第5章直直变换器ppt课件.ppt

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1、第5章：直直变换器,5.1 直流变换电路概述,一. 直流变换器概念（1）直直变换的定义: 将输入固定直流电压的电能变为负载所需要的另一固定电压或可调电压的直流电能（称为DC/DC变换），完成直流/直流变换的装置为直直变换器（DC/DC变换器）；（2）直直变换器的工作原理: 通过控制电路周期性地对DC/DC变换主电路的电力电子器件快速通断控制，将输入的直流电压斩成一系列幅值相等的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率，并经过LC低通滤波器处理以后实现对输出电压平均值的调节。（3）直直变换器的一般结构：,二.直直变换电路的分类,(4) 直直变换系统的结构,非隔离型,隔离型,3.,三.理想直直变换器应

2、具备的性能,1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量,2.输出阻抗为零,3.快速动态响应,抑制干扰能力强,4.高效率小型化,四.直直变换器的控制方式（脉冲宽度调制控制）,根据直直变换器输出电压是导通时间和周期的函数,1.定频调宽控制,2.定宽调频控制（PFM）,3.调频调宽混合控制,PWM控制信号的形成过程,信号波形的比较,PWM控制信号的形成过程,信号波形的比较,PWM控制信号的形成过程,五.直直变换器的应用,1.Driving:电车,地铁,电动汽车,火车2.直流电机调速系统（1、2传统直流传动应用，逐渐萎缩）3.照明,氙灯ballast4.开关电源与电源适配器（3、4电力电子领域的

3、一大热点）,掌握非隔离型直直变换器和隔离型直直变换器的分析和计算，非隔离型直直变换器重点掌握降压型和升压型直直变换器两种，隔离型直直变换器正激和反激直直变换器两种。最后掌握不同类型直流斩波器的原理与特性。 本章的重点多种直直变换器的输入输出关系、电路解析方法、工作特点。,六.本章掌握内容介绍,5.2 非隔离型直直变换器,1、降压型变换器（BUCK Converter)2、升压型变换器（BOOST Converter)3、升/降压型变换器（Buck-Boost Converter)4、CUK型变换器（CUK Converter),BUCK降压直直变换器是一种基本的非隔离DC/DC变换器，其输出直

4、流电压低于输入直流电压，通称为BUCK变换器，电路结构如下图：,图中： S为功率MOSFET器件，工作在开关状态；若为晶闸管，须有辅助关断电路。 D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路； 电感L和电容C组成低通滤波器。,为便于电路分析，做出如下假设： （1）忽略S和D的导通压降，截止以后的漏电流为零； （2）认为S和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间； （3）认为电容C很大，则输出电压Uo保持为恒值；,5.2.1 降压型直直变换器(BUCK Converter),一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,考虑BUCK变换器工作在稳态且电感电流连续状态，一个周期中根据功率器件S的通断状况变换器可以

5、工作两种模式 ：,1. S导通模式（Ton时段）,等效电路如b图所示，此时Ua等于Ud, D截止，电感电压 等于Ud-Uo，电感电流 线性上升，电感储能。,2. S关断模式（Toff时段）,等效电路如c图所示，由于电感电流不能突变，则D导通提供电感电流续流通路，Ua=0，电感电压 等于-Uo，电感电流 线性下降，电感释能。,占空比：,周 期：,（a）,（b）,（c）,BUCK变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）,电压传输比M为输出电压和输入电压的比值，推导过程基于电感L的特性来进行。当变换器稳态工作时，由于电感不是耗能元件，因此遵循的原则是：开关S导通时电感储存的能量与开关S关断时释放的能

6、量必须相等。对外表现的特征： （1）伏秒平衡原则 电感两端的电压与时间的乘积等于电感磁链，稳态工作时，为避免电感饱和，一个周期内开关S导通时电感的伏秒积必须等于关断时的伏秒积，那么电感增加的磁链等于减小的磁链。 （2）能量平衡原则 根据电感储能的表达式，在一个周期开始时电感储能和结束时的储能相等，表明两个时刻的电流值相等，那么开关S导通时电流上升的幅值和关断时电流下降的幅值相等。,在电流连续工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空比D在到的范围内连续控制。,根据电压传输比的表达式，在给定输入电压Ud情况下，调节占空比D可以改变输出电压Uo的大小。可以

7、通过三种方式来实现调节：,（1）保持周期T不变，调节导通时间Ton，即定频调宽模式（常用）（2）保持导通时间Ton不变，调节周期T，即定宽调频模式（3）同时调节周期T和导通时间Ton， 即调频调宽模式,信号波形的比较,PWM控制信号的形成过程,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态,工作状态1（S接通）,工作状态2（S断开）,工作状态3（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，由于UiU。，故电感L的电流不断增长。二极管D处于断态。工作状

8、态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D续流，电感电流不断减小。工作状态3（t2t3时段）：t2时刻电感电流减小到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。,2、电流临界连续时电路参数分析,临界状态时的工作波形,电感电流在一个开关周期内的波形正好是一个三角形，其面积为：,电感电流在一个开关周期内的平均值 ：,电感电流峰值为 ：,临界连续仍有 ：,整理得到临界连续电感电流平均值 ：,由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，电感电流iL在一个开关周期内的平均值等于负载电流：,电感电流连续的条件为：,3、

9、电感电流断续时电压传输比推导,电感电流断续时的工作波形,S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D),根据电感利用伏秒平衡原则有：,电感电流在一个开关周期内的平均值 ：,负载电流等于电感电流的平均值有：,电感电流峰值：,整理以上得：,整理以上得：,求解上式得：,令,电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。与占空比D为非线性关系。,三. BUCK变换器的应用,BUCK变换器广泛用于手机、PDA、MP3、PMP、PDVD等便携式设备。下图是为PMP的供电结构框图。,BUCK变换器在通信领域广泛采用的3级分布式供电结构中作为后级负载点电源（POL，point of load）被

10、使用，紧靠负载为其提供低压大电流电能。已形成完整的市场产品系列。,Emerson产品,5.2.2 升压型直直变换器（BOOST Converter),BOOST升压型直直变换器是一种基本的非隔离DC/DC变换器，通称为BOOST变换器，该电路的输出电压永远高于输入电压。电路结构如下图：,图中： S为功率MOSFET器件，工作在开关状态； D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路； 电感L和电容C组成低通滤波器。,为便于电路分析，做出如下假设： （1）忽略S和D的导通压降，截止以后的漏电流为零； （2）认为S和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间； （3）认为电容C很大，则输出电压Uo保持为恒值；,

11、考虑BOOST变换器工作在稳态且电感电流连续，一个周期中根据功率器件S的通断状况变换器可以工作两种模式 ：,1. S导通模式（Ton时段）,等效电路如b图所示，此时Ua等于0, D截止，电感电压 等于Ud，电感电流 线性上升，电感储能, 电容释放能量给负载。,2. S关断模式（Toff时段）,等效电路如c图所示，由于电感电流不能突变，则D导通提供电感电流续流通路，Ua=o，电感电压 等于Ud-Uo，电感电流 线性下降，电感和电源一起给负载提供能量。,占空比：,周 期：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,Boost变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）,二、（电感电流断续模式）工作原理与

12、推导,当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态,工作状态1（S接通）,工作状态2（S断开）,工作状态3（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为Ui，电感电流不断增长。二极管D处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D向电容C释放磁能，电感电流不断减小，电感L两端电压ULUoUi。 工作状态3（t2t3时段）：t2时刻电感电流减少到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，

13、下一个开关周期开始。,2、电流临界连续时电路参数分析,临界状态时的工作波形,二极管D的电流在开关周期内的临界连续平均值 ：,电感电流峰值为 ：,整理得电感电流连续条件为 ：,由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，在稳态条件下的升压型电路中，二极管D的电流在一个开关周期内的平均值等于负载电流o ：,oID,3、电感电流断续时电压传输比推导,电感电流断续时的工作波形,S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D),根据电感利用伏秒平衡原则有：,二极管D的电流在一个开关周期内的平均值 ：,负载电流等于二极管D电流的平均值有：,电感电流峰值：,整理以上得：,整理以上得：,求解上式得：,令,电压传输比

14、与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。,三 . Boost变换器的应用,BOOST变换器广泛用于手机、PDA、MP3、PMP、PDVD等便携式设备显示电源。下图是为PMP的供电结构框图。,BOOST变换器广泛用于中小功率电力电子装置的有源功率因数校正环节。,5.2.3 升/降压直直变换器(Buck-Boost Converter),工作特点：,导通时，二极管D反向偏置，电源i经S向L供电使其贮能，同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电，电感电流上升，电感储能。关断时，二极管D 导通，L的能量向负载释放，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性直直变换电路。电容

15、C足够大，可认为输出电压恒定。,升降压型直直变换器主要应用于开关稳压电源中，输出负极性电压，输出电压可以高于或低于输入电压。,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,（S接通）,（S断开）,电感电流连续模式时，电路在1个开关周期内经历2个工作状态。,工作状态1（t0tl时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到tl时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为Ui，电感电流不断增长。二极管D处于断态。 工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感L向电容C释放磁能，电感电流不断减小，电感L两端的电压为Uo。直到t2时刻开关S再次开通，下一个开关周期开始。,稳态时，一个周期T内电

16、感L两端电压uL对时间的积分为零，即,所以输出电压为：,S处于通态uL = i,S处于断态uL = - Uo,当0D1/2时为降压，当1/2D1时为升压，故称作升降压变换电路。也有称之为升降压变换器。(Uo输出反极性),电压传输比推导（电感电流连续模式）,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态,工作状态1（S接通）,工作状态2（S断开）,工作状态3（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到tl时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为Ui，电感电流不断增长。二极管D

17、处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D向电容C释放磁能，电感电流不断减小，电感L两端的电压为Uo。 工作状态3（t2t3时段）：t2时刻电感电流减小到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。,2、电流临界连续时电路参数分析,临界状态时的工作波形,二极管D的电流在开关周期内的临界连续平均值 ：,电感电流峰值为 ：,整理得电感电流连续条件为 ：,由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，升降压型电路中二极管电流在一个开关周期内的平均值等于负载电流Io ：,oID,3、电感电流断续时电压

18、传输比推导,电感电流断续时的工作波形,S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D),根据电感利用伏秒平衡原则有：,二极管D的电流在一个开关周期内的平均值 ：,负载电流等于二极管D电流的平均值有：,电感电流峰值：,整理以上得：,整理以上得：,求解上式得：,令,电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。,5.2.4 Cuk变换器,S导通、D截止时，UiLS回路和RL1C1S回路有电流。电感L储能，电容C1释放能量给负载和L1，电感L1储能。S关断、 D导通时，UiLC1D回路和RL1D回路有电流。电感L和电源Ui将能量释放给电容C1，电感L1释放能量给负载。输出电压的极性与电源

19、电压极性相反。假设电容C1很大，两端电压UC1保持不变,Cuk变换器可输出相对于输入电压为负极性的电压，电路中电容C1用于存储能量并把输入能量传送到输出端。,1、（电感电流连续模式）工作周期过程分析,电感电流都连续的情况下，电路在1个开关周期内经历2个工作状态。,S接通,S断开,工作状态1（t0t1时段）：开关S为通态，D断开，L和L1的电流均增加。工作状态2（t1t2时段）：开关S为断态，D导通，L经Ui、D、C1回路续流，L1经D和C续流。,2、电压传输比推导 (利用电感伏秒平衡),电感L和L1两端电压在一个开关周期内的平均值为：,伏秒平衡,UL0,UL10,求解上式得：,-负号表示输出电

20、压与输入电压极性相反，其输出电压既可以高于其输入电压，也可以低于其输入电压。,优点（与升降压变换电路相比）：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。,5.3 隔离型直直变换器,1、单端正激型变换器（Forward Converter)2、单端反激型变换器（Flyback Converter)3、推挽型变换器（Push-Pull Converter)4、半桥型变换器（Half-Bridge Converter)5、全桥型变换器（Full-Bridge Converter),5.3.1 单端正激型变换器（Forward Converter),单端正激型变换器

21、结构如下图所示，图中变压器的第三绕组为去磁（复位绕组），其作用是将变压器铁芯中存储的能量（激磁能量）反送到电源中去。 因为变压器的存在，输入和输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离。,工作特点：,导通时，通过变压器1-2绕组将电能耦合到输出端，输出端二极管D1导通，D2截止，将能量释放给电感L和负载。关断时，二极管D3导通，通过第3绕组给变压器进行磁复位，二极管D1截止，D2导通，电感L将能量释放给负载。电容C1、C2足够大，可认为输入、输出电压恒定。,变压器匝数为：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,电感电流连续状态时电路在1个开关周期内经历2个工作状态,S接通 状态,S断开 状态,1

22、、电感电流连续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：t0时刻，开关S接通，变压器绕组1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组2两端的电压也是上正下负。因此D1处于通态，D2为断态，电感L的电流逐渐增长，直到t1时刻，开关S断开；工作状态2（t1t2时段）：t1时刻，开关S断开后，电感L通过D2续流，D1关断，L的电流逐渐下降。S承受的关断电压为：,S接通 状态,S断开 状态,变压器磁心复位：,变压器的励磁电流i1由零开始，随着时间的增加而线性增长，直到S断开。S断开后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回到零。否则，变压器励磁电流会在以后周期中逐周累积，导致变压器饱和

23、而损害变压器。,变压器的绕组3和二极管D3组成复位电路。其工作原理为：开关S断开后，变压器励磁电流通过绕组3和D3流回电源，并逐渐线性地下降为零。从S断开到绕组3的电流下降到零所需的时间trst ，要求关短时间大于复位时间。,2、电压传输比推导 (利用电感伏秒平衡),开关S导通的伏秒值：,开关S关断的伏秒值：,因此：,则：,在电流连续工作模式状态下，单端正激型变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比为的占空比D和变压器2、1绕组的匝比，和相当于输入电压为 的BUCK变换器。电压调节范围更宽。,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态,工作状态

24、1（S接通）,工作状态2（S断开）,工作状态3（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：t0时刻，开关S接通，变压器绕组1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组2两端的电压也是上正下负。因此，Dl处于通态，D2为断态，电感L的电流逐渐增长，直到t1时刻，S断开。 工作状态2（t1t2时段）：t1时刻，开关S断开后，电感L通过D2续流，Dl关断，L的电流逐渐下降，直到t2时刻，电感电流降到零。 工作状态3（t2t3时段）：电感电流下降到零后，二极管D2关断，电容C向负载提供能量，直到t3时刻，开关S再次接通。,2、电路参数计算,输入输出电压传输比：,电

25、感电流临界连续的条件 ：,-正激型变换器本质上属于BUCK变换器派生，电感电流临界连续的条件和BUCK变换器一样（该值计算与输入电压无关）。,-单端正激型变换器电路的电压传输比和降压型电路非常相似，仅有的差别在于增加了变压器的电压比 。,总结：正激型电路简单可靠，广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中；但该电路中变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第1象限，变压器没有得到充分利用 。,5.3.2 单端反激型变换器（Flyback Converter),单端反激型变换器结构如下图所示，该电路可以看成是将升降压型电路中的电感换成变压器绕组1和绕组2相互耦合的电感而得到的，变压器工作在储能方式。因为

26、变压器的存在，输入和输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离。,工作特点：,导通时，通过变压器原边1绕组储存能量，输出端二极管D截止，输出电容储能提供给负载。关断时，二极管D导通，储存在变压器中的能量通过副边绕组释放给输出电容(储能）和负载。变压器不存在复位问题,变压器匝数为：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,电感电流连续状态时电路在1个开关周期内经历2个工作状态,S接通 状态,S断开 状态,1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S开通后，二极管D处于断态，绕组1的电流线性增长，其电感储能增加。 工作状态2（t1t2时段）：开关S关断后，绕组1中的电流

27、被切断，变压器中的磁场能量通过绕组2和二极管D向输出端释放（变压器不存在复位问题）。 S承受的关断电压为：,S接通 状态,S断开 状态,2、电压传输比推导 (利用电感伏秒平衡),开关S导通的（原边绕组）伏秒值：,开关S关断的（原边绕组）伏秒值：,因此：,则：,在电流连续工作模式状态下，单端反激型变换电路等效为升降压变换器（相当于增加了一个匝比系数），相当于输出电压为 的升降压变换器。,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态,工作状态1（S接通）,工作状态2（S断开）,工作状态3（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作

28、状态1（t0t1时段）：开关S开通后，二极管D处于断态，绕组1的电流线性增长，电感储能增加。 工作状态2（t1t2时段）：开关S关断后，绕组1中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组2和二极管D向输出端释放，直到t2时刻，变压器中的磁场能量释放完毕，绕组2中电流下降到零，D关断。 工作状态3（t2t3时段）：绕组1和绕组2中电流均为零，电容C向负载提供能量。,2、电路参数计算,输入输出电压传输比：,电感电流临界连续的条件 ：,-反激型变换器本质上属于升降压变换器的派生，电感电流临界连续的条件和升降压变换器一样（该值计算与输出电压无关）。,-单端反激型变换器电路的电压传输比和升降压型电路非常相

29、似，仅有的差别在于增加了变压器的匝比 。,总结：反激型变换器电路的结构最为简单，元器件数少，因此成本较低，广泛应用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中；但该电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的第1象限，变压器利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，不适合用于较大功率的开关电源。,5.3.3 推挽型变换器（Push-Pull Converter),推挽型变换器结构如下图所示，变压器原副边采用中心抽头结构，原边上下两半绕组匝数相同，副边上下两半绕组匝数亦相同。,工作特点：,两个开关S1和S2交替导通，在绕组1和绕组1两端分别形成相位相反的交流电压。 开关S1导通时，二极管D1处于通态，开关S2导

30、通时，二极管D2处于通态，当两个开关都关断时，二极管D1和D2都处于通态，各分担电感电流的一半（原边电流为零，磁动势平衡，副边电流大小相等、方向相反）。 开关S1或S2导通时，电感L的电流逐渐上升；两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。开关S1和S2断态时承受的峰值电压均为2Ui,变压器原副半绕组匝数：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,电感电流连续状态时电路在1个开关周期内经历4个工作状态,工作状态1（S1接通状态）,工作状态2（D1/D2续流状态）,工作状态3（S2接通状态）,工作状态4（D1/D2续流状态）,若开关S1与S2的导通时间不对称，变压器一次侧绕组存在偏磁饱和危险开关S

31、1和S2不能同时处于通态（避免一次绕组短路），每个开关导通时间小于周期的50%（留有死区）,1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S1接通，二极管D1导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1、滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态2（t1t2时段）：所有开关都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，电感通过D1和D2续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。工作状态3（t2t3时段）：开关S2接通，二极管D2导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2、滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态4（t3t4时段）：与工作状态2相同。,工作状

32、态1,工作状态2-4,工作状态3,2、电压传输比推导 (利用电感伏秒平衡),开关S1导通的伏秒值：,开关S1关断（D1/D2续流）的伏秒值：,因此：,则：,相当于两个正激变换器在一个周期内对称工作，对变压器原边而言，一半绕组处于正激工作模式时，对另外一半绕组进行磁复位。,因为工作状态1、2和工作状态3、4为对称关系，取半个周期计算：,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,电感电流断续状态时电路在1个开关周期内经历6个工作状态,工作状态1（S1接通状态）,工作状态2（D1/D2续流状态）,工作状态4（S2接通状态）,工作状态5（D1/D2续流状态）,工作状态3（电感电流为零）,工作状态6（电感

33、电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关S1接通，二极管D1导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1、滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态2（t1t2时段）：所有开关都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，电感通过D1和D2续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。工作状态3（t2t3时段）：电感电流保持零值，电容C向负载R供电。直到t3时刻，开关S2接通。工作状态4（t3t4时段）：开关S2接通，二极管D2导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2、滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态5（t4t5时段）：与工作状态2

34、相同。工作状态6（t5t6时段）：与工作状态3相同。,2、电路参数计算,输入输出电压传输比：,电感电流临界连续的条件 ：,-推挽型变换器本质上和BUCK变换器相似，取半个周期计算。,-推挽型变换器电路的电压传输比和降压型电路相同，取半个周期计算。,总结：应用于中等功率等级，需要解决原边绕组偏磁问题。,5.3.4 半桥型变换器（ Half Bridge Converter),半桥型变换器结构如下图所示，变压器副边采用中心抽头结构，变压器一次侧两端分别连接在电容C1、C2的连接点和开关Sl、S2的连接点。,工作特点：,电容C1、C2的电压均为Ui/2 。（实际应用中要求电压均衡） S1开通、S2关

35、断时，C1上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经S1、变压器向C2充电，C2储能增加。 S1关断、S2导通时，C2上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经变压器、S2向C1充电，C1储能增加。开关S1和S2断态时承受的峰值电压均为UiSl与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，变压器二次侧电压经D1、D2整流，L、C滤波后即得到直流输出电压。,原边绕组匝数：,副边半绕组匝数：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,电感电流连续状态时电路在1个开关周期内经历4个工作状态,工作状态1（S1接通状态）,工作状态2（D1/D2续流状态）,工作状态3（S2接通状态）,工作状态4（D1

36、/D2续流状态）,为了避免上下两开关在换相过程中发生“直通”而造成短路损坏开关，每个开关各自的导通时间不能超过周期的50%，并应留有裕量。,1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关Sl导通时，二极管Dl处于通态，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1和滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态2（t1t2时段）：开关Sl、S2都处于断态，D1和D2都处于通态，各分担一半的电流。电感L的电流逐渐下降。 工作状态3（t2t3时段）：开关S2导通时，二极管D2处于通态，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2和滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态4（t3t4时段

37、）：与工作状态2相同。,工作状态1,工作状态2-4,工作状态3,2、电压传输比推导 (利用电感伏秒平衡),开关S1导通的伏秒值：,开关S1关断（D1/D2续流）的伏秒值：,因此：,则：,电压传输比和BUCK、推挽变换器具有相似性。,因为工作状态1、2和工作状态3、4为对称关系，取半个周期计算：,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,电感电流断续状态时电路在1个开关周期内经历6个工作状态,工作状态1（S1接通状态）,工作状态2（D1/D2续流状态）,工作状态4（S2接通状态）,工作状态5（D1/D2续流状态）,工作状态3（电感电流为零）,工作状态6（电感电流为零）,1、电感电流断续时电路的周期

38、工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：t0时刻，开关Sl接通，绕组1两端的电压为上正下负，绕组2两端的电压也是上正下负，Dl处于通态，D2为断态。电感L的电流逐渐增长。 工作状态2（t1t2时段）：开关Sl、S2都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，电感通过D1和D2续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降为零。工作状态3（t2t3时段）：电感电流保持零值，电容C向负载R供电。直到t3时刻，开关S2接通。工作状态4（t3t4时段）：t3时刻，开关S2开通，绕组1两端的电压为下正上负，与其耦合的绕组2两端的电压为下正上负，D2处于通态，Dl为断态，电感L的电流逐渐增长。工作状

39、态5（t4t5时段）：与工作状态2相同。工作状态6（t5t6时段）：与工作状态3相同。,2、电路参数计算,输入输出电压传输比：,电感电流临界连续的条件 ：,-半桥型变换器本质上和BUCK变换器相似，取半个周期计算。,-半桥型变换器电路的电压传输比和降压型电路相似，取半个周期计算。,总结：应用于中等功率等级，变压器隔直作用，不存在偏磁问题。,5.3.5 全桥型变换器（ Full Bridge Converter),全桥型变换器结构如下图所示， 4个开关组成，副边采用桥式整流。,工作特点：,互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两个开关交替导通，将直流电压逆变成幅值为Ui的交流电压u1，加在

40、变压器一次侧。 改变开关的占空比，就可以改变整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。每个开关断态时承受的峰值电压均为Ui。,变压器匝数为：,一、（电感电流连续模式）工作原理与推导,电感电流连续状态时电路在1个开关周期内经历4个工作状态,工作状态1（S1/S4 D1/D4导通）,工作状态2（D1/D4 D2/D3续流状态）,若S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，会出现偏磁问题（一次侧回路中串联一个电容解决）。为了避免上下两开关在换相过程中发生“直通”而造成短路损坏开关，每个开关各自的导通时间不能超过周期的50%，并应留有裕量。,工作状态3（S2/S3 D3/D3导通）,工作状态4（D1

41、/D4 D2/D3续流状态）,1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析,工作状态1（t0t1时段）：开关Sl、S4接通，二极管D1、D4导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1与D4、滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态2（t1t2时段）：所有开关都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，电感通过D1、D4和D2、D3续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。工作状态3（t2t3时段）：开关S2、S3接通，二极管D2、D3导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2与D3、滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态4（t3t4时段）：与工作状态2相同。,2、电压传输比推导

42、(利用电感伏秒平衡),开关S1/ S4导通的伏秒值：,开关S1/ S4关断（续流）的伏秒值：,因此：,则：,电压传输比和BUCK、推挽、半桥变换器具有相似性。,因为工作状态1、2和工作状态3、4为对称关系，取半个周期计算：,二、（电感电流断续模式）工作原理与推导,电感电流断续状态时电路在1个开关周期内经历6个工作状态,工作状态3（电感电流为零）,工作状态1（S1/S4 D1/D4导通）,工作状态2（D1/D4 D2/D3续流状态）,工作状态4（S2/S3 D3/D3导通）,工作状态6（电感电流为零）,工作状态5（D1/D4 D2/D3续流状态）,1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析,工作状

43、态1（t0t1时段）：开关Sl、S4接通，二极管D1、D4导通，电感电流经变压器绕组2、二极管D1与D4、滤波电容C及负载R，电感电流增长。 工作状态2（t1t2时段）：所有开关都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，电感通过二极管Dl、D4和D2、D3续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。工作状态3（t2t3时段）：电感电流保持零值，电容C向负载R供电。直到t3时刻，开关S2、S3接通。工作状态4（t3t4时段）：开关S2、S3接通，二极管D2、D3导通，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2与D3、滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态5（t4t5时段）：与工作状态2相

44、同。工作状态6（t5t6时段）：与工作状态3相同。,2、电路参数计算,输入输出电压传输比：,电感电流临界连续的条件 ：,-全桥型变换器本质上和BUCK变换器相似，取半个周期计算。,-全桥型变换器电路的电压传输比和降压型电路相似，取半个周期计算。,总结：应用于大功率等级。,5.4 直流斩波器,直流斩波器属于非隔离型直直变换器，主要不同之处在于给直流电动机供电。直流斩波器可调节直流电压的大小，也可调节电阻和磁场的大小，是直流电机调速的主要手段，如直流电网供电的地铁车辆、电车等。,1. 降压斩波器,输出电压平均值：,由于1,所以,即斩波器输出电压平均值小于输入电压，故称为降压斩波器。,-负载电动机的

45、调速范围一般是零到额定转速，因此，一般情况下电动机直流调速系统均采用降压斩波器。,2. 升压斩波器,当斩波器导通时，电源电压加于电感L上，电感储能，与此同时电容C向负载放电，而隔离二极管D因受电容C施加的反向电压而关断。当斩波器关断时，电感L中的电流维持原来的流通方向不变，其自感电势改变极性并和电源电压叠加，强制电流进入负载并给电容C充电,降压斩波器和升压斩波器为第一象限斩波器。,3.第二象限斩波器,使电机作为发电机运行，利用升压斩波器的原理，可构成第二象限斩波器电路,通过适当调节导通比便可把负载电机的电压升到大于电源电压 ，从而把负载电机产生的能量反馈到电源中去，此时，电压 跟电动机状态运行

46、时的极性一致，而且是正的，但电枢电流 改变了流向而成为负的，电机工作于第二象限，故称它为第二象限斩波器。因功率流向是从电机到电源，直流电动机工作于再生制动工况，因此又把这种电路称为再生斩波器。,4. 二象限斩波器,A型二象限斩波器（电压方向为正、电流可正可负）,斩波器T1和二极管D1在电动机运行状态下工作，而T2与D2则在再生制动运行时工作。这样该电路就保证电源与负载电机之间的功率流向是可逆的。,当 时，功率流向是从电源到电机，电机工作于电动机运行状态。,当 时，功率流向改变，电机变为再生制动工况运行。,T1作为降压斩波器工作，将电源的功率传递给电机，控制T1的导通比可以调节电机的转速，而T2

47、作为升压斩波器工作，将电机的功率传递给电源，控制T2的导通比可以调节电机的制动功率。,4. 二象限斩波器,B型二象限斩波器（电流方向为正、电压可正可负）,T1、T2两斩波器同时工作，这时E为正，且 ，功率流向从电源到负载，i为正，电机吸收功率。,其中的一个斩波器T1和一个二极管D2同时导通，负载电路被短接， ，不管是正还是负，电枢电流 均经这两个导通管续流。,D1、D2两二极管同时导通，这时E为负，而且必须 ，功率流向从电机到电源，将电能反馈到电网去。,5. 四象限斩波器（桥式可逆直流斩波电路）,输出电压和电流的极性都可以改变。,桥式可逆直流斩波电路,使T4保持导通、T3关断时，控制T1、T2的通断，输出电压为正电压，输出电流可正可负，可使电动机工作于第1、2象限。使T2保持导通、T1关断时，控制T3、T4的通断，输出电压为负电压，输出电流可正可负，可使电动机工作于第3、4象限 。,