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u o =U d ，并持续时间t on ，当开关S 断开时，负载上电压u o =0V ，并持续时间t off 。则T =t on +t off 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T

t k on =，则由波形图上可得输出电压得平均值为 d d on d off on on o kU U T

t U t t t U ==+=

（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t on。

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 on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t on)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u o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L G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，U d向负载电机输送能量，电路的输出电压u＝U d，续流二极管反向偏置，负载电流i由于平波电抗器L G的作用，在L G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L G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L G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U d通过L、L G和直流电动机对电容C充电。当充电结束时，电容中的电流i C＝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＝I D，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i V＝i C+I D。如图7-3b所示，当电容放电到最大值时，u C＝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i C↑。当充电结束时，i C＝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i V＝I D-i C，如图7-3d所示。i C↑，负载电流基本保持不变，当放电到最大值时，i C＝I D，i V＝0，此时晶闸管关断。此时u C＝0，放电结束。电源U d又通过L、L G和直流电动机对电容C充电，充电电流↓，i C＝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。