直流-直流变换电路

由此可以得出输出电压U0与输人电压E的关系为

t on t on I1 D U0 E E E E I2 t off T t on 1 D
全相同。
可见，Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完
5.2.5全桥式直流斩波电路 1、电路的特点

全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开 关VT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 。
5.1、直流斩波器的工作原理和分类
5.1.1 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S可以是各种全控型
电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当 开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开 时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管 VD续流，负载RL两端的电压接近于零。
L
+
E
VT
VD1 C
RL
-
U0
E
VD3
N1
N2
VD2
L
+
+
C
RL
U0
U2
DW
图5-7
正激变换器原理图
-
VD1
图5-8 VT 能量消耗法磁场复位的正激变换器原理图
-
2、工作原理
在上述图5-8中， 1）开关管VT导通时，有 U 2 ( N 2 N1 ) E，电源能量经变压器 传递到负载侧。 2）VT截止时，变压器原边电流经VD3和DW续流，磁场能量消 耗在稳压管上。VT承受的最高电压为 E+UDW，UDW为DW的稳压值。 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。
t on t on D U E E E 0 输出电压表达式可写成 t off T t on 1 D
改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。 当 0 D 1 / 2 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为
于是有Eton=U0 toff
降压变换；
当 1/ 2
第5章 直流-直流变换电路
机械工业出版社
本章要点
直流斩波电路的基本结构和分类； 单象限直流斩波器（降压式、升压式、升-降压式、
Cuk电路）的基本电路结构、工作原理和波形；
全桥式斩波电路的基本结构和工作原理 变压器隔离的斩波电路的基本结构和工作原理 软开关的基本概念。
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
决定：当 VT1 导通时，正的负载电流 io 将流过 VT1 ；或当
VD1导通时，负的负载电流 io 将流过 VD1，则 U点的电压为：
uUN=E
类似地，当 VT2 导通时，负的负载电流 io 将流入 VT2 ； 或当VD2导通时，正的负载电流 io将流过 VD2，则 U点的电
压为：uUN=0
综上所述，uUN仅取决于桥臂U是上半部分导通还是下半部分 导通，而与负载电流io的方向无关，因此UUN为：
VD转为正偏，电感L与电源E叠加共同向电容 C充电，向负 载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感L释放 的能量可以表示为 (U E) I t 。
o 1 off
3、基本数量关系
当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的
能量相等，即

EI1ton = (U o E) I1toff
1、电路的结构
该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二极管VD反
向串接在储能电感与负载之间。
i1
VT
i2
VD
i1
iL
+
E
uL
u
C
u0
ton
toff
IL
0 i2
L
C
+
R
+
t t
(a) 6-4
IL
0 (b)
图5-4
2、工作原理
1）当开关VT导通时，电源E经VT给电感L充电储能，电
感电压上正下负，此时VD被负载电压（下正上负）和电感 电压反偏，流过VT的电流为i1（=iL），方向如上图a所示。 由于此时VD反偏截止，电容C向负载R供能并维持输出电 压基本恒定，负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与 电源极性相反；
U UN Et o n 0 to ff EDV T1 T
式中，ton和toff分别是VT1的导通和断开时间，DVT1 是开关管
VT1的占空比。由此可知，UUN仅取决于输入电压E和VT1的占 空比DVT1。类似地， U VN EDVT3
因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压E、开 关占空比DVT1和DVT3有关，而与负载电流io的大小和方向无关
电压E不变时，输出电压Uo随占空比D的线性变化而线性改
变，而与电路其他参数无关。
5.2.2 升压式直流斩波电路
1、电路的结构
斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接
uL
L E
VD
i0
VT
iGE
i1
u0
0
t
I1
C
R
i0
0
6-3 图5-3
t
2、工作原理
1 ）当 VT 导通时，电源 E 向串在回路中的电感 L 充电，电感
流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通 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，通过改变占空比D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(Chopper)。直流变换 技术被广泛应用于可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流 电机的调速控制。 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。强迫换流电 路需要较大的换流电容等，造成了线路的复杂化和成本的提 高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断 能力的器件作为开关器件。
3、基本数量关系
稳态时，电容C在一个周期内的平均电流为零，即
T
i
0
C
dt 0
设电源电流i1的平均值为I1，负载电流i2的平均值为I2，开关S
接通B点时相当于VT导通，如果导通时间为ton，则电容电流 和时间的乘积为I2 ton；开关S接通A点时相当于VT关断，如 果关断时间为toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由电容
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uo由输出电流io的方向决定。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 管同时处于断开的情况发生。
3、全桥式变换器有两种PWM的控制方式：
1）双极性PWM控制方式
在该控制方式下，图中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)
2）在开关管VT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 iL 经二极管 VD 续
流，uL= -uo，电感L向负载供电，电感L的储能逐
步消耗在R上，电流iL下降。如上图(b)所示。
3、基本数量关系
在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的，电感电压在
一个周期内的积分为0，即
id VT 1 VD3 VT 3 i0
u0 ( uUN uVN )
直流电动机负载
VD1
Ra
图5-6
E
U
u UN
VT4 VT2
+
La
V
+
uVN VD4
-
-+
ea
N
VD2
ห้องสมุดไป่ตู้ 2、工作原理
如果变换器同一桥臂的两个开关管VT在任一时刻都不同
时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。 以负直流母线N为参考点，U点的电压uUN由如下的开关状态
C在一个周期内的平均电流为零的原理可写出表达式

I 2ton I1toff
t on t on I1 D U0 E E E E I2 t off T t on 1 D
从而可得
忽略Cuk斩波电路内部元件L1、L2、C和VT的损耗，根据
上图等效电路，可得到：电源输出的电能EI1等于负载上 得到的电能U0I2，即 EI1 U 0 I 2 。
5.2、直流斩波器
5.2.1、降压式直流斩波电路 1、电路的结构
电路中的 VT采用 IGBT； VD起续流作用，在VT关断时为
电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电 容，R为负载；E为输入直流电压，U0为输出直流电压。
+
VT
UL
L
-
iL
ug
i0
t on
+
iD
u0
0
UL
E U0
1、电路结构
在降压变换器中，将变压器插在 VT管的右侧 -VD 管的左侧位 置，即得下图所示的正激变换器。由于变压器原边流过单向脉 动电流，铁芯易饱和，须采取防饱和措施，即使变压器铁芯磁 场周期性复位。另外，开关器件位置可稍作变动，使其发射极 与电源相连接，便于设计控制电路。右图是采用能量消耗法磁 场复位方案的正激变换器。N1、N2分别为原、副边绕组匝数。
由上式可求出负载电压U0的表达式，即

t on t off T U0 = E E t off t off
由斩波电路的工作原理可看出，周期T ≥ toff，或T / toff≥1，故
负载上的输出电压U0高于电路输入电压E，该变换电路称为 升压式斩波电路。
5.2.3 升降压式直流斩波电路
2）当开关VT关断时，电感L电压极性变反（上负下正），
VD正偏导通，电感L中的储能通过VD向负载R和电容C释