第五章电力电子技术(DCDC)

该模式下，K1、K4导通时间短，K2、K3导 通时间长，平均电压为负。
④模式四 ——斩波电路输出正向电压，负载 电流为负，电动机反转
该模式下，K1、K4导通时间长，K2、K3导 通时间短，平均电压为正。
3、受限单极性斩波控制
在正转期间使K2、K3一直关断，让K1进 行PWM控制，K4一直导通.
在反转期间使K1、K4一直关断，让 K2进行PWM控制，K3一直导通。
输入输出波形
VT导通与关断时的等效电路
5.3.2 Cuk斩波电路
ton Uo E E toff 1
VT导通与关断时的等效电路及电流通路
5.3.3 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Sepic斩波电路
ton Uo E E toff 1
VT导通与关断时的等效电路及电流通路
Zeta斩波电路
ton Uo E E toff 1
VT导通与关断时的等效电路及电流通路
5.4 可逆斩波电路 几个概念： 可逆：既可正，又可负。能量可双向传递。 电流可逆：电流的方向可正可负。 能量的双向传递： 电压或电流的方向可以反向，能量可 以双向流动。 可逆斩波电路：斩波电路的电流或能量可 逆向流动。
MOSFET实际上是一个双向导电器件，以往的 应用中只利用了正向导电特性，形成了MOSFET只 能单向导电的概念。由于MOSFET存在寄生二极管， 在用作同步整流管SR时，将MOS管反接使用，即源 极S接电源正端，相当于二极管的阳极，漏极D接电 源负端，相当于二极管的阴极，当MOS管在门极信 号的作用下导通时，电流从源极S流向漏极D。 事实上，同步整流技术已经成为现代开关电源技 术的标志，凡是高水平的开关电源，必定有同步整流 技术。使用上，不再局限于5V、3.3V、2.5V、1.8V 这些低输出电压领域，12V、15V、24V也在使用同 步整流技术。
5.1 直流降压斩波电路（Buck电路）
VT导通与关断时的等效电路
负载电流断续
5.2 直流升压斩波电路（Boost 电路）
T Uo E toff
VT导通与关断时的等效电路
5.3 直流升降压斩波电路 5.3.1 升降压斩波电路 （Buck - Boost chopper）
升降压斩波电路
5.6.2 同步整流电路的基本原理
半波同步整流电路及波形图
上图中，在u1的正半波，给SR的栅极施加控制信 号ugs，则同步整流管导通，电流i由源极S流向漏极D。 在此期间，电阻R两端的电压就等于u1。在u1的负半 波，SR的栅极所施加控制信号ugs变为零，同步整流管 关断，电路断开，电阻R两端的电压变为零。到下一个 电源周期时，重复开通和关断同步整流管，则负载R上 就得到了半周期电压，从而实现了半波整流。在该电路 中，电源电压与SR的栅极控制信号是同步变化的。因 SR中存在体二极管，图中电路还会出现另一种工作状 态。即电路工作时，如果不给栅极施加控制信号，电路 仍会在电压周期的正半波由电源、电阻R、体二极管构 成回路。不过此时SR的体二极管的正向导通压降和反 向恢复时间都较大，故在这种情况下，整流过程产生的 损耗将会明显增加。这也是同步整流管的源极S接电源 正端的原因。
第三种工作方式——电流io有正有负，平均 值很小，对于电动机而言，相当于负载很小
电流io为正时，分VT1导通和关断两种情况：
电流io为负时，分VT2导通和关断两种情况：
第三种工作方式的另一种理解法—— 把VT1和VD2、VT2和VD1当作两个双向开关 双向开关： 开关电流有正有负，开关可双向导电， 更接近理想开关。 IGBT与二极管反并联可以理解为一个 开关。
5.5.1 单端正激变换器
单端变换器是在降压斩波电路中插入隔离变压 器构成的，典型的单端正激变换器如下图所示。
N1 u+
N1
N2 VD1 + u
N2
L uD +
N3 uN3 + E V
VD2
C
Uo
R
VD3
降压斩波电路
变压器有三个绕组，N1是一次绕组，N2是二次绕组， N3是复位绕组，L是输出滤波电感，C是输出滤波电容， VD1是输出整流二极管，VD2是续流二极管，VD3是复位绕 组的串联二极管。 电路中开关管V按PWM控制方式工作。V开通时，E加到 变压器原边绕组N1上，N1中电流iN1线性上升（因原边电压 恒定），变压器铁芯磁通Φ增加，在副边绕组N2中感应出上 正下负的电势，使二极管VD1导通，VD2截止，L储能，流经 其电流逐渐增大，变压器向负载提供能量。这期间，复位绕 组N3感应出负电压（下正上负），VD3截止。V关断时，变 压器原边绕组N1极性变为下正上负，副边绕组N2极性也随之 发生变化（变为下正上负），VD1关断，L的电流因不能突变 而经VD2续流，L放能，流经其电流逐渐减小。V关断期间， 变压器中储存的能量经绕组N3（极性变为上正下负）和复位 二极管VD3回馈到电源。
利用开关来表示的电流可逆斩波电路
工作原理分析 负载性质：电阻-电感-反电势 ——电流滞后电压 注意：K1、K2不能同时导通，否则电源短路。 K1导通时，或是VT1导通，或是VD2导通， 取决于电流的方向。电流为正， VT1导通，电 流为负， VD2导通。此时U0=E。能量的流向 取决于电流io的方向。 K2导通时， U0=0。电流io的方向取决于电 感中的储能情况。
总结：
受限单极性方式无论电动机正转还是 反转，都只有一只开关管处于PWM控制方 式，既减小了开关损耗又降低了上下桥臂 同时导通的机会，运行最可靠，应用最多。 缺点：负载较轻时，电动机电流小，出 现断续情况，负载平均电压提高，电动机转 速升高，机械特性变软。
5.5 带隔离变压器的DC/DC变换电路
单端反激变换器电流连续时的工作波形图
ube
O
ton T t1
toff t2 t
φ
O
t E
uN1
O
K12Uo
t
i1 I1min
O
I1max t
i2 I2max
O
I2min t
5.5.4 半桥变换器
隔离型半桥变换器电路
变压器一次侧的两个端子分别与C1、C2和全控 型器件V1、V2的中点相连；变压器二次绕组带有中 心抽头，构成全波整流电路。变压器二次绕组N2和 一次绕组N1的匝数比为K=N2／N1。设两个电容器 的容量相同，则电容器中点的电压为E／2。V1、V2 交替导通，在变压器一次侧形成幅值为E／2的交变 电压，改变V1、V2的导通占空比，就可以改变二次 侧整流电压uN2的平均值，也就改变了输出电压Uo。 为了避免上下两个开关同时导通而造成短路，每个 开关各自的占空比不能超过50%，且要留有足够的 裕量，这样就出现了二者同时关断的情况。
现代电力电子技术
第五章
DC/DC变换
DC/DC变换是干什么的？ DC/DC变换电路能将一组电参数的直流电 能变换为另一组电参数的直流电能。这些电参 数包括： 直流电幅值 直流电极性 为什么要进行DC/DC变换？ 应用DC/DC变换技术可使直流输出电压脉 动更小、纹波更低。具体：
直流传动装置——提高稳态和动态性能； 直流电源——减小体积、降低重量，提高效 率； 逆变焊机——降低体积和重量、提高电源效 率、提高焊接质量。 DC/DC变换的方法 目前主要用脉冲调制实现输出电压的控制， 方法主要有两种： 1、脉冲宽度调制（PWM）——应用较广 2、脉冲频率调制(PFM)
变换器波形图
ube
O
T/2 ube1 T
T/2 ube2 t
uN1 E/2
O
Ton u2 KE/2
O
E/2
t
t
iL
O
t
iVD3
O
t
iVD4
O
Ton
T/2
T
t
5.5.5 全桥变换器
隔离型全桥变换器电路
5.6 同步整流电路
5.6.1 同步整流电路概述 为了降低损耗提高电源效率，采用开关时间短、 输入阻抗高、导通压降低的电力MOSFET来代替二 极管完成整流。由电力MOSFET构成的、与一次侧 开关器件电压相位同步的整流电路就是同步整流电 路（SR）。用于同步整流的MOSTET要求具有双向 导电特性。同步整流管及其电路图形符号如下。
2、双极性斩波控制
使K1、K4和K2、K3成对按照PWM控制方 式交替导通，并且使K1、K2和K3、K4的导通 状态互补，避免电源短路。 四种工作模式： ① 斩波电路输出正向电压，负载电流为正 ② 斩波电路输出反向电压，负载电流为正 ③ 斩波电路输出反向电压，负载电流为负 ④ 斩波电路输出正向电压，负载电流为负
许多场合需要带隔离变压器的DC/DC变换电 路，结构如下图所示。也称直—交—直变换电路。
采用隔离型结构的电路实现DC/DC变换的原因： （1）输出端和输入端需要隔离； （2）某些应用中的多路输出之间需要隔离； （3）输出电压与输入电压的比值远小于1或者远大于 1； （4）交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压 器和滤波电感、电容的体积和重量。为了减小环境 噪声，交流环节的工作频率应高于20kHz这一人耳 的听觉极限，一般工作在几百kHz到几千kHz。 隔离型DC/DC变换电路分为： 单端（single end）电路 双端（double end）电路
5.5.3 单端反激变换器
单端反激变换器电路
i1 N1 u+ N1 E i2 VD N2 uN2 +
C
io + Uo R
变压器的一次绕组N1 与二次绕组N2的同名端相 反，C是输出滤波电容。
V
采用PWM控制方式。当全控型器件V开通 时，变压器原边绕组N1有电流流通，并有上正下 负的电压，变压器副边绕组N2的同名端耦合出同 样极性（下正上负）的电压，二极管VD截止，流 过绕组N1的电流i1线性增大，电感储存能量；当全 控型器件V关断时，电流i1变为零，二次绕组中产 生反方向的感应电势，即形成上正下负的电压，使 二极管VD导通，变压器中储存的磁场能量通过绕组 N2和二极管VD向负载释放。