直流電壓變換電路

1、第5章 直流電壓變換電路 第5章 直流電壓變換電路 5.1 直流電壓變換電路的基本工作原理及其分類直流電壓變換電路的基本工作原理及其分類 5.2 由普通晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路由普通晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路 5.3 單象限直流電壓變換電路單象限直流電壓變換電路 5.4 二象限直流電壓變換電路二象限直流電壓變換電路 習(xí)題及思考題習(xí)題及思考題 第5章 直流電壓變換電路 5.1 直流電壓變換電路的基本工作原理及其分類直流電壓變換電路的基本工作原理及其分類 5.1.1 直流電壓變換電路的工作原理直流電壓變換電路的工作原理 圖 5-1 直流電壓變換電路原理圖及輸出波形圖(a) 原理圖； (b)

2、輸出電壓 LRuVDUDS(a)(b)0utonttoffUAVT第5章 直流電壓變換電路 由圖5-1(a)可見，該電路就是通過(guò)開關(guān)S的接通和斷開，將負(fù)載與電源接通繼而又?jǐn)嚅_，它能將恒定輸入的直流電壓經(jīng)過(guò)斬波后形成可調(diào)的負(fù)載電壓。圖5-1（b）表示出了變換電路的輸出電壓u的波形。 在ton期間，開關(guān)S接通，則直流電源電壓UD與負(fù)載接通， 變換電路輸出電壓u UD ；在toff期間，開關(guān)S斷開，變換電路輸出電壓u0。直流變換電路輸出電壓的平均值為 DonDonoffonDAVDUTtUtttUU（5-1） 第5章 直流電壓變換電路 式中: ton 開關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間； toff 開關(guān)S的關(guān)斷時(shí)間；

3、 Ttontoff 變換電路周期； D 變換電路的工作率或占空比。 第5章 直流電壓變換電路 由式（5-1）可見，變換電路的輸出電壓的平均值UAV受電路工作率D（又稱為占空比）的控制，通過(guò)改變D的值即可改變電路的輸出電壓平均值。欲改變電路的占空比，可以采用以下三種方法。 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f1/T不變， 即工作周期T恒定，只改變開關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通時(shí)間ton不變， 改變電路周期T（即改變電路的頻率）。 第5章 直流電壓變換電路 3） 混合調(diào)制 脈沖寬度（即ton）與脈

4、沖周期T同時(shí)改變，采取這種調(diào)制方法， 輸出直流平均電壓UAV的可調(diào)范圍較寬，但控制電路較復(fù)雜。 在這三種方法中，除在輸出電壓調(diào)節(jié)范圍要求較寬時(shí)采用混合調(diào)制外，一般都采用頻率調(diào)制或脈寬調(diào)制，原因是它們的控制電路比較簡(jiǎn)單。又由于當(dāng)輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍要求較大時(shí)， 如果采用頻率調(diào)制，則勢(shì)必要求頻率在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化， 這就使得后續(xù)濾波器電路的設(shè)計(jì)比較困難，如果負(fù)載是直流電動(dòng)機(jī)，在輸出電壓較低的情況下，較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間會(huì)使流過(guò)電機(jī)的電流斷續(xù)，使直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能變差，因此在直流變換電路中，比較常用的還是脈沖寬度調(diào)制。 第5章 直流電壓變換電路 5.1.2 直流電壓變換電路的分類直流電壓變換電路的分類

5、 直流電壓變換電路按照上述穩(wěn)壓控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）直流變換電路; 按變換電路的功能分類有降壓變換電路（Buck）、升壓變換電路（Boost）、 升降壓變換電路（BuckBoost）、庫(kù)克變換電路（Cuk）和全橋直流變換電路; 按直流電源和負(fù)載交換能量的形式又可分為單象限直流電壓變換電路和二象限直流電壓變換電路。 必須注意的是，在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中，直流電壓變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離， 本章只講授無(wú)隔離的DC/DC變換電路。 第5章 直流電壓變換電路 5.2 由普通晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路由普通晶閘管構(gòu)成

6、的直流電壓變換電路 5.2.1 電路的工作原理電路的工作原理 圖5-2（a）所示是由普通晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路。 該電路由一個(gè)晶閘管V作為變換電路的開關(guān)器件，電容C和電感L組成振蕩電路， 實(shí)現(xiàn)晶閘管的換流和自行關(guān)斷。VD為續(xù)流二極管，負(fù)載為帶足夠大平波電抗器LG的直流電動(dòng)機(jī)。 第5章 直流電壓變換電路 圖 5-2 由晶閘管構(gòu)成的直流電壓變換電路(a) 電路； (b) 輸出電壓、 電流 LGMVDiLCVuUD(a)(b)00ttT2T3Tuii2i0i1第5章 直流電壓變換電路 當(dāng)晶閘管V導(dǎo)通時(shí)，直流電源UD向負(fù)載電機(jī)輸送能量，變換電路的輸出電壓uUD，續(xù)流二極管反向偏置，負(fù)載電流i由于

7、平波電抗器LG的作用，滯后電壓UD的變化，在電感LG足夠大的情況下，其波形如圖5-2（b）所示，即電流的變化滯后電壓的變化。 當(dāng)晶閘管阻斷時(shí)，原儲(chǔ)存在平波電抗器LG中的能量經(jīng)二極管D對(duì)負(fù)載續(xù)流，變換電路輸出電壓u0，負(fù)載電流i逐漸減少，但由于平波電抗電感LG足夠大，因此在阻斷時(shí)電流仍然連續(xù)。第二個(gè)周期則重復(fù)前述過(guò)程。在此情況下，電動(dòng)機(jī)工作于正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，表現(xiàn)出負(fù)載電壓與負(fù)載電流方向相同且都為正值， 因此這種電路又被稱為單象限直流電壓變換電路。 第5章 直流電壓變換電路 5.2.2 晶閘管的換流原理晶閘管的換流原理 由于晶閘管是在直流電源下工作的，電源無(wú)自然換相點(diǎn)且本身無(wú)關(guān)斷能力，因而晶閘管

8、的關(guān)斷是實(shí)現(xiàn)本電路工作原理的關(guān)鍵。晶閘管的關(guān)斷由圖5-3中的L、C組成的串聯(lián)振蕩電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)晶閘管V未加觸發(fā)脈沖阻斷時(shí)，電源UD通過(guò)L、LG和直流電動(dòng)機(jī)對(duì)電容C充電。當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，電容中的電流iC0， 兩端的電壓極性為左正右負(fù)。同時(shí)，負(fù)載經(jīng)續(xù)流二極管D續(xù)流，負(fù)載電流iID，如圖5-3（a）所示。 第5章 直流電壓變換電路 圖 5-3 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) 電容反向放電及正向充電 LGMVDiVLCVUD(a)i IDiC 0LGMVDiVLCVUDi ID(b)iC+LGMVDiVLCVUD(c)i ID

9、iC 0LGMVDiVLCVUDi ID(d)iC+第5章 直流電壓變換電路 給晶閘管加上觸發(fā)脈沖，因承受正向電壓而導(dǎo)通，續(xù)流二極管D反向偏置。此時(shí)電容C通過(guò)電感L、晶閘管放電。 在此過(guò)程中電感L儲(chǔ)能，流過(guò)的電流i為電容的放電電流iC與負(fù)載電流之和，即iiCI。如圖5-3（b）所示，當(dāng)電容放電到最大值時(shí)，電容兩端電壓uC0，放電結(jié)束，此后電感L釋放能量對(duì)電容進(jìn)行反向充電，電流iC逐漸減小。當(dāng)充電結(jié)束時(shí), 電容中的電流iC0，兩端的電壓極性變成左負(fù)右正，如圖5-3（c）所示。由于負(fù)載電流基本保持不變，因此晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。 第5章 直流電壓變換電路 此后電容又通過(guò)電感L、晶閘管V反向放電，此時(shí)流過(guò)

10、晶閘管的電流iV為負(fù)載電流與電容的放電電流iC之差，即iVID-iC 如圖5-3（d）所示。由于放電電流iC逐漸增大，而負(fù)載電流基本保持不變，當(dāng)放電到最大值時(shí)，放電電流正好等于負(fù)載電流，即iC ID ，流過(guò)晶閘管電流等于零，即iV0， 此時(shí)晶閘管關(guān)斷。 此時(shí)電容兩端電壓uC0，放電結(jié)束。電源UD又通過(guò)L、LG和直流電動(dòng)機(jī)對(duì)電容C充電，充電電流iC 逐漸減小，當(dāng)iC 0時(shí)，充電結(jié)束，電容兩端的電壓極性為左正右負(fù)，如圖5-3（a）所示, 開始下一周期的晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷。 第5章 直流電壓變換電路 5.3 單象限直流電壓變換電路單象限直流電壓變換電路 5.3.1 降壓直流電壓變換電路降壓直流電壓變

11、換電路 降壓直流變換電路是一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的變換電路，又叫Buck型變換電路。它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)調(diào)速中。 降壓直流電壓變換電路的基本形式如圖5-4（a）所示。圖中開關(guān)S可以是各種全控型電力器件； VD為續(xù)流二極管， 其開關(guān)速度應(yīng)和S同等級(jí)， 常用快恢復(fù)二極管；L、C為濾波電感和電容，組成低通濾波器； R為負(fù)載。為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：S、D是無(wú)損耗的理想開關(guān)，輸入直流電源UD是恒壓源， 其內(nèi)阻為零，L、 C中的損耗可忽略，R為電阻性負(fù)載。 第5章 直流電壓變換電路 圖 5-4 降壓直流電壓變換電路及其波形圖(a) 電路； (b) 開關(guān)導(dǎo)通； (c) 開關(guān)斷開

12、； (d) 波形 ioRuoCuCiCLVDuVDSiUD(a)ioRuoCuCiCLi iLUD(b)ioRuoCuCiCL(c)VD(d)0UDDTTtttttuVD0ILI2I1iLIL0iCI2 io0UCuCuoioIo0iLI1 iotontoff第5章 直流電壓變換電路 在圖5-4所示的電路中，當(dāng)觸發(fā)脈沖使開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，即在ton期間，電感L中有電流流過(guò)，二極管VD反向偏置，導(dǎo)致電感兩端呈現(xiàn)正電壓uLUD-uo，在該電壓作用下電感中的電流iL線性增長(zhǎng)，同時(shí)直流電源對(duì)電容C進(jìn)行充電，兩端電壓uC（負(fù)載R的端電壓uo與之相同）也呈線性增加。其等效電路如圖5-4（b）所示, 圖中電流i

13、L、iC、io均呈線性增加。 在開關(guān)S斷開期間，即在toff期間，由于電感已儲(chǔ)存了能量， VD導(dǎo)通，iL經(jīng)VD續(xù)流，此時(shí)由電感對(duì)電容和負(fù)載提供充電電流iC和負(fù)載電流io，其等效電路如圖5-4（c）所示。由于電感L中的電流因釋放能量而呈線性衰減， 因此圖中電流iL、iC、io也呈線性減小。圖5-4（d）是各電量的波形圖。 第5章 直流電壓變換電路 在toff期間，電容電流由圖5-4（c）可知為iCiL-io，當(dāng)iLio時(shí)，iC 0，方向?yàn)閳D示方向，電感L繼續(xù)對(duì)電容C進(jìn)行充電； 當(dāng)iL io時(shí)，iC 0，充電結(jié)束； 當(dāng)iL io時(shí)，iC0， 實(shí)際方向與圖示方向相反，電容對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，io逐漸增大

14、。 當(dāng)再次接通開關(guān)S時(shí)，由于電感上的電流iL不能突變，剛接通S時(shí)，iL不變化，因此電容電流、負(fù)載電流均不發(fā)生變化， 三者的關(guān)系仍然為iCiL-io，且iLio，電容繼續(xù)通過(guò)負(fù)載放電， 因?yàn)殡姼须娏鱥L逐漸增大，所以iC的絕對(duì)值減小，直到iLio后， 電源重又對(duì)電容進(jìn)行充電， 重復(fù)以上過(guò)程。 第5章 直流電壓變換電路 在ton期間，開關(guān)S導(dǎo)通，根據(jù)等效電路5-4（b）， 電感上的電壓為 dtdiLuLL 在這期間由于電感L和電容C無(wú)損耗，因此iL從I1（最小值）線性增長(zhǎng)至I2（最大值），則電感上電壓的平均值由上式可寫成oDLononLonoDUULIttILtIILUU)(21式中IL為電感上電

15、流在ton期間的變化量，Uo為輸出電壓的平均值。 (5-2) 第5章 直流電壓變換電路 在toff期間，S關(guān)斷，VD導(dǎo)通續(xù)流。電感上的電壓平均值與輸出電壓平均值相同，依據(jù)假設(shè)條件，電感中的電流iL從I2線性下降至I1，則有 offLotILUoLoffUILt(5-3) 同時(shí)考慮式（5-2）和式（5-3）可得 DDonDoffononooffoonoDDUUTtUtttUtUtUU)(第5章 直流電壓變換電路 式中D為變換電路的占空比，改變D值就可以改變輸出電壓的平均值Uo。由于D值在0之間變化，因此輸出電壓的平均值總是小于輸入電壓UD，因而稱其為降壓直流變換電路。 若忽略所有元器件的損耗，則

16、在圖5-1（a）所示的電路中， 輸入功率等于輸出功率， 即 ooDDoDIUIUPP亦即 因此輸出電流Io與輸入電流ID的關(guān)系為 DDoDoIDIUUI1第5章 直流電壓變換電路 電感L中的電流iL是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值大小。下面討論電感L中的電流iL連續(xù)時(shí)的情況。 根據(jù)式（5-2）、（5-3）可求出開關(guān)周期T為 )(1oDoDLoffonUUULUIttfT由上式可得電感上電流的變化量為 fLDDUfLUUUUIDDoDoL)1 ()(5-8)第5章 直流電壓變換電路 在一個(gè)周期T內(nèi)，由圖5-4（b）可知，電感L的電流iL，電容C的電流iC以及負(fù)載R的電流io三者

17、間瞬時(shí)值的關(guān)系為iLiCio， 由于電容電流在一個(gè)周期T內(nèi)，T/2時(shí)間為正值，T/2時(shí)間為負(fù)值， 且正、負(fù)半周電流值相同，因此其平均電流為零，如圖5-4（d）所示。因此電感電流的平均值與負(fù)載電流的平均值相等，即 212IIIILo將式（5-8）、 （5-9）同時(shí)代入關(guān)系式IL=I2-I1可得 )1 (21DDLTUIIDo(5-9)(5-10)第5章 直流電壓變換電路 當(dāng)電感上的電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有電感電流的最小值為零， 即I1=0，將此式代入上式可求出維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為 )1 (20DDITULoD 在Buck電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓Uo為常數(shù)。然而

18、在電容為有限的值情況下，直流輸出電壓將會(huì)有交流紋波成分。 第5章 直流電壓變換電路 由圖5-4（d）中，電容電流iC的波形可知，在一個(gè)周期內(nèi)電流的平均值為零，那么在T/2時(shí)間內(nèi)，電容充電或放電的電荷量可用波形圖中的陰影面積求解， 即 LLITIDTTDTQ822221（5-12） 由此輸出電壓的變化量Uo為 CQUo將式（5-12）代入得 fCITCIULLo88第5章 直流電壓變換電路 再將式（5-8）代入可得 2228)1 (8)1 (8)(LCfDULCfDDUULCfUUUUooDoDoo因此電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波為 222)1 (28)1 (ffDLCfDUUcoo式中f=1/T是

19、Buck電路的開關(guān)頻率， 是電路的截止頻率。式(5-14)表明，通過(guò)選擇合適的L、C值，在滿足fcf的條件下，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。 )2( 1LCfc第5章 直流電壓變換電路 5.3.2 升壓直流電壓變換電路升壓直流電壓變換電路 輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路稱為升壓變換電路，又叫Boost電路。 它可用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)的再生制動(dòng)。 升壓直流變換電路的基本形式如圖5-5（a）所示。圖中S為全控型電力器件組成的開關(guān)，D是快恢復(fù)二極管。在理想條件下，當(dāng)電感L中的電流iL連續(xù)時(shí)，電路的工作波形如圖5-5（d）所示。 第5章 直流電壓變換電路 圖

20、5-5 升壓直流變換電路及其波形圖(a) 電路； (b) 開關(guān)導(dǎo)通； (c) 開關(guān)斷開； (d) 波形 ioRuoCuViCLVDSUD(a)(b)(c)i iLioRuoCiCLUDiLuCioRuoCiCLVDUDi iLuC(d)0uVUDDTTtontofft0iLI2IoI1t0iCI2 iot io0uouCUC0ioIott第5章 直流電壓變換電路 當(dāng)開關(guān)S在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下導(dǎo)通時(shí)，電路處于ton工作期間， 二極管承受反偏電壓而截止。一方面，電能從直流電源輸入并儲(chǔ)存到電感L中，使電感電流iL從I1（最小值）線性增加至I2（最大值）；另一方面，負(fù)載R由電容C提供能量，即在此期間將C

21、中儲(chǔ)存的能量傳送給負(fù)載R，使電容C上的電壓uC線性減小， 放電電流iC、負(fù)載電流線性減小，二者的絕對(duì)值相等。由于電容放電電流的方向如圖5-2（b）所示，與圖5-2（a）中所示的參考方向相反，因此為負(fù)值。很明顯，L中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值與UD相等，即 onLonDLTILtIILUU12第5章 直流電壓變換電路 或 LDonIULt上式中IL為電感L中電流的變化量。 當(dāng)S斷開時(shí)，電路處在toff工作期間，二極管D導(dǎo)通，由于電感中的電流不能突變產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流減小，因此在斷開S的瞬間iL保持不變，此后電感中儲(chǔ)存的能量經(jīng)二極管給電容充電，同時(shí)也向負(fù)載R提供能量，所以電感電流iL線性減小。 (5

22、-16)第5章 直流電壓變換電路 由于電容兩端的電壓不能突變，在S斷開瞬間保持電壓不變，而電流iC因電感L對(duì)其充電，方向與圖5-2（a）所示的方向相同，因而在S關(guān)斷時(shí)變?yōu)檎?，大小隨電感電流iL的減小而線性下降，電容端電壓uC則隨其充電而線性增大，從而使負(fù)載電流也線性增加。在無(wú)損耗的前提下，電感電流iL從I1線性下降到I2，等效電路如圖5-5（c）所示。容易得出電感上電壓的平均值UL為 offLDoLtILUUU（5-17） 或 LDooffIUULt（5-18） 第5章 直流電壓變換電路 同時(shí)考慮式（5-15）、 式（5-17）可得 offDoonDtLUULtU即 DUUtttUDDoff

23、offono1上式中占空比Dton/T。當(dāng)D0時(shí)，UoUD，但D不能為零， 因此在D的變化范圍內(nèi)， 輸出電壓總是大于或等于輸入電壓。 （5-19）第5章 直流電壓變換電路 在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，即PoP，即UoIoUDI，將式（5-19） 代入可得 DIIoD1（5-20） 從式（5-16）、 （5-18）可知 fLDUfLUUUUIIUUULUttTDoDoDLLDoDooffon)()(第5章 直流電壓變換電路 因輸出電流的平均值為Io（I2I1）/2， 很顯然 DoULDTII21 （5-23） 當(dāng)電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，I10，則可求出電流臨界連續(xù)時(shí)的電感值為 Do

24、UIDTL20 （5-24） 經(jīng)分析可知，輸出電壓的交流紋波為三角波，假定二極管電流iVD中所有紋波分量流過(guò)電容器，其平均電流流過(guò)負(fù)載電阻， 圖5-5（d）中波形的陰影部分面積反映了一個(gè)周期內(nèi)電容C中電荷的泄放量。 因此電壓紋波的峰值變化量為 第5章 直流電壓變換電路 CDTRUDTCItCIdtiCdtiCCQUUooonototCCoonon0011 （5-25） 所以 TDRCDTUUoo （5-26） 式中RC為時(shí)間常數(shù)。 由此可看出，只要適當(dāng)?shù)卦龃笾稻涂梢詼p小輸出電壓的紋波成分。 Boost直流變換電路的效率很高， 一般可達(dá)92以上。 第5章 直流電壓變換電路 5.3.3 庫(kù)克直流電

25、壓變換電路庫(kù)克直流電壓變換電路 前面兩種直流變換電路都具有直流電壓變換功能，但輸出與輸入端都含有較大的交流紋波，尤其是在電流不能連續(xù)的情況下， 電路輸出端的電流是脈動(dòng)的。諧波會(huì)使電路的變換效率降低， 大電流的高次諧波還會(huì)產(chǎn)生輻射，干擾周圍電子設(shè)備的正常工作。 庫(kù)克（Cuk）電路屬升降壓型直流電壓變換電路，即輸出電壓的平均值既能高于輸出電壓，又能低于輸入電壓。電路形式如圖5-6（a）所示, 該圖中L1和L2為儲(chǔ)能電感，VD是快速恢復(fù)續(xù)流二極管，C1是傳送能量的耦合電容，C2為濾波電容。這種電路的特點(diǎn)是：輸出電壓極性與輸入電壓相反，輸出端電流的交流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對(duì)外部濾波器的要求

26、。在忽略所有元器件損耗的前提下，電路的工作波形如圖5-6（d）所示。 第5章 直流電壓變換電路 在ton期間，開關(guān)S導(dǎo)通，由于電容C1上的電壓uC1使二極管VD反偏而截止，輸入直流電壓UD向電感L1輸送能量，電感L1中的電流iL1線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，原來(lái)儲(chǔ)存在C1中的能量向負(fù)載和C2、L2釋放，負(fù)載獲得反極性電壓，其等效電路如圖5-6（b）所示。此時(shí)電感L2上的電流iL2、負(fù)載電流線性增長(zhǎng)，電容C2中的電流iC2iL2-io，S接通初始階段，由于iL2io，iC20，電容C2通過(guò)負(fù)載放電，放電電流iC2的實(shí)際方向與圖示方向相反，所以為負(fù)值，其絕對(duì)值線性減小。當(dāng)iL2 io時(shí)，iC20，之后iL

27、2io，電感L2既對(duì)負(fù)載提供電流，又重新對(duì)電容C2充電，因此負(fù)載電流i線性減小，而輸出電壓uo、電容C2電壓u2的絕對(duì)值隨之線性減小。 第5章 直流電壓變換電路 在toff期間，開關(guān)S關(guān)斷，L1中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)改變方向，使二極管VD正偏而導(dǎo)通，L1經(jīng)C1、VD對(duì)C1充電儲(chǔ)能，所以其電流iL1線性減小，而對(duì)電容充電的電流iC1方向與圖5-6（a） 所示的參考方向相反，因此iC1突變?yōu)樨?fù)值。在此期間，L2向負(fù)載釋放能量，其電流iL2也呈線性下降，電容C2中的電流仍為iC2iL2-io， 當(dāng)iL2io時(shí)，電感L2既對(duì)負(fù)載提供電流，又對(duì)電容C2充電， 因此負(fù)載電流繼續(xù)線性減小， 而輸出電壓uo、電容C2

28、電壓uC2的絕對(duì)值隨之線性減小。iL2io時(shí)，iC20，之后，由于iL2io，電容C2通過(guò)負(fù)載放電， 放電電流iC2 的實(shí)際方向與圖示方向相反，所以為負(fù)值，其絕對(duì)值線性增加，負(fù)載電流、輸出電壓uo也隨之增加直到S再次接通。 第5章 直流電壓變換電路 圖 5-6 庫(kù)克電路及其波形圖(a) 電路； (b) 開關(guān)導(dǎo)通； (c) 開關(guān)斷開； (d) 波形 RuoioC2uC2iC2L2iL2uVDVDSuVC1uC1L1iL1UD(a)RioC2iC2L2iL2C1uC1L1iL1UD(b)iC1RioC2iC2L2iL2uVDVDC1uC1L1UD(c)(d)iVD0UDDTTuVt0uot0iL1

29、iL12iL110iL2iL22iL210iC20uC2 uoUo0iC10ioIottttttiC1第5章 直流電壓變換電路 通過(guò)上述分析可知，在整個(gè)周期Ttontoff中，電容C1從輸入端向輸出端傳遞能量，只要L1、L2和C1足夠大，就可保證輸入、輸出電流是平穩(wěn)的。 在ton期間，電感L1、L2上電壓的平均值為 onLoCLonLDLtILUUUtILUU2212111所以有 11LDonIULt（5-27） 第5章 直流電壓變換電路 和 212LoConIUULt（5-28） 在toff期間，電感L1、L2上電壓的平均值為 offLCDLtILUUU1111offLoLtILUU222因

30、此有 111LCDoffIUULt（5-29） 第5章 直流電壓變換電路 和 22LooffIULt（5-30） 以上各式中的tonDT，toff(1-D)T，代入式（5-27）、（5-28）、（5-29）、（5-30）整理可得 oCDCUDUUDU11111（5-31） （5-32） 由式（5-31）、（5-32），考慮到輸出電壓與輸入電壓的極性相反可得出 DoUDDU1（5-33） 第5章 直流電壓變換電路 在不計(jì)器件損耗時(shí)，輸出功率等于電路輸入功率，即PoPD， 容易得出 oDIDDI1 由式（5-33）可知，通過(guò)改變D值，既可以使輸出電壓高于輸入值，也可以使其低于輸入電壓值。在此電路中

31、，只要電容C1足夠大，輸入、輸出電流都是連續(xù)平滑的，有效地降低了交流紋波，降低了對(duì)濾波電路的要求，使其得到了廣泛的應(yīng)用。 第5章 直流電壓變換電路 5.4 二象限直流電壓變換電路二象限直流電壓變換電路 圖 5-7 全橋DC/DC變換電路 VD2VD4ioRLuoS2S4VD1VD3S1S3UD第5章 直流電壓變換電路 5.4.1 雙極性電壓開關(guān)雙極性電壓開關(guān)PWM控制方式控制方式 在雙極性電壓PWM控制方式中，開關(guān)S1、S4和S2、S3分為兩組，各組都具有相同的驅(qū)動(dòng)脈沖，在理想條件下，同一橋臂上的開關(guān)（S1、S3和S2、S4）互補(bǔ)導(dǎo)通。即S1、S4導(dǎo)通時(shí)，S2、S3關(guān)斷；S2、S3導(dǎo)通時(shí)，S1

32、、S4關(guān)斷。在控制電路中產(chǎn)生一個(gè)控制電壓uc和一個(gè)三角波電壓utri，控制電壓uc與三角波電壓utri比較就可產(chǎn)生兩組開關(guān)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，波形如圖5-8（a）所示。當(dāng)控制電壓大于三角波電壓, 即uc utri時(shí)，S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，輸出電壓uo與電源電壓UD相等且極性相同，即uoUD；當(dāng)控制電壓小于三角波電壓, 即uc utri 時(shí)，開關(guān)S1和S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，輸出電壓與輸入電壓極性相反，但大小相等，即uo-UD。 第5章 直流電壓變換電路 在輸出電壓uo0期間，電源為負(fù)載提供電能，電感L開始儲(chǔ)能，負(fù)載電流線性增加，io的實(shí)際方向從電源流向負(fù)載，io0，所以電路工作在第

33、一象限。 當(dāng)uo 0時(shí)， 由于電感L要產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)阻止電流io的變化， io不能突變，只能線性減小，在電感釋放電能未結(jié)束之前， io的方向是不改變的，即io 0，此時(shí)電路電壓uo0，所以此時(shí)電路工作在二象限， 負(fù)載將電能送回給電源。 如果電感L足夠大或uo0的時(shí)間較短，則電感L上的能量在uo 0的整個(gè)期間是不會(huì)釋放完全的，保持io0，波形如圖5-8（b）所示。 可以看出，在一個(gè)周期T內(nèi)，負(fù)載電流的平均值Io0。 第5章 直流電壓變換電路 圖 5-8 雙極性電壓PWM控制方式 0UtrimutriuctItI0TuoUDttt0io Io0tIoioIo0Io0(a)(b)(c)u第5章 直流電壓

34、變換電路 但如果電感L較小，或uo0的時(shí)間較長(zhǎng)，則電感L上的能量則會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)釋放結(jié)束，即出現(xiàn)io0，此后電源又向負(fù)載提供反向電能，電感L重又開始儲(chǔ)能，負(fù)載電流反向即io 0且線性增加，如圖5-8（c）所示。這樣，當(dāng)輸出電壓重又為正值即uo0時(shí)，電感L先要釋放其儲(chǔ)存的能量，即io線性減小， 但方向不變，io0，所以此時(shí)電路工作于第二象限，負(fù)載向電源釋放電能直到io 0后結(jié)束。此后電源再向負(fù)載提供電能， 重復(fù)上述過(guò)程。 這樣，在一個(gè)周期T內(nèi)，負(fù)載電流的平均值Io0。 第5章 直流電壓變換電路 由圖5-8（a）可知，uo是以UD為幅值的方波。因此，輸出電壓的平均值為 DonDonDonoUTt

35、UTtTUTtU12上式中D1ton/T是第一組開關(guān)的占空比。容易看出，當(dāng)tonT/2時(shí)， D1 1/2變換電路的輸出電壓的平均值Uo為零；當(dāng)ton T/2時(shí)， Uo為負(fù)值； 當(dāng)ton T/2時(shí)，Uo為正值。也就是說(shuō)，這種變換電路的輸出電壓的平均值可在-UD到 UD之間變化。在理想條件下， Uo的大小和極性只受占空比D的控制，而與輸出電流無(wú)關(guān)。在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，可方便地實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速。另一方面，從圖5-8可寫出三角波的表達(dá)式 第5章 直流電壓變換電路 )4/0(4/TtTtUutrimtri當(dāng)tt1時(shí)，utriuc， 故上式可寫成 221Ttuon4/1TtUutrimc觀察波形圖可知，第一組

36、開關(guān)S1、S4開通的時(shí)間ton為 考慮到式（5-37）和式（5-38）可得第一組開關(guān)的占空比為 trimconUuTtD1211(5-37)(5-38)(5-39)第5章 直流電壓變換電路 將式（5-39）代入式（5-35）可得 cctrimDokuuUUU(5-40) 式中k=UD/Utrim為常數(shù)，很明顯，在這種控制方式中，輸出電壓的平均值Uo隨控制信號(hào)uc線性變化。 值得注意的是，這種電路的平均輸出電流Io可正可負(fù)。在Io 0時(shí)，直流電源向負(fù)載端傳送能量；在Io 0時(shí)，輸出負(fù)載端向電源端傳輸能量。 第5章 直流電壓變換電路 在理想開關(guān)條件下，我們認(rèn)為同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，即不存在兩

37、個(gè)開關(guān)同時(shí)斷開、同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象, 這時(shí)輸出電流將是連續(xù)的。但實(shí)際中， 同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)應(yīng)有短時(shí)的同時(shí)關(guān)斷期， 為防止開關(guān)通斷轉(zhuǎn)換中兩開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通造成直流短路， 此時(shí)電流的連續(xù)靠二極管的續(xù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第5章 直流電壓變換電路 5.4.2 單極性電壓開關(guān)單極性電壓開關(guān)PWM控制方式控制方式 對(duì)于圖5-7所示的全橋型DC/DC變換電路，如果改變控制方式，使輸出電壓的平均值具有單極性，其控制方法被稱為單極性電壓開關(guān)PWM控制。 由分析可知，如果控制信號(hào)使開關(guān)S1和S2同時(shí)接通，或者S3和S4同時(shí)接通，則不管輸出電流io的方向如何，輸出電壓uo始終為零。利用這一特點(diǎn)，將三角波電壓utri與控制電壓uc和-uc作比較，以確定橋臂S1 、S3和S2、S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào), 如圖5-9所示。 第5章 直流