第2章 PWM直流變換電路

1、1 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 單象限降壓型電路單象限降壓型電路 2.3 2.3 2.8 2.8 其它電路簡(jiǎn)介其它電路簡(jiǎn)介 第第2 2章章 PWMPWM直流變換電路直流變換電路22.1 2.1 概述概述 2.1.1 2.1.1 電力電子電路的分類電力電子電路的分類 2.1.2 2.1.2 直流變換電路的分類直流變換電路的分類 2.1.3 2.1.3 直流變換電路的基本用途直流變換電路的基本用途2.1.1 電力電子電路的分類電力電子電路的分類電力電子電路電力電子電路按電路作用按電路作用功率電路（主電路）功率電路（主電路）控制電路控制電路按變換功能按變換功能直流變換電路直流變換電路交

2、流變換電路交流變換電路整流電路整流電路逆變電路逆變電路按變換級(jí)數(shù)按變換級(jí)數(shù)按控制方式按控制方式按開關(guān)環(huán)境按開關(guān)環(huán)境按電能流傳方向按電能流傳方向直接變換電路直接變換電路間接變換電路間接變換電路相控式電路相控式電路頻控式電路頻控式電路斬控式電路斬控式電路組合式電路組合式電路軟開關(guān)電路軟開關(guān)電路硬開關(guān)電路硬開關(guān)電路單向電路單向電路雙向電路雙向電路2.1.2 直流變換電路的分類直流變換電路的分類直流變換電路直流變換電路按輸入輸出電壓按輸入輸出電壓降壓電路降壓電路升壓電路升壓電路升升/降壓電路降壓電路按工作范圍按工作范圍按控制方式按控制方式按變換級(jí)數(shù)按變換級(jí)數(shù)按電路構(gòu)成按電路構(gòu)成電流雙象限電流雙象限電壓

3、雙象限電壓雙象限單象限電路單象限電路雙象限電路雙象限電路四象限電路四象限電路脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWMPWM）脈沖頻率調(diào)制（脈沖頻率調(diào)制（PFMPFM）混合調(diào)制混合調(diào)制直接式電路直接式電路間接式電路間接式電路基本電路基本電路組合電路組合電路按入端濾波按入端濾波電壓源電路電壓源電路電流源電路電流源電路52.1.3 直流變換電路的基本用途直流變換電路的基本用途直流變換電路可用于構(gòu)成直流調(diào)速電源和開關(guān)電源等。傳統(tǒng)的直流調(diào)速電源由相控式整流電路構(gòu)成，但存在傳統(tǒng)的直流調(diào)速電源由相控式整流電路構(gòu)成，但存在 深控下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，功率密度低和系統(tǒng)快速性差深控下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，功率密度低和系統(tǒng)快速性差

4、等缺點(diǎn)。等缺點(diǎn)。PWMPWM直流變換電路能夠克服相控電路存在直流變換電路能夠克服相控電路存在 的缺點(diǎn)。因而更適合于車輛電力傳動(dòng)和各種伺服系統(tǒng)。的缺點(diǎn)。因而更適合于車輛電力傳動(dòng)和各種伺服系統(tǒng)。 小容量直流穩(wěn)壓電源的傳統(tǒng)形式是串聯(lián)線性型電源。小容量直流穩(wěn)壓電源的傳統(tǒng)形式是串聯(lián)線性型電源。 這種電源存在效率低，體積大和可靠性差等缺點(diǎn)。由這種電源存在效率低，體積大和可靠性差等缺點(diǎn)。由 于采用開關(guān)頻率較高的斬控開關(guān)方式，直流變換電路于采用開關(guān)頻率較高的斬控開關(guān)方式，直流變換電路 能克服傳統(tǒng)電源的缺點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用的新型開關(guān)式能克服傳統(tǒng)電源的缺點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用的新型開關(guān)式 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源( (簡(jiǎn)

5、稱開關(guān)電源簡(jiǎn)稱開關(guān)電源) )。62.2 2.2 單象限降壓（單象限降壓（BuckBuck）型電路）型電路 2.2.1 2.2.1 電路外特性分析電路外特性分析 2.2.2 2.2.2 輸出濾波電路的參數(shù)選擇輸出濾波電路的參數(shù)選擇 2.2.3 PWM 2.2.3 PWM控制電路控制電路72.2.1 電路外特性分析電路外特性分析圖2-1單象限降壓型電路a)電路結(jié)構(gòu)b)等效電路c)CCM下的電量波形d)DCM下的電量波形e)帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載82.2.1 電路外特性分析電路外特性分析1 1、基本假設(shè)、基本假設(shè) 1 1）電路中所有器件）電路中所有器件( (包括全控型器件包括全控型器件VTVT和二極管和二

6、極管VDVD，圖中，圖中VT VT 符號(hào)將代表電力符號(hào)將代表電力MOSFETMOSFET、IGBTIGBT和和GTRGTR等全控型器件等全控型器件) )均無慣性，因均無慣性，因而開關(guān)狀態(tài)的更迭均瞬間完成，也即圖而開關(guān)狀態(tài)的更迭均瞬間完成，也即圖2-1b2-1b中等效開關(guān)中等效開關(guān)S S位置的轉(zhuǎn)位置的轉(zhuǎn)換不需要時(shí)間。換不需要時(shí)間。 2 2）VTVT和和VDVD導(dǎo)通內(nèi)阻同導(dǎo)通內(nèi)阻同為為r ronon，濾波電感直流內(nèi)阻，濾波電感直流內(nèi)阻r rL L ，圖，圖2-1a2-1a等效直流內(nèi)阻等效直流內(nèi)阻r ro o = = r ronon + + r rL L 。 3 3）直流電源無紋波（）直流電源無紋波

7、（C Cd d足夠大），足夠大），u ud d U Ud d，直流母線的分布，直流母線的分布電感電感LsLs=0=0。 4 4）輸出濾波電感）輸出濾波電感LoLo足夠大，電感電流足夠大，電感電流i iL L近似于線性升降；輸近似于線性升降；輸出濾波電容出濾波電容CoCo足夠大，無源負(fù)載電壓足夠大，無源負(fù)載電壓u u1 1無紋波，即無紋波，即u u1 1 = =U U1 1。92.2.1 電路外特性分析電路外特性分析圖2-2降壓型電路的開環(huán)外特性實(shí)線為實(shí)線為r ro o =0情況 ； 點(diǎn)畫線為點(diǎn)畫線為r ro o 0情況；虛線為CCM與DCM分界線102.2.1 電路外特性分析電路外特性分析2

8、2、電流連續(xù)狀態(tài)（、電流連續(xù)狀態(tài)（CCMContinuous Current ModeCCMContinuous Current Mode）下的外特性分析）下的外特性分析 t=ton時(shí)控制時(shí)控制VT導(dǎo)通；導(dǎo)通； t=toff時(shí)控制時(shí)控制VT截止截止則：則：D=ton/T =/T 稱為占空比稱為占空比 ， Do=toff /T=1-D 112.2.1 電路外特性分析電路外特性分析1 1） r ro o = = 0 0的情況的情況TttUttUUuonoonodL0電感電感L兩端的電壓：兩端的電壓： 電感電感L的電流的電流iL，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)的增量和減量相等，即：，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)周期

9、內(nèi)的增量和減量相等，即： 00TtLtLonondtLudtLu（2-2）直流輸出電壓：直流輸出電壓： 01LUddonoUDUUTtU（2-3）直流電壓增益：直流電壓增益： DUUUUAdodV1（2-4）122.2.1 電路外特性分析電路外特性分析2 2） r ro o 0 0的情況的情況直流輸出電壓直流輸出電壓： oodooorIDUrIUU1（2-6）即： dodUrIDUU01（2-7）臨界連續(xù)電流：臨界連續(xù)電流： odocLDTDUI20（2-11）最大臨界連續(xù)電流：最大臨界連續(xù)電流： odocmLTUI8（2-12）則： DDIIocmoc04（2-13）或 DDIIocmoc0

10、4132.2.1 電路外特性分析電路外特性分析3 3） 帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的情況帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的情況直流輸出電壓：直流輸出電壓： ddonoDUUTtU直流電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)：直流電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)： nCrIUEeooom（2-14）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： eoodeoooCrIDUCrIUn即： doooUrIDnn（2-15）其中：其中： 稱空載轉(zhuǎn)速稱空載轉(zhuǎn)速 （即電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）（即電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）edoCUn 142.2.1 電路外特性分析電路外特性分析3 3、電流斷續(xù)狀態(tài)（、電流斷續(xù)狀態(tài)（DCMDiscontinuous Current ModeDCMDiscontinuous Curr

11、ent Mode）下的外特性分析）下的外特性分析 t=ton時(shí)控制時(shí)控制VT導(dǎo)通；導(dǎo)通； t=toff時(shí)控制時(shí)控制VT截止截止截止期間，導(dǎo)通期間，VDTDVDTDp152.2.1 電路外特性分析電路外特性分析負(fù)載電流平均值：負(fù)載電流平均值： )(21pLmoDDII由： （2-16）DTLUUIoodLm（2-18）TDUDTUUpood)（得： DUUUDoodp（2-17）而： 則：將式（則：將式（2-17）和式（）和式（2-18）代入式（）代入式（2-16）整理得）整理得 ocoIIodocmododoUUDIUUDLTUI) 1(4) 1(222（2-19）直流輸出電壓：直流輸出電壓：

12、 ocoIIocmodoDIIUU24/11（2-20）162.2.2 輸出濾波電路的參數(shù)選擇輸出濾波電路的參數(shù)選擇1 1、濾波電感、濾波電感L Lo o 的選擇的選擇ocdoIDTDUL2)1 ( （2-21）電路工作在電路工作在CCMCCM狀態(tài)，設(shè)最小平均電流為狀態(tài)，設(shè)最小平均電流為I IoMoM , ,則則)1 (22)1 (dooMooMdoUUfIUIDTDUL（2-22）2 2、濾波電感、濾波電感C Co o 的選擇的選擇ITITDDTQo812)22(21（2-25）288fCLDDUICTCQUooodooo28fULDDUCooodo（2-26）172.2.3 PWMPWM控

13、制電路控制電路1、單象限變換電路的一般控制結(jié)構(gòu)圖2-3PWM DCDC變換電路結(jié)構(gòu)圖1直流電源2功率開關(guān)主電路3輸出濾波電路4負(fù)載5驅(qū)動(dòng)電路6檢壓電路7電壓調(diào)節(jié)器8PWM信號(hào)生成電路9振蕩器10分相電路11電壓給定182.2.3 PWMPWM控制電路控制電路2、用SG1525控制的直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)圖2-4IGBT不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)192.2.3 PWMPWM控制電路控制電路圖2-4IGBT不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-5SG1525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8組合門：四輸入或（或非）門。產(chǎn)生產(chǎn)生PWMPWM信號(hào)信號(hào)u up pQ（1 1）正）正常調(diào)速過程：調(diào)常調(diào)速過程：調(diào)R Rp p，即調(diào)給即調(diào)給定定uR1基準(zhǔn)

14、電壓源：三端穩(wěn)壓電路，輸出電壓UST=5.1V，精度為1%。2振蕩電路：產(chǎn)生鋸齒波UC和矩形波UK。3誤差放大器：對(duì)電壓給定uR和反饋信號(hào)uf差值進(jìn)行放大。4APWM比較器 4BPWM鎖存器5分相電路：由觸發(fā)器構(gòu)成，產(chǎn)生相位互補(bǔ)兩路方波Q和6輸出電路 ：兩組結(jié)構(gòu)相同的功放構(gòu)成。 7欠電壓封鎖：輸出欠電壓信號(hào)。（2 2）軟啟動(dòng)功能軟啟動(dòng)功能：C Csoso產(chǎn)生緩升電壓產(chǎn)生緩升電壓u usoso（3 3）欠電壓保護(hù)：欠電壓保護(hù)：U Ucc1 cc1 7V7V時(shí)，封鎖時(shí)，封鎖PWMPWM信號(hào)信號(hào)（4 4）故障封鎖：故障電壓故障封鎖：故障電壓U UFU FU 封鎖封鎖PWMPWM信號(hào)信號(hào)（5 5）死區(qū)

15、寬度調(diào)節(jié)：調(diào)死區(qū)寬度調(diào)節(jié)：調(diào)R RD D。202.2.3 PWMPWM控制電路控制電路圖2-6控制芯片SG1525的電量波形TTCRt67. 01TDCRt3 . 12為死區(qū)時(shí)間s212.32.32.8 2.8 其它電路簡(jiǎn)介其它電路簡(jiǎn)介 2.3 2.3 單象限升壓型電路單象限升壓型電路 2.5 2.5 電流雙象限電路電流雙象限電路 2.6 2.6 電壓雙象限電路電壓雙象限電路 2.7 2.7 單極性單極性PWMPWM四象限電路四象限電路 2.8 2.8 雙雙極性極性PWMPWM四象限電路四象限電路 2.4 2.4 單象限隔離型電路單象限隔離型電路222.3 2.3 單象限升壓（單象限升壓（Bo

16、ostBoost）型電路）型電路圖2-9單象限升壓型電路a)主電路(r ro o =0)b)等效電路c)電量波形(CCM)d)電量波形(DCM)e)主電路(r ro o 0)232.3 2.3 單象限升壓（單象限升壓（BoostBoost）型電路）型電路升壓型電路的典型應(yīng)用升壓型電路的典型應(yīng)用：（1 1）單相功率因數(shù)校正（單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFCPower Factor CorrectionPFC）電路）電路；（2 2）直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。 補(bǔ)充圖補(bǔ)充圖 1 用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的升壓型電路用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的升壓型電路 直流電動(dòng)機(jī)工作在直

17、流電動(dòng)機(jī)工作在第二象限，處于發(fā)電制第二象限，處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)狀態(tài)。圖2-1單象限降壓型電路 直流電動(dòng)機(jī)工作在第直流電動(dòng)機(jī)工作在第一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。一象限，處于電動(dòng)狀態(tài)。242.5 2.5 電流雙象限電路電流雙象限電路圖2-27電流雙象限電路的電量波形a)主電路結(jié)構(gòu)b ) Io 0c) =0d) 0IoIo252.6 2.6 電壓雙象限電路電壓雙象限電路圖2-34電壓雙象限電路的電量波形a)主電路結(jié)構(gòu)b ) Uo 0c) 0Uo262.6 2.6 電壓雙象限電路電壓雙象限電路圖2-36不同工作象限下的平均值等效電路a)第一象限b)第二象限c)第三象限d)第四象限272.7 2.7 單極性

18、單極性PWMPWM四象限直流變換電路四象限直流變換電路圖2-38同頻式單極性PWM四象限直流變換電路a)主電路結(jié)構(gòu)b)等效電路c) 0時(shí)電量波形d) 0時(shí)電量波形UsUs282.7 2.7 單極性單極性PWMPWM四象限直流變換電路四象限直流變換電路292.8 2.8 雙極性雙極性PWMPWM四象限直流變換電路四象限直流變換電路302.4 2.4 單象限隔離型電路單象限隔離型電路補(bǔ)充圖補(bǔ)充圖2 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)同前述電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為同前述電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直直交交直直 電路電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流

19、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直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。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。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)小于輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾交流環(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。波電容的體積和重量。 如果輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來，則構(gòu)成如果輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來，則構(gòu)成交交直直 交交直直電路，采用這種電路的裝置通常被稱為開關(guān)電源。電路，

20、采用這種電路的裝置通常被稱為開關(guān)電源。 312.4 2.4 單象限隔離型電路單象限隔離型電路圖圖2-162-16單端反激式電路單端反激式電路322.4 2.4 單象限隔離型電路單象限隔離型電路圖圖2-212-21單管正激式電路單管正激式電路332.4 2.4 單象限隔離型電路單象限隔離型電路圖圖2-24雙管正激式電路雙管正激式電路342.4 2.4 隔離型電路隔離型電路補(bǔ)充圖補(bǔ)充圖3 半橋電路原理圖半橋電路原理圖補(bǔ)充圖補(bǔ)充圖4 全橋電路原理圖全橋電路原理圖352.4 2.4 隔離型電路隔離型電路補(bǔ)充圖補(bǔ)充圖5 推挽電路原理圖推挽電路原理圖362.4 2.4 隔離型電路隔離型電路電路電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)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(jiǎn)單，成本低，電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單單變壓器單向激磁，利用變壓器單向激磁，利用率低率低幾百幾百W幾幾kW各種中、小功率電各種中、小功率電源源反激反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用變壓器單向激磁，利用率低率低幾幾W幾十幾十W小功