電力電子第5章 直流直流變流電路 z

第5章直流直流變流電路

5.1基本斬波電路

5.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

5.3帶隔離的直流直流變流電路

本章小結(jié)2/44引言■直流-直流變流電路（DC/DCConverter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。

■直接直流變流電路◆也稱斬波電路（DCChopper）。

◆功能:將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。

◆一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。

◆可以看作是直流變壓器■間接直流變流電路

◆在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)?！粼诮涣鳝h(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直—交—直電路。

3/445.1基本斬波電路

5.1.1降壓斬波電路

5.1.2升壓斬波電路

5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路(a)電路

(b)波形

5.1.1降壓斬波電路的工作原理最基本的降壓斬波電路，以阻性負載為例。當(dāng)開關(guān)（S）合上（即電力電子器件導(dǎo)通）時，直流電壓加到負載R上，并持續(xù)ton時間。當(dāng)開關(guān)（S）斷開時，負載上的電壓為零，并持續(xù)toff時間，T＝ton+toff為斬波電路的工作周期其輸出波形如圖b所示。*在斬波電路中，輸入電壓是固定不變的，通過調(diào)節(jié)開關(guān)的開通時間與關(guān)斷時間，即調(diào)節(jié)占空比，即可控制輸出電壓的平均值。(a)電路

(b)波形

6/445.1.1降壓斬波電路圖5-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖■降壓斬波電路（BuckChopper）

◆電路分析

?使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。

?設(shè)置續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時給負載中電感電流提供通道。?主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。7/445.1.1降壓斬波電路圖5-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時的波形c）電流斷續(xù)時的波形

■降壓斬波電路（BuckChopper）◆工作原理

?t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。

?

t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。

?電感L較小時，電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。

動畫8/445.1.1降壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?電流連續(xù)時

√負載電壓的平均值為

√負載電流平均值為

式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，

為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?/p>

◆根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式

?脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。

?頻率調(diào)制：ton不變，改變T。

?混合型：ton和T都可調(diào)，改變占空比(5-1)(5-2)9/445.1.1降壓斬波電路設(shè)此時電流初值為I10，解上式：■對降壓斬波電路進行解析

◆原則：基于分時段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和斷態(tài)兩個過程來分析。◆目的：獲得輸入輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

◆

V導(dǎo)通時，設(shè)電路電流為i1，有：10/445.1.1降壓斬波電路

◆

V斷態(tài)期間，設(shè)電路電流為i2，有：設(shè)此時電流初值為I20，解上式：◆電流連續(xù)時得出：帶入上式得：11/445.1.1降壓斬波電路◆帶入上式得：式中，，，，，I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。

把式（5-9）和式（5-10）用泰勒級數(shù)近似，可得

平波電抗器L為無窮大，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)12/445.1.1降壓斬波電路◆(5-11)所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，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

則假設(shè)電源電流平均值為I1，如果平波電抗器L為無窮大，則I1為V導(dǎo)通時的負載電流，有

其值小于等于負載電流Io，由上式得

即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)動畫13/445.1.1降壓斬波電路◆電流斷續(xù)時有I10=0，且t=ton+tx時，i2=0，由前式可得:

電流斷續(xù)時，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為

輸出電壓平均值為

負載電流平均值為

(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)臨界連續(xù)狀態(tài)時電感量L為？14/445.1.1降壓斬波電路■例5-1在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值極大，Em=30V，T=50μs，ton=20

s,計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為

15/445.1.1降壓斬波電路■例5-2在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20

s，當(dāng)ton=5

s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續(xù)。

解：由題目已知條件可得：當(dāng)ton=5

s時，有

由于

所以輸出電流連續(xù)。16/445.1.1降壓斬波電路此時輸出平均電壓為

輸出平均電流為

輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為

H180)6.01(6.04212050)1(2m=-××××=-=aaITULLBd例5-2b

有一降壓斬波電路，U=120V，負載電阻R=6Ω，開關(guān)周期性通斷，通30μs，斷20μs，忽略開關(guān)導(dǎo)通壓降，電感L足夠大。試求：負載電流及負載上的功率。若要求負載電流在4A時仍能維持，則電感L最小應(yīng)取多大？負載電壓的平均值負載電流的平均值負載功率的平均值2.設(shè)占空比不變，當(dāng)負載電流為4A時，處于臨界連續(xù)狀態(tài)，則電感量L為ARUI12672000===6.05030===TTaonVaUU721206.0o=×==解：依據(jù)題意，開關(guān)通斷周期T=50μs，占空比5.1.2升壓斬波電路■升壓斬波電路（BoostChopper）

◆電路結(jié)構(gòu)

◆工作原理

◆基本計算19/445.1.2升壓斬波電路0iGE0ioI1a)b)圖5-2升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形

◆工作原理

?假設(shè)L和C值很大。

?V處于通態(tài)時，見工作模式1；電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。

?V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。_+動畫21/445.1.2升壓斬波電路0iGE0ioI1a)b)圖5-2升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形

■升壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?當(dāng)電路工作于穩(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

化簡得

上式中的

(5-20)(5-21)輸出電壓高于電源電壓，有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。

22/445.1.2升壓斬波電路?將升壓比的倒數(shù)記作β，即，則

和導(dǎo)通占空比

有如下關(guān)系

式（5-21）可表示為

?如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即

?輸出電流的平均值Io為

?電源電流I1為

(5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)不宜工作在占空比接近1的狀態(tài)。23/445.1.2升壓斬波電路■例5-3在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20

，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40

s，ton=25

s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：

輸出電流平均值為：24/445.1.2升壓斬波電路■例5-3-b升壓斬波電路，已知直流電源E=24V，要求將電壓提升到100V，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=0.2ms，占空比應(yīng)該為多少？負載等值電阻R為5歐姆時，輸出電流平均值Io是多少？解：輸出電壓平均值為：

輸出電流平均值為：25/445.1.2升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖5-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形a）電路圖b）電流連續(xù)時c）電流斷續(xù)時

■典型應(yīng)用

◆一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection—PFC）電路，三是用于其他交直流電源中。

◆以用于直流電動機傳動為例

?在直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源。

?電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。

?直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。

?基于分時段線性電路思想，電流連續(xù)時得L為無窮大時電樞電流的平均值Io為

(5-36)26/445.1.2升壓斬波電路?當(dāng)電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間tx，即

當(dāng)tx<t0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx<t0ff是電流斷續(xù)的條件，即tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20圖5-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形c）電流斷續(xù)時(5-37)(5-38)27/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路■升降壓斬波電路

◆The

buck–boostconverter

isatypeof

DC-to-DCconverter

thathasanoutputvoltagemagnitudethatiseithergreaterthanorlessthantheinputvoltagemagnitude.28/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路a)

◆工作原理

?V導(dǎo)通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1，同時C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。

■升降壓斬波電路■Thebasicprincipleofthebuck–boostconverterisfairlysimple,

1)whileintheOn-state,theinputvoltagesource(E)isdirectlyconnectedtotheinductor(L).ThisresultsinaccumulatingenergyinL.Inthisstage,thecapacitorsuppliesenergytotheoutputload.29/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路otb)oti1i2tontoffILILa)圖5-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

2)whileintheOff-state,theinductorisconnectedtotheoutputloadandcapacitor,soenergyistransferredfromLtoCandR.

?V關(guān)斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。30/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路otb)oti1i2tontoffILILa)圖5-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

■升降壓斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系?穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即

當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：

(5-39)(5-40)動畫32/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路所以輸出電壓為：改變導(dǎo)通比

，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<

<1/2時為降壓，當(dāng)1/2<

<1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。

?電源電流i1和負載電流i2的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有

由上式可得

如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即

(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)33/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路所以輸出電壓為：改變導(dǎo)通比

，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<

<1/2時為降壓，當(dāng)1/2<

<1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。

(5-41)Comparedtothebuckandboostconverters,thecharacteristicsofthebuck–boostconverteraremainly:polarityoftheoutputvoltageisoppositetothatoftheinput;theoutputvoltagecanvarycontinuouslyfrom0to-∞(foranidealconverter).Theoutputvoltagerangesforabuckandaboostconverterarerespectively0toViandVito∞.34/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5Cuk斬波電路圖The?ukconverterisatypeofDC-DCconverterthathasanoutputvoltagemagnitudethatiseithergreaterthanorlessthantheinputvoltagemagnitude.ItisnamedafterSlobodan?ukoftheCaliforniaInstituteofTechnology,whofirstpresentedthedesign.[1]■Cuk斬波電路◆工作原理

V導(dǎo)通時，E—L1—V回路和R—L2—C1—V回路有電流。電容C上的電壓使VD反向偏置而關(guān)斷；輸入電壓加在電感L1兩端，電感儲能，其電流線性增長；電容C通過負載和電感L2釋放能量，負載獲得反極性電壓?！鯟uk斬波電路■Cuk斬波電路◆工作原理

當(dāng)V處于斷態(tài)時，VD導(dǎo)通E—L1—C1—VD回路和R—L2—VD回路有電流。L1釋放能量，向電容C1充電，

所以電容兩端平均電壓大于輸入電壓，電感L1電流iL1下降?！鯟uk斬波電路37/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路

(5-45)V管和二極管VD是同步工作的；即V管導(dǎo)通，VD截止；V管截止，VD則導(dǎo)通。電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。_+38/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5Cuk斬波電路圖Cuk斬波電路特點：Thenon-isolated?ukconvertercanonlyhaveoppositepolaritybetweeninputandoutput.Itusesacapacitorasitsmainenergy-storagecomponent,unlikemostothertypesofconverterswhichuseaninductor.39/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路◆基本的數(shù)量關(guān)系

?C的電壓恒定，

電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，即(5-45)?V導(dǎo)通，相當(dāng)于圖b中S合向B點，時間為ton，反之為toff。由(5-45)得(5-46)41/445.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

從而可得?由L1和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系

◆與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路輸入輸出側(cè)都串聯(lián)了電感，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。(5-47)(5-48)42/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Sepic斬波電路Single-endedprimary-inductorconverter(SEPIC)isatypeofDC-DCconverterallowingtheelectricalpotential(voltage)atitsoutputtobegreaterthan,lessthan,orequaltothatatitsinput;theoutputoftheSEPICiscontrolledbythedutycycleofthecontroltransistor.圖5-6a)Sepic斬波電路

43/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路?V導(dǎo)通時E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。工作原理44/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路圖1當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時電路數(shù)量關(guān)系回路方程：45/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路?V關(guān)斷時E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。46/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路圖2MOSFET關(guān)斷時電路圖回路方程：47/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電感伏秒平衡方程48/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電感伏秒平衡方程電容充放電平衡方程49/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Sepic斬波電路

◆工作原理

?V導(dǎo)通時，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。

?V關(guān)斷時，E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。

◆輸入輸出關(guān)系

圖5-6a)Sepic斬波電路

(5-49)50/445.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路■Zeta斬波電路

◆工作原理

?V導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。

?V關(guān)斷時，L1－VD－C1構(gòu)成振蕩回路，

L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負載供電。

◆輸入輸出關(guān)系為

■兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。

圖5-6bZeta斬波電路

(5-50)51/445.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

5.2.1電流可逆斬波電路

5.2.2橋式可逆斬波電路

5.2.3多相多重斬波電路52/445.2.1電流可逆斬波電路■概念

◆復(fù)合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成。

◆多相多重斬波電路：相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

■電流可逆斬波電路

◆斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動，降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。

◆電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，此電路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。53/445.2.1電流可逆斬波電路a)圖5-7電流可逆斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

◆電路結(jié)構(gòu)

?V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。

?V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。

?必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電源短路?！艄ぷ鬟^程

?兩種工作情況：只作降壓斬波器運行和只作升壓斬波器運行。

?第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。?第3種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。

?一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。

54/445.2.2橋式可逆斬波電路圖5-8橋式可逆斬波電路

■橋式可逆斬波電路

◆將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓，使電動機可以4象限運行。

◆工作過程

?V4導(dǎo)通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。

?V2導(dǎo)通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限。55/445.2.3多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)圖5-9多相多重斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

■多相多重斬波電路

◆是在電源和負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。

◆相數(shù):一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。

◆重數(shù)：負載電流脈波數(shù)?！?相3重降壓斬波電路

◆電路及波形分析

?相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。

?總輸出電流為3個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。

?總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，所需平波電抗器總重量大為減輕。

56/445.2.3多相多重斬波電路?當(dāng)上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相1重斬波電路，當(dāng)電源為3個獨立電源，向一個負載供電時，則為1相3重斬波電路。?電源電流的諧波分量比單個斬波電路時顯著減小?！龆嘞喽嘀財夭娐愤€具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，萬一某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運行，使得總體的可靠性提高。57/445.3帶隔離的直流直流變流電路

5.3.1正激電路

5.3.2反激電路

5.3.3半橋電路

5.3.4全橋電路

5.3.5推挽電路

5.3.6全波整流和全橋整流

5.3.7開關(guān)電源58/445.3帶隔離的直流直流變流電路·引言圖5-10間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)■同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直—交—直電路?！霾捎眠@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

◆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。

◆輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于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、濾波電容的體積和重量。

59/445.3帶隔離的直流直流變流電路·引言■間接直流變流電路分為單端(SingleEnd)和雙端(DoubleEnd)電路兩大類單端變換器——變壓器中流過的是直流脈動電流■按開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能傳給負載還是轉(zhuǎn)為磁能儲存分正激和反激電路兩大類正激變換器——開關(guān)管導(dǎo)通時電源將能量直接傳送給負載反激變換器——開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感（變壓器）中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d■正激電路和反激電路屬于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。60/445.3.1正激電路(Forwardconverter)SuSiLiSOttttUiOOO圖5-11正激電路的原理圖圖5-12正激電路的理想化波形■正激電路

◆工作過程

?開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負，因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長。

?S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為61/445.3.1正激電路BRBSBHO圖5-13磁心復(fù)位過程◆變壓器的磁心復(fù)位

?開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。

?必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。?變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

?輸出電感電流不連續(xù)時，在負載為零的極限情況下

(5-51)(5-52)62/445.3.2反激電路反激電路TheflybackconverterisusedinbothAC/DCandDC/DCconversionwithgalvanicisolationbetweentheinputandanyoutputs.theflybackconverterisabuck-boostconverterwiththeinductorsplittoformatransformer,sothatthevoltageratiosaremultipliedwithanadditionaladvantageofisolation.電路簡單、元件數(shù)量較少、成本相對較低、輸出電路中雖然用到濾波電感，但要求卻不高。適用于200W以下的小功率供電，而小功率電子產(chǎn)品，在日常應(yīng)用較為普及。主流的手機的USB充電器使用的均為反激式轉(zhuǎn)換器。圖5-14反激電路原理圖63/445.3.2反激電路反激電路是由buck-boost拓撲演變而來的；圖5-14反激電路原理圖由于這個變壓器的工作過程是先儲存能量后釋放，而不是僅僅擔(dān)負傳遞能量的角色，所以該變壓器的本質(zhì)是個耦合電感。采用這個耦合電感來傳遞能量，不僅可以實現(xiàn)輸入與輸出的隔離，同時也實現(xiàn)了電壓的變換，而不是僅僅靠占空比來調(diào)節(jié)電壓。65/445.3.2反激電路圖5-14反激電路原理圖■反激電路

◆工作過程

?S開通后，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加;VD處于斷態(tài)。

66/445.3.2反激電路圖5-14反激電路原理圖?S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，電感在初級側(cè)產(chǎn)生一個下正上負的感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動勢通過變壓器的繞組耦合到次級，由于次級的同名端和初級是反的，所以次級的感應(yīng)電動勢是上正下負。變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感（變壓器）中，開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d。故稱反激變換器。67/445.3.2反激電路圖5-14反激電路原理圖圖5-15反激電路的理想化波形■反激電路

◆工作模式

?根據(jù)次級電流是否有降到零，反激可以分為DCM和CCM兩種工作模式。?當(dāng)S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到零，則稱工作于電流連續(xù)模式CCM(continuouscurrentmode)，輸出輸入電壓關(guān)系為(5-53)S68/445.3.2反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖5-14反激電路原理圖圖5-15反激電路的理想化波形■反激電路

◆工作模式

DCM(discontinuouscurrentmode)

?S開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零，則稱工作于電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于（5-53）的計算值，在負載為零的極限情況下，，所以應(yīng)該避免負載開路狀態(tài)。

器件承受的電壓：雙管反激變換器雙管反激變換器T1、T2同時導(dǎo)通、同時阻斷；導(dǎo)通時將電源能量儲存在變壓器中阻斷時儲存的能量送給負載，原邊繞組電流通過D1、D2和電源續(xù)流、去磁T1、T2所承受的最高電壓僅為電源電壓Vs本講總結(jié)關(guān)于單端反激變換器（隔離型Buck-Boost變換器）的總結(jié)在負載為零的極端情況下，由于開關(guān)器件導(dǎo)通時儲存在變壓器電感中的磁能無處消耗，故輸出電壓將越來越高，損壞電路元件，所以反激式變換器不能在空載下工作。電路簡單，不需要專門的去磁繞組。依靠變壓器繞組電感在開關(guān)器件阻斷時釋放存儲的能量而對負載供電，磁通也只在單方向變化，因此通常僅用于200W以下的小容量DC/DC變換（如控制系統(tǒng)所需的輔助電源）。雙管單端反激變換器多一個開關(guān)管；開關(guān)管上承受的電壓僅為Vs，小于單管變換器。輸出電壓表達式：本講學(xué)習(xí)帶隔離變壓器的DC-DC變換器中的單端反激變換器。重點：單端反激變換器的結(jié)構(gòu)和工作原理難點：輸入輸出關(guān)系確定73/445.3.3半橋電路圖5-16半橋電路原理圖■半橋電路

◆工作過程

?S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。

74/445.3.3半橋電路圖5-17半橋電路的理想化波形?S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。

?S1或S2導(dǎo)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。

75/445.3.3半橋電路?由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和?！糨敵鲭妷?/p>

?濾波電感L的電流連續(xù)時

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-54）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下(5-54)76/445.3.4全橋電路圖5-18全橋電路原理圖

■全橋電路

◆工作過程

?全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。flash77/44a）工作狀態(tài)1（Sl、S4接通）b）工作狀態(tài)2（全部斷開）c）工作狀態(tài)3（S2、S3接通）d）工作狀態(tài)4（全部斷開）78/445.3.4全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-18全橋電路原理圖

圖5-19全橋電路的理想化波形■全橋電路

◆工作過程?當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。?當(dāng)S2與S3開通后，VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。

?當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。flash79/445.3.4全橋電路

?如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。

?為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過50%，還應(yīng)留有裕量。

◆輸出電壓

?濾波電感電流連續(xù)時

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式（5-55）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下

(5-55)80/445.3.5推挽電路Push–pullconverter圖5-20推挽電路原理圖■推挽電路flash推挽電路推挽電路是兩不同極性晶體管連接的輸出電路。用兩個參數(shù)相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于電路中，各負責(zé)正負半周的波形放大任務(wù)；電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小效率高。推挽輸出既可向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。IGBT多用該電路驅(qū)動。（a）工作狀態(tài)1（S1接通）（b）工作狀態(tài)2（全部開關(guān)斷）（c）工作狀態(tài)3（S2接通）（d）工作狀態(tài)4（全部開關(guān)斷）83/44S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-21推挽電路的理想化波形84/44b）工作狀態(tài)2（全部開關(guān)斷）a）工作狀態(tài)1（S1接通）S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLO85/44d）工作狀態(tài)4（全部開關(guān)斷）c）工作狀態(tài)3（S2接通）S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLO86/445.3.5推挽電路Push–pullconverterS1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖5-20推挽電路原理圖圖5-21推挽電路的理想化波形◆工作過程

?推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N’1兩端分別形成相位相反的交流電壓。

?S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。?當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。

flash87/445.3.5推挽