程）,1）器件开通：器件两端电压uT首先下降为零，然后施加驱动信号ug，器件的电流iT才开始上升； 2）器件关断：通过某种控制方式使器件中电流iT下降为零后，撤除驱动信号ug ，电压uT才开始上升。,图6.1.2 软开关特性,1、理想软开关：,2、实际软开关:,1）器件开通：对开关管施加驱动信号，电流上升的开通过程中，电压不

15、大且迅速下降为零。 2）器件关断：撤除驱动信号，电流下降的关断过程中，电压不大且上升很缓慢。,(图6.1.2 b),(图6.1.2 a ),2、根据软开关技术发展的历程软开关电路 可分为： 1）准谐振变换电路 2）零开关PWM变换电路 3）零转换PWM变换电路,1、根据开关元件开通和关断时电压电流状态， 适应于 DC/DC和DC/AC变换器的软开关技术 大体上可分为两类： 1）零电压开关（ZVS） 2）零电流开关（ZCS）,2. 基本的软开关电路,1、 准谐振变换电路,1）零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC） 2）零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC） 3）零电压多谐振开关电路（ZV

16、S MRC）,2、 零开关PWM变换电路,1）零电压（开通）开关PWM变换电路（ZVS PWM） 2）零电流（关断）开关PWM变换电路（ZCS PWM）,3、零转换PWM变换电路,1）零电流转换开关PWM变换电路（ZCT PWM） 2）零电压转换开关PWM变换电路（ZVT PWM）,3）准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此 称之为准谐振。,2）准谐振变换电路中谐振周期随输入电压、负载变化 而改变，只能采用脉冲频率调制(PFM)调控输出电 压和输出功率，即调频方式。,1） 变换电路中谐振元件只参与能量变换的某一阶段而 不是全过程，且只能改善变换电路中一个开关元件 （如开关管T或二极管D）的开关特性，,电路特点：,图6.2.1 以DC/DC降压变换电路为例的零电压开通准谐 振变换电路（ZVS QRC),开关管T与谐振电容Cr并联，谐振电感Lr与T串联，如果滤波电感Lf足够大，则输出负载电流为恒定值I。,假定t0,T处于通态，iT=iL=I0，uT=ucr