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 宜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t仟。则T=t +七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 offon off示。若定义占空比为k =，则由波形图上可得输出电压得平均值为(7-1)U = onU = -o U= kU。t +1 d T d d 只要调节奴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，保持电路频率孑=l/T不 变，即工作周期T恒定，只改变开关S的导通时间妇。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t不变，改变on 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 平均电压吃的可调范围较宽，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 晶闸管宜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： 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。 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= TD，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iCf。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。iCf，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I，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导通一负载电流i0 f-VD反向截至；V关断一VD续流一"1（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u=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U =ton E =二 E = kE 0 t +1 T式中，ton为V处于通态的时间；占空比，简称占空比或导通比。由此式可知，U0最大为E电压变换电路。(7-2)offJ为V处于断态的时间；T=t +tff为开关周期；k为导通 offon off若减少奴则U0随之减小。因此将该电路称为降压式直流负载电流平均值为1 o =逐M(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1。维持为不变，电源只在 V处于通态时提供能量，为E成。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（RlT+ET）.-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EI t = RI 2T + E I To onoM o(7-4)i =EzEmo R(7-5)t , 假设电源电流平均值为I，则有 I =-°n I = kI11 T o o(7-6)其值小于等于负载电流Io，由上式得EI 1 = kEI = U I(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通态一VD反向阻断一I恒定(吃为恒值)；V断态一电压极性变反一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u。基本为恒值，设通态的时间为妇， 电感L上积蓄的能量为E I1ton。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t在，电感L释放的能量为(U -E) It仟。当电 offo 1 off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EIt = (U - E) It(7-8)1 ono1 off化简得U =二一E = - E(7-9)ot offt off上式中T/f 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 记为乃，即& =toff/T，则乃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k + P = 1(7-10)(7-11)因此，式(7-9)可表示为U° = |E = 土EBoost电路能使输出电压高于输入电压的原因：L储能以后具有使电压泵升的作用，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EI1 = U I（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。,U1 E根据电路结构，可得输出电流平均值I为I = 0-=(7-13)Oo RP R,U ,1 E由式（7-12）即可得出电源电流I1为I = I =(7-14)1 E oP 2 R2. 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通态一IL f-VD反向阻断;V断态一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I为O(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70E。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