直流电压变换电路复习过程.docx

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直流电压变换电路复习过程

直流电压变换电路

第七章直流电压变换电路

目的要求

1．掌握直流电压变换电路的基本原理和三种控制变换方式。

2．了解晶闸管直流电压变换电路的工作原理及晶闸管换流原理。

3．掌握降压和升压直流变换电路的工作原理及库克（Cuk）电路的工作原理。

4.了解复合直流电压变换电路的组成及应用。

主要内容及重点难点

1.直流电压变换电路的基本原理

2.直流电压变换电路的三种控制变换方式

3.晶闸管直流电压变换电路的工作原理

4.晶闸管换流原理

5.降压及升压直流变换电路的工作原理

6.库克（Cuk）电路的工作原理

7.复合直流电压变换电路的组成以及应用

第一节直流电压变换电路的工作原理及分类

直流电压变换电路也称为直流斩波器，它是将直流电压变换为另一固定电压或大小可调的直流电压的电路。

具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，广泛地应用于可控直流开关稳压电源、直流电动机调速控制和焊接电源等。

一、直流电压变换电路的工作原理

1．电路构成：

如图7-1所示为直流电压变换电路原理图及工作波形图，R为负载；S为控制开关，是电路中的关键功率器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者其它自关断器件来实现。

2．电路输出波形：

a）b）

图7-1直流电压变换电路原理图及工作波形

a）电路原理图b）工作波形

3．工作原理分析：

当开关S闭合时，负载电压uo=Ud，并持续时间ton，当开关S断开时，负载上电压uo=0V，并持续时间toff。

则T=ton+toff为直流变换电路的工作周期，电路的输出电压波形如图7-1b所示。

若定义占空比为

，则由波形图上可得输出电压得平均值为

（7-1）

只要调节k，即可调节负载的平均电压。

二、直流电压变换电路的三种控制方式

直流电压变换电路主要由以下三种控制方式。

1）脉冲宽度调制（PWM）：

脉冲宽度调制也称定频调宽式，保持电路频率f＝l／T不变，即工作周期T恒定，只改变开关S的导通时间ton。

2）频率调制（PFM）：

频率调制也称定宽调频式，保持开关S的导通时间ton不变，改变电路周期T（即改变电路的频率）。

3）混合调制：

脉冲宽度（即ton）与脉冲周期T同时改变，采取这种调制方法，输出直流平均电压uo的可调范围较宽，但控制电路较复杂。

注：

在直流变换电路中，比较常用的还是脉冲宽度调制（原因略）。

三、直流电压变换电路的分类

1．按照稳压控制方式：

脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）直流电压变换电路；

2．按变换电路的功能分类：

降压变换电路（Buck）、升压变换电路（Boost）、升降压变换电路（Buck-Boost）、库克变换电路（Cuk）和全桥直流变换电路。

第二节晶闸管直流电压变换电路

早期的直流电压变换电路大多是由晶闸管组成的。

因为在直流电压电源情况下，晶闸管本身无自关断能力，必须采取强迫换流，但这使电路变得比较复杂。

一、晶闸管直流电压变换电路的工作原理

1．电路构成：

如图7-2a示为由晶闸管构成的直流电压变换电路。

晶闸管V作为开关器件，电容C和电感L组成振荡电路，实现晶闸管的换流和自行关断。

VD为续流二极管，负载为带足够大平波电抗器LG的直流电动机。

a）b）

图7-2由晶闸管构成的直流变换电路

a）电路b）输出电流、电压波形

2．波形：

3．工作原理分析：

①当V导通时，Ud向负载电机输送能量，电路的输出电压u＝Ud，续流二极管反向偏置，负载电流i由于平波电抗器LG的作用，在LG足够大的情况下，其波形如图7-2b所示，即电流的变化滞后电压的变化。

②当V阻断时，原储存在LG中的能量经VD对负载续流，电路输出电压u＝0，负载电流i逐渐减少，但由于LG足够大，因此在V阻断时电流仍然连续。

第二个周期则重复前述过程。

此时，电动机工作于正向电动运行状态，表现出负载电压与负载电流方向相同且都为正值。

二、晶闸管的换流原理

由于晶闸管是在直流电源下工作的，因而晶闸管的关断是实现本电路工作原理的关键。

1.晶闸管的关断由图7-3中的L、C组成的串联振荡电路实现。

当V未加触发脉冲处于阻断时，电源Ud通过L、LG和直流电动机对电容C充电。

当充电结束时，电容中的电流iC＝0，两端的电压极性为左正右负。

同时，负载经续流二极管VD续流，负载电流i＝ID，如图7-3a所示。

图7-3晶闸管换流原理

a）电容正向充电结束b）电容正向放电及反向充电

c）电容反向充电结束d）电容反向放电及正向充电

2.给V加上触发脉冲，V因承受正向电压而导通，VD反向偏置。

此时iV＝iC+ID。

如图7-3b所示，当电容放电到最大值时，uC＝0，放电结束，此后电感上释放能量对电容进行反向充电，电流iC↑。

当充电结束时，iC＝0，两端的电压极性变成左负右正，如图7-3c所示。

由于负载电流基本保持不变，因此晶闸管V继续导通。

3.此后电容又通过L、V反向放电，此时iV＝ID-iC，如图7-3d所示。

iC↑，负载电流基本保持不变，当放电到最大值时，iC＝ID，iV＝0，此时晶闸管关断。

此时uC＝0，放电结束。

电源Ud又通过L、LG和直流电动机对电容C充电，充电电流↓，iC＝0时，充电结束，电容两端的电压极性为左正右负，如图7-3a所示，开始下一周期的晶闸管的导通和关断。

第三节　降压式和升压式直流电压变换电路

一、降压式直流电压变换电路（Buck电路）

Buck电路主要用于直流可调电源和直流电动机驱动中。

如图7-4示为Buck电路原理图及工作波形图

a）b）

图7-4降压式直流电压变换电路的原理图及工作波形

a）电路原理图b）工作波形图

1．电路应用:

直流电压变换电路的典型用途是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电势，如图7-4a中的EM所示。

图7-4a电路中，V为全控器件，负载为串有大电感L的直流电动机M，续流二极管VD是为在V关断时给负载中的电感电流提供通道。

2．工作原理分析:

1）V导通→负载电流i0↑→VD反向截至;V关断→VD续流→i0↓（一周期后重复上一周期过程）

即:

当V导通时，E向负载供电，负载电压u0=E，由于大电感L的储能作用，负载电流i0按指数曲线上升,此时续流二极管VD反向不导通;当V关断时，大电感L的储能使负载电流i0经VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流i0呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值较大的电感。

至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。

当电路工作稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图7-4b所示。

负载电压的平均值为

（7-2）

式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T＝ton+toff为开关周期；k为导通占空比，简称占空比或导通比。

由此式可知，U0最大为E，若减少k，则U0随之减小。

因此将该电路称为降压式直流电压变换电路。

负载电流平均值为

　　　　　　　　　　（7-3）

注:

若L值较小，则在V关断后至再次导通前，可能会出现负载电流衰减到零，即负载电流断续的情况。

一般不希望出现电流断续的情况。

2）从能量传递关系进行分析:

若假设L为无穷大，则可认为Io维持为不变，电源只在V处于通态时提供能量，为EIoton。

从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为（RIo2T+EMIoT）。

一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即

（7-4）

则

（7-5）

假设电源电流平均值为I1，则有

（7-6）其值小于等于负载电流Io，由上式得

（7-7）

即输出功率等于输入功率，可将降压式斩波器看作直流降压变压器。

二、升压式直流电压变换电路（Boost电路）

Boost电路常用于直流电动机的再生制动，也用作单相功率因数校正电路及其他直流电源中。

1.Boost电路的工作原理

a）b）

图7-5升压式直流电压变换电路的原理图及工作波形

a）升压式直流电压变换电路原理图b）工作波形

V通态→VD反向阻断→I1恒定（uo为恒值）;V断态→电压极性变反→VD正向导通

假设电路中L、C值很大，当Ｖ处于通态时，VD处于反向阻断状态，E向L充电，电流I1基本恒定，同时C向R供电，因C值很大，输出电压uo基本为恒值，设通态的时间为ton，电感L上积蓄的能量为EI1ton。

当Ｖ处于断态时，L积蓄的能量释放，电压极性变反，E和L的电压使VD正向导通。

设V断态的时间为toff，电感L释放的能量为（Uo-E）I1toff。

当电路处于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

（7-8）

化简得

（7-9）

上式中T/toff≥1，输出电压Uo高于输入的电源电压E，故称该电路为升压直流电压变换电路。

注:

T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压Uo的大小。

若将升压比的倒数记为β，即β=toff/T，则β和降压式直流电压变换电路中的导通占空比k有如下关系

（7-10）

因此，式（7-9）可表示为

（7-11）

Boost电路能使输出电压高于输入电压的原因：

①L储能以后具有使电压泵升的作用，②电容C可将输出电压保持住。

如果忽略电路损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即

（7-12）

该式表明，与降压式直流电压变换电路一样，升压式直流电压变换电路也可看成是直流变压器。

根据电路结构，可得输出电流平均值Io为

（7-13）

由式（7-12）即可得出电源电流I1为

（7-14）

2.升压式直流电压变换电路的典型应用

当升压式直流电压变换电路用于直流电动机传动时，通常是在直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，因此电动机的反电势成为电路的输入，而直流电源成了电路中的负载。

此时的电路及工作波形如图7-6所示。

由于实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压直流电压变换电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态，分别为图7-6b和图7-6c所示。

a）b）c）

图7-6直流电动机回馈能量时的升压直流电压变换电路及其波形

a）电路原理图b）电流连续时的工作波形c）电流断续时的工作波形

现对电路工作原理分析如下：

V通态→IL↑→VD反向阻断;V断态→VD正向导通

当V处于通态时，其两端的电压等于零，流过电感L中的电流上升，电动机的反电势EM使电感L储能。

当V处于断态时，电动机的反电势EM和电感L储能释放形成的电压顺极性叠加，使隔离二极管导通，向直流电源E回馈能量。

设电感L为无穷大且电流连续时，在一个周期中，电枢电流的平均值Io为

（7-15）

该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了βE。

当电感L不是足够大，电流可能断续，负载为电动机时尽量避免这一情况。

第四节升降压式直流电压变换电路

一、升降压式直流电压变换电路

升降压式直流电压变换电路是由降压式和升压式两种基本变换电路混合串连而成，也称为Buck-Boost电路，它主要用于可调直流电源。

a）b）

图7-7升降压式直流电压变换电路及其工作波形

a）升降压式直流电压变换电路原理图b）工作波形

电路工作原理：

V通态→VD阻断;V关断→VD导通→电压极性上负下正

当斩波开关V处于通态时，电源经Ｖ向电感Ｌ供电使其存储能量，VD处于阻断状态，此时电流i1方向如图7-10a所示。

当V关断时，VD导通，电感Ｌ存储的能量向电容C和R释放。

可见负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，与前面介绍的降压直流电压变换电路和升压直流电压变换电路的情况正好相反，因此该电路称为反极性直流电压变换电路。

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL的平均值为零，即当Ｖ处于通态期间时，uL＝Ｅ；而当Ｖ处于断态期间时，uL＝－uo。

于是

　　　　　　　　　（7-16）

所以输出电压为

　　　　　　　（7-17）

若改变占空比k，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当０

图7-7b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有

（7-18）

由上式可得

（7-19）

如果V、VD为没有损耗的理想开关，则

（7-20）

其输出功率与输入功率相等，可将其看作直流变压器。

二、库克（Cuk）直流电压变换电路

电路工作原理:

当V处于通态时，E－L1－V回路和R－L2－C－V回路分别流过电流。

当V处于断态时，E－L1－C－VD回路和R－L2－VD回路分别流过电流。

输出电压的极性与电源电压极性相反。

a）b）

图7-8库克直流电压变换电路的原理图及其等效电路

a）库克直流电压变换电路的原理图b）等效电路

该电路的等效电路如图7-8b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

在该电路中，稳态时电容C的电流在一周期内的平均值为零。

在图7-8b的等效电路中，开关S合向B点的时间即V处于通态的时间为ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。

开关S合向A点的时间为V处于断态的时间为toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。

由此可得

（7-21）

从而可得

（7-22）

当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Ｕ0与输入电压E的关系可用以下方法求出。

当开关S合向B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=－uC；相反，当S合到A点时，uB=uC，uA=0。

因此，B点电压uB的平均值为

（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以

。

另一方面，A点的电压平均值为

，且L2的电压平均值为零，按图7-8b中输出电压U0的极性，有

。

于是可得出输出电压U0与电源电压E的关系为

　　　　　　　（7-23）

这一输入输出关系与升降式直流电压变换电路时的情况相同。

Cuk直流电压变换电路的优点:

即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入，输出进行滤波。

第五节复合直流电压变换电路

降压直流电压变换电路和升压直流电压变换电路组合即可构成复合直流电压变换电路。

它可使直流电压变换电路的整体性能得到提高。

一、电流可逆直流电压变换电路

1.采用电流可逆直流电压变换电路的意义

电流可逆直流电压变换电路是将降压直流电压变换电路与升压直流电压变换电路组合在一起，在拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第１象限和第２象限。

如图7-9给出了电流可逆直流电压变换电路及其波形。

a）b）

图7-9电流可逆直流电压变换电路及其波形

a）电流可逆直流电压变换电路b）工作波形

2.电路原理分析:

在该电路中，Ｖ1和ＶＤ1构成降压直流电压变换电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第１象限；Ｖ2和ＶＤ2构成升压直流电压变换电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机再生制动运行，工作于第２象限。

需要注意的是，若Ｖ1和Ｖ2同时导通，将导致电源短路，进而会损坏电路中的开关器件或电源，因此必须防止出现这种情况。

3.该电路的工作方式:

①当电路只作降压运行时，Ｖ2和ＶＤ2总处于断态；②只作升压运行时，则Ｖ1和ＶＤ1总处于断态。

③在一个周期内交替地作为降压直流电压变换电路和升压直流电压变换电路工作。

在第三种工作方式下，当降压直流电压变换电路或升压直流电压变换电路的电流断续而为零时，使另一个直流电压变换电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。

（举例说明）如图7-9b给出的就是这种工作方式下的输出电压，电流波形，图中负载电流io的波形上还标出了流过各器件的电流。

这样，在一个周期内，电枢电流沿正，负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。

二、桥式可逆直流电压变换电路

将两个电流可逆直流电压变换电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，即成为桥式可逆直流电压变换电路，如图7-10所示。

图7-10桥式可逆直流电压变换电路

电路原理分析:

当使Ｖ4保持通态时，该直流电压变换电路就等效为图7-9a所示的电流可逆直流电压变换电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第１，２象限，即正转电动和正转再生制动状态。

此时，需防止Ｖ3导通造成电源短路。

当使Ｖ2保持为通态时，于是V3，VD3和V4，VD4等效为又一组电流可逆直流电压变换电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第３，４象限。

其中V3和VD3构成降压直流电压变换电路，向电动机供电使其工作于第３象限即反转电动状态，而V4和VD4构成升压直流电压变换电路，可使电动机工作于第４象限即反转再生制动状态。

三、直流伺服电动机驱动电路

用全桥开关式直流电压变换电路驱动直流伺服电动机，电路原理如图7-11所示。

在图中所示的全桥变换电路中，其输入是幅度不变的直流电压Ud，输出是幅度和极性均可控制的直流电压uo。

图7-11全桥直流直流电压变换电路

（1）双极性电压开关PWM法开关元件V1、V4和V3、V2作为两组开关来处理。

两组开关同时接通或同时关断，这样获得极性变化的输出电压。

（2）单极性电压开关PWM法V1、V4和V3、V2也组成两组开关，每一桥臂开关的控制与另一桥臂无关，电路的输出电压极性不变。

第六节直流电压变换电路的应用实例

一、具有复合制动功能的斩波调速电路

如图7-14所示，为具有复合制动功能的斩波调速系统的主电路。

能实现牵引、再生电阻复合制动功能，可用于城市无轨电车。

其工作情况可分为牵引工况、牵引制动转换和电制动三种情况。

图7-14GTO斩波调速系统主电路

电路工作原理分析:

1.牵引工况接触器KMl、KM2、KM3、KM4-l、KM4-2闭合，形成牵引回路，GTO导通时其电流回路为：

电源Ud+→KM3→KM4-l→KM4-2→L→GTO→电源Ud-，电源Ud向电动机供电。

GTO关断时电流回路为：

电动机M→KM4-2→L→HL→VDl→KM3→KM4-1→M。

这样在电动机两端可得到一个脉动电压，其平均值Um与电源电压Ud的关系为

Um=kUd

由此可知，改变斩波器占空比k就可调节Um值，从而达到调速的目的。

当k=0.9时，自动进入全压运行，再经延迟一定时间后触发晶闸管VT2进入弱磁运行。

为获得恒加速度起动，在牵引工况时采用恒流控制，其值预先设定并可任意调节。

加上制动给定以后，进入牵引制动转换。

首先关断GTO，电枢电流续流，由于反电动势的作用及回路中存在电阻，电流很快衰减为零，当检测到电流为零，接触器KM3、KM4失电，KM5得电，这时形成制动回路，同时KM6触点闭合，预励磁投入以加快反电动势电压的产生，待反电动势建立后KM6自动打开，预励磁装置与磁场组分离。

2.电制动分为再生制动和能耗制动，主要根据电源电压和负载情况而定。

①再生制动时，GTO导通时的电流通路为电动机A端→KM5-2→L→HL→GTO→VD2→KM5-1→电动机B端，这一过程是L电流上升的建能阶段。

GTO关断时的电流通路为电动机A端→KM5-2→L→VDl→电源→KM5-1→电动机B端，这一阶段将能量回馈给电源实现能量再生。

②能耗制动时，当GTO导通时，电流通路与再生时第一阶段一样。

在关断GTO的同时触发晶闸管VTl，电流通路为电动机A端→KM5-2→L→HL→Rz→VT1—VD2→KM5-1→电动机B端，这一阶段将能量消耗在电阻Rz上。

制动力矩的大小可通过制动给定任意调节，低速时可增加GTO的导通时间来保证足够的制动力矩。

二、高频感应加热电源

如图7-15所示为高频感应加热电源的主电路。

由功率二极管VDl～VD6组成的三相不可控整流输出电压，经斩波器Vo调压后为V1～V4组成的逆变器提供大小可调的直流电压。

图7-15高频感应加热电源的主电路

斩波器的工作频率可在几十赫兹频段选择，可使电路的滤波器尺寸减小。

由于电路的直流侧串有大电感量的电抗器L0，而使之成为恒流源（即电流型逆变器），逆变器的输出电流为方波，输出电压为正弦波。

感应加热线圈L1与C组成并联谐振电路，通过适当的参数选择，逆变器的输出频率可达50kHz，输出功率几十千瓦。

控制逆变桥保持工作于零相位谐振状态，即当负载电压过零时刻，桥臂内电流才开始换相，其输出电压、电流的基波相位差为零，故也称之为零相位并联谐振。

用IGBT及其他大功率自关断器件所组成的高频感应加热电源，在工业热处理设备中可取代原有的大功率电子管，极大地减少了体积和损耗，节约了能源，得到广泛应用。

本章小结

降压式、升压式、升降压式和库克式直流斩波电路，都只能进行单一方向的能量传输。

全桥斩波变换电路则可以进行两个方向的功率流通，电压Uo和电流Io可以彼此独立变化、调节，故负载为直流电动机时可以在四个象限工作。

直流斩波器中的电力电子开关器件的选择，除了考虑电路是否简单外，还应按照输出功率和频率。

如普通晶闸管输出功率最大，但工作频率最低，在几十至几百赫兹频段内工作较为理想；GTO晶闸管输出功率稍低，但工作频率要高一些，而且可以实现自关断，在几百赫兹至1.2kHz时工作最为理想；GTR的工作频率为1～10kHz，IGBT的工作频率为20～50kHz，二者的容量相当，但都低于GTO晶闸管；而电力MOSFET的工作频率为最高，可达50～100kHz，容量低于IGBT器件。