直流電壓變換電路

1、第七章直流電壓變換電路目的要求1. 掌握直流電壓變換電路的基本原理和三種控制變換方式。2了解晶閘管直流電壓變換電路的工作原理及晶閘管換流原理。3掌握降壓和升壓直流變換電路的工作原理及庫克（Cuk）電路的工作原理。4.了解復合直流電壓變換電路的組成及應用。主要內(nèi)容及重點難點1. 直流電壓變換電路的基本原理2. 直流電壓變換電路的三種控制變換方式3. 晶閘管直流電壓變換電路的工作原理4. 晶閘管換流原理5. 降壓及升壓直流變換電路的工作原理6. 庫克（Cuk）電路的工作原理7. 復合直流電壓變換電路的組成以及應用第一節(jié)直流電壓變換電路的工作原理及分類直流電壓變換電路也稱為直流斬波器，它是將直流電壓

2、變換為另一固定電壓或大小可調(diào)的直流電壓的電路。具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，廣泛地應用于可控直流開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電動機調(diào)速控制和焊接電源等。一、直流電壓變換電路的工作原理1. 電路構(gòu)成：如圖7-1所示為直流電壓變換電路原理圖及工作波形圖，R為負載；S為控制開關(guān)，是電路中的關(guān)鍵功率器件，它可用普通型晶閘管、可關(guān)斷晶閘管GTO或者其它自關(guān)斷器件來實現(xiàn)。2. 電路輸出波形：a）b）圖7-1直流電壓變換電路原理圖及工作波形a）電路原理圖b）工作波形3. 工作原理分析：當開關(guān)S閉合時，負載電壓Uo=Ud，并持續(xù)時間ton，當開關(guān)S斷開時，負載上電壓Uo=0V,并持續(xù)時間toff。則T=to

3、n+toff為直流變換電路的工作周期，電路的輸出電壓波形如圖7-1b所示。若定義占空比為k如，則由波形圖上可得輸出電壓得平均值為TUo5Ud如UdkUd（7-1）tontoffT只要調(diào)節(jié)k,即可調(diào)節(jié)負載的平均電壓。二、直流電壓變換電路的三種控制方式直流電壓變換電路主要由以下三種控制方式。1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）:脈沖寬度調(diào)制也稱定頻調(diào)寬式，保持電路頻率f=I/T不變,即工作周期T恒定，只改變開關(guān)S的導通時間ton。2）頻率調(diào)制（PFM）:頻率調(diào)制也稱定寬調(diào)頻式，保持開關(guān)S的導通時間ton不變，改變電路周期T（即改變電路的頻率）。3）混合調(diào)制：脈沖寬度（即ton）與脈沖周期T同時改變，采取這種

4、調(diào)制方法，輸出直流平均電壓Uo的可調(diào)范圍較寬，但控制電路較復雜。注：在直流變換電路中，比較常用的還是脈沖寬度調(diào)制（原因略）。三、直流電壓變換電路的分類1. 按照穩(wěn)壓控制方式：脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）直流電壓變換電路；2. 按變換電路的功能分類：降壓變換電路（Buck）、升壓變換電路（Boost）、升降壓變換電路（Buck-Boost）、庫克變換電路（Cuk）和全橋直流變換電路。第二節(jié)晶閘管直流電壓變換電路早期的直流電壓變換電路大多是由晶閘管組成的。因為在直流電壓電源情況下，晶閘管本身無自關(guān)斷能力，必須采取強迫換流，但這使電路變得比較復雜。一、晶閘管直流電壓變換電路的工作原

5、理1.電路構(gòu)成：如圖7-2a示為由晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路。晶閘管V作為開關(guān)器件，電容C和電感L組成振蕩電路，實現(xiàn)晶閘管的換流和自行關(guān)斷。VD為續(xù)流二極管，負載為帶足夠大平波電抗器Lg的直流電動機。a）b）圖7-2由晶閘管構(gòu)成的直流變換電路a）電路b）輸出電流、電壓波形2 .波形：3 工作原理分析： 當V導通時，Ud向負載電機輸送能量，電路的輸出電壓u=Ud，續(xù)流二極管反向偏置，負載電流i由于平波電抗器Lg的作用，在Lg足夠大的情況下，其波形如圖7-2b所示，即電流的變化滯后電壓的變化。 當V阻斷時，原儲存在Lg中的能量經(jīng)VD對負載續(xù)流，電路輸出電壓u=0,負載電流i逐漸減少，但由于Lg足

6、夠大，因此在V阻斷時電流仍然連續(xù)。第二個周期則重復前述過程。此時，電動機工作于正向電動運行狀態(tài)，表現(xiàn)出負載電壓與負載電流方向相同且都為正值。二、晶閘管的換流原理由于晶閘管是在直流電源下工作的，因而晶閘管的關(guān)斷是實現(xiàn)本電路工作原理的關(guān)鍵。1晶閘管的關(guān)斷由圖7-3中的L、C組成的串聯(lián)振蕩電路實現(xiàn)。當V未加觸發(fā)脈沖處于阻斷時，電源Ud通過L、Lg和直流電動機對電容C充電。當充電結(jié)束時，電容中的電流ic=0，兩端的電壓極性為左正右負。同時，負載經(jīng)續(xù)流二極管VD續(xù)流，負載電流i=Id,如圖7-3a所示。圖7-3晶閘管換流原理a）電容正向充電結(jié)束b）電容正向放電及反向充電c）電容反向充電結(jié)束d）電容反向放

7、電及正向充電2給V加上觸發(fā)脈沖，V因承受正向電壓而導通，VD反向偏置。此時iv=ic+lD。如圖7-3b所示，當電容放電到最大值時，uc=0,放電結(jié)束，此后電感上釋放能量對電容進行反向充電，電流icf。當充電結(jié)束時，iC=0,兩端的電壓極性變成左負右正，如圖7-3c所示。由于負載電流基本保持不變，因此晶閘管V繼續(xù)導通。3此后電容又通過L、V反向放電，此時iV=ID-iC,如圖7-3d所示。icf，負載電流基本保持不變，當放電到最大值時，ic=Id，iV=0，此時晶閘管關(guān)斷。此時uc=0，放電結(jié)束。電源Ud又通過L、Lg和直流電動機對電容c充電，充電電流J，ic=0時，充電結(jié)束，電容兩端的電壓極

8、性為左正右負，如圖7-3a所示，開始下一周期的晶閘管的導通和關(guān)斷。第三節(jié)降壓式和升壓式直流電壓變換電路、降壓式直流電壓變換電路（Buck電路）Buck電路主要用于直流可調(diào)電源和直流電動機驅(qū)動中。如圖7-4示為Buck電路原理圖及工作波形圖a)b)圖7-4降壓式直流電壓變換電路的原理圖及工作波形a）電路原理圖b）工作波形圖1電路應用：直流電壓變換電路的典型用途是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電勢，如圖7-4a中的Em所示。圖7-4a電路中，V為全控器件,負載為串有大電感L的直流電動機M，續(xù)流二極管VD是為在V關(guān)斷時給負載中的電感電流提供通道。2工作原理分析：1）V導

9、通t負載電流ioVD反向截至；V關(guān)斷tVD續(xù)流tioJ（周期后重復上一周期過程）即:當V導通時，E向負載供電，負載電壓Uo=E,由于大電感L的儲能作用，負載電流io按指數(shù)曲線上升，此時續(xù)流二極管VD反向不導通；當V關(guān)斷時，大電感L的儲能使負載電流io經(jīng)VD續(xù)流，負載電壓u0近似為零，負載電流i0呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串接L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖7-4b所示。負載電壓的平均值為U。如E如EkE（7-2）ton切T式中，ton為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間

10、；T=ton+toff為開關(guān)周期；k為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。由此式可知，U0最大為E,若減少k,則U0隨之減小。因此將該電路稱為降壓式直流電壓變換電路。負載電流平均值為|。UoEm（7-3）R注若L值較小，則在V關(guān)斷后至再次導通前，可能會出現(xiàn)負載電流衰減到零，即負載電流斷續(xù)的情況。一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。2）從能量傳遞關(guān)系進行分析：若假設L為無窮大，則可認為Io維持為不變，電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為Eoton。從負載看，在整個周期T中負載一直在消耗能量，消耗的能量為（Rlo2T+EMIoT）。一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即Eloto

11、nRlo2TEmIoT(7-4)kEEmoR(7-5)假設電源電流平均值為li,則有l(wèi)1ton|oklo(7-6)其TElikEloUolo值小于等于負載電流lo，由上式得(7-7)即輸出功率等于輸入功率，可將降壓式斬波器看作直流降壓變壓器。二、升壓式直流電壓變換電路（Boost電路）Boost電路常用于直流電動機的再生制動，也用作單相功率因數(shù)校正電路及其他直流電源中。1.Boost電路的工作原理IIIInroa）b）圖7-5升壓式直流電壓變換電路的原理圖及工作波形a）升壓式直流電壓變換電路原理圖b）工作波形V通態(tài)tVD反向阻斷t11恒定（uo為恒值）;V斷態(tài)t電壓極性變反tVD正向?qū)僭O電

12、路中L、C值很大，當V處于通態(tài)時，VD處于反向阻斷狀態(tài)，E向L充電，電流11基本恒定，同時C向R供電，因C值很大，輸出電壓Uo基本為恒值，設通態(tài)的時間為ton,電感L上積蓄的能量為Eliton。當V處于斷態(tài)時，L積蓄的能量釋放，電壓極性變反，E和L的電壓使VD正向?qū)āＴOV斷態(tài)的時間為toff,電感L釋放的能量為（Uo-E）litoff。當電路處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即El1ton(UoE)l1toff(7-8)化簡得UotontofftoffLetoff(7-9)上式中T/toff>1，輸出電壓Uo高于輸入的電源電壓E,故稱該電路為升壓直流電壓變換電路

13、。注：T7toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓Uo的大小。若將升壓比的倒數(shù)記為卩，即卩=toff/T,則卩和降壓式直流電壓變換電路中的導通占空比k有如下關(guān)系k111因此，式（7-9）可表示為UoEE1k(7-10)(7-11)Boost電路能使輸出電壓高于輸入電壓的原因：L儲能以后具有使電壓泵升的作用,電容C可將輸出電壓保持住。如果忽略電路損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即（7-12）升壓式直流電壓變換電路也可看成是直流EliUoIo該式表明，與降壓式直流電壓變換電路一樣，變壓器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，可得輸出電流平均值|o為|Uo0R1ER(7-13)由式（7-12）即可得出電源

14、電流l1為|U。11e1o1E2R(7-14)2升壓式直流電壓變換電路的典型應用當升壓式直流電壓變換電路用于直流電動機傳動時，通常是在直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源，因此電動機的反電勢成為電路的輸入，而直流電源成了電路中的負載。此時的電路及工作波形如圖7-6所示。由于實際電路中電感L值不可能為無窮大，因此該電路和降壓直流電壓變換電路一樣，也有電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，分別為圖7-6b和圖7-6c所示。a）b）c）圖7-6直流電動機回饋能量時的升壓直流電壓變換電路及其波形a）電路原理圖b）電流連續(xù)時的工作波形c）電流斷續(xù)時的工作波形現(xiàn)對電路工作原理分析如下：V通態(tài)tI/tV

15、D反向阻斷；V斷態(tài)tVD正向?qū)ó擵處于通態(tài)時，其兩端的電壓等于零，流過電感L中的電流上升，電動機的反電勢Em使電感L儲能。當V處于斷態(tài)時，電動機的反電勢Em和電感L儲能釋放形成的電壓順極性疊加，使隔離二極管導通，向直流電源E回饋能量。設電感L為無窮大且電流連續(xù)時，在一個周期中，電樞電流的平均值lo為(7-15)EmER該式表明，以電動機一側(cè)為基準看，可將直流電源看作是被降低到了卩E。當電感L不是足夠大，電流可能斷續(xù)，負載為電動機時盡量避免這一情況。第四節(jié)升降壓式直流電壓變換電路、升降壓式直流電壓變換電路也稱升降壓式直流電壓變換電路是由降壓式和升壓式兩種基本變換電路混合串連而成,為Buck-B

16、oost電路，它主要用于可調(diào)直流電源。a)b)圖7-7升降壓式直流電壓變換電路及其工作波形a)升降壓式直流電壓變換電路原理圖b)工作波形電路工作原理：V通態(tài)tVD阻斷;V關(guān)斷tVD導通t電壓極性上負下正當斬波開關(guān)V處于通態(tài)時，電源經(jīng)V向電感L供電使其存儲能量，VD處于阻斷狀態(tài)，此時電流ii方向如圖7-10a所示。當V關(guān)斷時，VD導通，電感L存儲的能量向電容C和R釋放?？梢娯撦d電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，與前面介紹的降壓直流電壓變換電路和升壓直流電壓變換電路的情況正好相反，因此該電路稱為反極性直流電壓變換電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓Ul的平均值為零，即當V處于通態(tài)期間時，

17、UL=E;而當V處于斷態(tài)期間時，Ul=uo。于是EtonUotoff(7-16)所以輸出電壓為ttkUo虹E直EE(7-17)toffTton1k若改變占空比k,則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<k<1/2時為降壓，當1/2<k<0時為升壓，因此將該電路稱作升降壓直流電壓變換電路。圖7-7b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和2當電流脈動足夠小時，有l(wèi)lI2ontoff(7-18)(7-19)(7-20)由上式可得toff1k12I111tonk如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)，則EI1Uol2其輸出功率與輸入功率相

18、等，可將其看作直流變壓器。二、庫克（Cuk）直流電壓變換電路電路工作原理：當V處于通態(tài)時，ELiV回路和R匕一C-V回路分別流過電流。當V處于斷態(tài)時，ELiC-VD回路和RL2VD回路分別流過電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。圖7-8庫克直流電壓變換電路的原理圖及其等效電路a）庫克直流電壓變換電路的原理圖b）等效電路該電路的等效電路如圖7-8b所示，相當于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。在該電路中，穩(wěn)態(tài)時電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值為零。在圖7-8b的等效電路中，開關(guān)S合向(7-21)B點的時間即V處于通態(tài)的時間為ton，則電容電流和時間的乘積為l2ton。開關(guān)S合向A點的時間為V處于

19、斷態(tài)的時間為toff，則電容電流和時間的乘積為I1toff。由此可得I2tonI1toff從而可得tofftonon(7-22)當電容C很大使電容電壓uc的脈動足夠小時,輸出電壓U0與輸入電壓E的關(guān)系可用以F方法求出。當開關(guān)S合向B點時，B點電壓ub=0,A點電壓ua=uc；相反，當S合到A點時，ub=uc,ua=0。因此，B點電壓ub的平均值為Ub也Uc（Uc為電容電壓uc的平均T值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以EUbtoffTUc另一方面,A點的電壓平均值為UATUc，且L2的電壓平均值為零，按圖7-8b中輸出電壓Uo的極性，有tonTUc。于是可得出輸出電壓5與電源電壓E的關(guān)系為

20、toneontoffTton(7-23)這一輸入輸出關(guān)系與升降式直流電壓變換電路時的情況相同。Cuk直流電壓變換電路的優(yōu)點：即其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入，輸出進行濾波。第五節(jié)復合直流電壓變換電路降壓直流電壓變換電路和升壓直流電壓變換電路組合即可構(gòu)成復合直流電壓變換電路。它可使直流電壓變換電路的整體性能得到提高。一、電流可逆直流電壓變換電路1采用電流可逆直流電壓變換電路的意義電流可逆直流電壓變換電路是將降壓直流電壓變換電路與升壓直流電壓變換電路組合在一起，在拖動直流電動機時，電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。如圖

21、7-9給出了電流可逆直流電壓變換電路及其波形。a）b）圖7-9電流可逆直流電壓變換電路及其波形a）電流可逆直流電壓變換電路b）工作波形2電路原理分析：在該電路中，Vi和VD1構(gòu)成降壓直流電壓變換電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓直流電壓變換電路，把直流電動機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機再生制動運行，工作于第2象限。需要注意的是，若V1和V2同時導通，將導致電源短路，進而會損壞電路中的開關(guān)器件或電源，因此必須防止出現(xiàn)這種情況。3該電路的工作方式：當電路只作降壓運行時，V2和VD2總處于斷態(tài)；只作升壓運行時，則Vi和VDi總處于斷態(tài)。在一個

22、周期內(nèi)交替地作為降壓直流電壓變換電路和升壓直流電壓變換電路工作。在第三種工作方式下，當降壓直流電壓變換電路或升壓直流電壓變換電路的電流斷續(xù)而為零時，使另一個直流電壓變換電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。（舉例說明）如圖7-9b給出的就是這種工作方式下的輸出電壓，電流波形，圖中負載電流io的波形上還標出了流過各器件的電流。這樣，在一個周期內(nèi)，電樞電流沿正，負兩個方向流通，電流不斷，所以響應很快。二、橋式可逆直流電壓變換電路將兩個電流可逆直流電壓變換電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓，即成為橋式可逆直流電壓變換電路，如圖7-10所示。圖7-10橋式可逆直流電壓變

23、換電路電路原理分析：當使V4保持通態(tài)時，該直流電壓變換電路就等效為圖7-9a所示的電流可逆直流電壓變換電路，向電動機提供正電壓，可使電動機工作于第1,2象限，即正轉(zhuǎn)電動和正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。此時，需防止V3導通造成電源短路。當使V2保持為通態(tài)時，于是V3,VD3和V4,VD4等效為又一組電流可逆直流電壓變換電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3,4象限。其中流電壓變換電路，向電動機供電使其工作于第3象限即反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，而壓直流電壓變換電路，可使電動機工作于第4象限即反轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。V3和VD3構(gòu)成降壓直V4和VD4構(gòu)成升三、直流伺服電動機驅(qū)動電路用全橋開關(guān)式直流電壓變換電路驅(qū)動直流伺服

24、電動機，電路原理如圖7-11所示。在圖中所示的全橋變換電路中，其輸入是幅度不變的直流電壓Ud，輸出是幅度和極性均可控制的直流電壓Uo。4口11rb1!控制"圖7-11全橋直流直流電壓變換電路(1) 雙極性電壓開關(guān)PWM法開關(guān)元件Vi、V4和V3、V2作為兩組開關(guān)來處理。兩組開關(guān)同時接通或同時關(guān)斷，這樣獲得極性變化的輸出電壓。(2) 單極性電壓開關(guān)PWM法V1、V4和V3、V2也組成兩組開關(guān)，每一橋臂開關(guān)的控制與另一橋臂無關(guān)，電路的輸出電壓極性不變。第六節(jié)直流電壓變換電路的應用實例一、具有復合制動功能的斬波調(diào)速電路如圖7-14所示，為具有復合制動功能的斬波調(diào)速系統(tǒng)的主電路。能實現(xiàn)牽引、

25、再生電阻復合制動功能，可用于城市無軌電車。其工作情況可分為牽引工況、牽引制動轉(zhuǎn)換和電制動三種情況。JT，圖7-14GTO斬波調(diào)速系統(tǒng)主電路電路工作原理分析：1牽引工況接觸器KMi、KM2、KM3、KM4-i、KM4-2閉合，形成牽引回路，GTO導通時其電流回路為：電源UdJKM3TKM4-UKM4-2TLtGTO電源Ud-，電源Ud向電動機供電。GTO關(guān)斷時電流回路為：電動機MtKM4-2tLtHLtVDtKM3tKM4-itm。這樣在電動機兩端可得到一個脈動電壓，其平均值Um與電源電壓Ud的關(guān)系為Um=kUd由此可知，改變斬波器占空比k就可調(diào)節(jié)Um值，從而達到調(diào)速的目的。當k=時，自動進入全

26、壓運行，再經(jīng)延遲一定時間后觸發(fā)晶閘管VT2進入弱磁運行。為獲得恒加速度起動，在牽引工況時采用恒流控制，其值預先設定并可任意調(diào)節(jié)。加上制動給定以后，進入牽引制動轉(zhuǎn)換。首先關(guān)斷GTO,電樞電流續(xù)流，由于反電動勢的作用及回路中存在電阻，電流很快衰減為零，當檢測到電流為零，接觸器KM3、KM4失電，KM5得電，這時形成制動回路，同時KM6觸點閉合，預勵磁投入以加快反電動勢電壓的產(chǎn)生，待反電動勢建立后KM6自動打開，預勵磁裝置與磁場組分離。2電制動分為再生制動和能耗制動，主要根據(jù)電源電壓和負載情況而定。 再生制動時，GTO導通時的電流通路為電動機A端tKM5-2tLtHLtGTCTVD2TKM5-1t電動機B端，這一過程是L電流上升的建能階段。GTO關(guān)斷時的電流通路為電動機A端tKM5-2TLtVDit電源tKM5-1T電動機B端，這一階段將能量回饋給電源實現(xiàn)能量再生。 能耗