第2章 PWM直流变换电路

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1、1 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 单象限降压型电路单象限降压型电路 2.3 2.3 2.8 2.8 其它电路简介其它电路简介 第第2 2章章 PWMPWM直流变换电路直流变换电路22.1 2.1 概述概述 2.1.1 2.1.1 电力电子电路的分类电力电子电路的分类 2.1.2 2.1.2 直流变换电路的分类直流变换电路的分类 2.1.3 2.1.3 直流变换电路的基本用途直流变换电路的基本用途2.1.1 电力电子电路的分类电力电子电路的分类电力电子电路电力电子电路按电路作用按电路作用功率电路（主电路）功率电路（主电路）控制电路控制电路按变换功能按变换功能直流变换电路直流变换电路交

2、流变换电路交流变换电路整流电路整流电路逆变电路逆变电路按变换级数按变换级数按控制方式按控制方式按开关环境按开关环境按电能流传方向按电能流传方向直接变换电路直接变换电路间接变换电路间接变换电路相控式电路相控式电路频控式电路频控式电路斩控式电路斩控式电路组合式电路组合式电路软开关电路软开关电路硬开关电路硬开关电路单向电路单向电路双向电路双向电路2.1.2 直流变换电路的分类直流变换电路的分类直流变换电路直流变换电路按输入输出电压按输入输出电压降压电路降压电路升压电路升压电路升升/降压电路降压电路按工作范围按工作范围按控制方式按控制方式按变换级数按变换级数按电路构成按电路构成电流双象限电流双象限电压

3、双象限电压双象限单象限电路单象限电路双象限电路双象限电路四象限电路四象限电路脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWMPWM）脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFMPFM）混合调制混合调制直接式电路直接式电路间接式电路间接式电路基本电路基本电路组合电路组合电路按入端滤波按入端滤波电压源电路电压源电路电流源电路电流源电路52.1.3 直流变换电路的基本用途直流变换电路的基本用途直流变换电路可用于构成直流调速电源和开关电源等。传统的直流调速电源由相控式整流电路构成，但存在传统的直流调速电源由相控式整流电路构成，但存在 深控下网侧功率因数低，功率密度低和系统快速性差深控下网侧功率因数低，功率密度低和系统快速性差

4、等缺点。等缺点。PWMPWM直流变换电路能够克服相控电路存在直流变换电路能够克服相控电路存在 的缺点。因而更适合于车辆电力传动和各种伺服系统。的缺点。因而更适合于车辆电力传动和各种伺服系统。 小容量直流稳压电源的传统形式是串联线性型电源。小容量直流稳压电源的传统形式是串联线性型电源。 这种电源存在效率低，体积大和可靠性差等缺点。由这种电源存在效率低，体积大和可靠性差等缺点。由 于采用开关频率较高的斩控开关方式，直流变换电路于采用开关频率较高的斩控开关方式，直流变换电路 能克服传统电源的缺点，成为广泛应用的新型开关式能克服传统电源的缺点，成为广泛应用的新型开关式 直流稳压电源直流稳压电源( (简

5、称开关电源简称开关电源) )。62.2 2.2 单象限降压（单象限降压（BuckBuck）型电路）型电路 2.2.1 2.2.1 电路外特性分析电路外特性分析 2.2.2 2.2.2 输出滤波电路的参数选择输出滤波电路的参数选择 2.2.3 PWM 2.2.3 PWM控制电路控制电路72.2.1 电路外特性分析电路外特性分析图2-1单象限降压型电路a)电路结构b)等效电路c)CCM下的电量波形d)DCM下的电量波形e)带直流电动机负载82.2.1 电路外特性分析电路外特性分析1 1、基本假设、基本假设 1 1）电路中所有器件）电路中所有器件( (包括全控型器件包括全控型器件VTVT和二极管和二

6、极管VDVD，图中，图中VT VT 符号将代表电力符号将代表电力MOSFETMOSFET、IGBTIGBT和和GTRGTR等全控型器件等全控型器件) )均无惯性，因均无惯性，因而开关状态的更迭均瞬间完成，也即图而开关状态的更迭均瞬间完成，也即图2-1b2-1b中等效开关中等效开关S S位置的转位置的转换不需要时间。换不需要时间。 2 2）VTVT和和VDVD导通内阻同导通内阻同为为r ronon，滤波电感直流内阻，滤波电感直流内阻r rL L ，图，图2-1a2-1a等效直流内阻等效直流内阻r ro o = = r ronon + + r rL L 。 3 3）直流电源无纹波（）直流电源无纹波

7、（C Cd d足够大），足够大），u ud d U Ud d，直流母线的分布，直流母线的分布电感电感LsLs=0=0。 4 4）输出滤波电感）输出滤波电感LoLo足够大，电感电流足够大，电感电流i iL L近似于线性升降；输近似于线性升降；输出滤波电容出滤波电容CoCo足够大，无源负载电压足够大，无源负载电压u u1 1无纹波，即无纹波，即u u1 1 = =U U1 1。92.2.1 电路外特性分析电路外特性分析图2-2降压型电路的开环外特性实线为实线为r ro o =0情况 ； 点画线为点画线为r ro o 0情况；虚线为CCM与DCM分界线102.2.1 电路外特性分析电路外特性分析2

8、2、电流连续状态（、电流连续状态（CCMContinuous Current ModeCCMContinuous Current Mode）下的外特性分析）下的外特性分析 t=ton时控制时控制VT导通；导通； t=toff时控制时控制VT截止截止则：则：D=ton/T =/T 称为占空比称为占空比 ， Do=toff /T=1-D 112.2.1 电路外特性分析电路外特性分析1 1） r ro o = = 0 0的情况的情况TttUttUUuonoonodL0电感电感L两端的电压：两端的电压： 电感电感L的电流的电流iL，在稳态运行时，一个周期内的增量和减量相等，即：，在稳态运行时，一个周期

9、内的增量和减量相等，即： 00TtLtLonondtLudtLu（2-2）直流输出电压：直流输出电压： 01LUddonoUDUUTtU（2-3）直流电压增益：直流电压增益： DUUUUAdodV1（2-4）122.2.1 电路外特性分析电路外特性分析2 2） r ro o 0 0的情况的情况直流输出电压直流输出电压： oodooorIDUrIUU1（2-6）即： dodUrIDUU01（2-7）临界连续电流：临界连续电流： odocLDTDUI20（2-11）最大临界连续电流：最大临界连续电流： odocmLTUI8（2-12）则： DDIIocmoc04（2-13）或 DDIIocmoc0

10、4132.2.1 电路外特性分析电路外特性分析3 3） 带电动机负载的情况带电动机负载的情况直流输出电压：直流输出电压： ddonoDUUTtU直流电动机反电势：直流电动机反电势： nCrIUEeooom（2-14）直流电动机转速：直流电动机转速： eoodeoooCrIDUCrIUn即： doooUrIDnn（2-15）其中：其中： 称空载转速称空载转速 （即电动机的额定转速）（即电动机的额定转速）edoCUn 142.2.1 电路外特性分析电路外特性分析3 3、电流断续状态（、电流断续状态（DCMDiscontinuous Current ModeDCMDiscontinuous Curr

11、ent Mode）下的外特性分析）下的外特性分析 t=ton时控制时控制VT导通；导通； t=toff时控制时控制VT截止截止截止期间，导通期间，VDTDVDTDp152.2.1 电路外特性分析电路外特性分析负载电流平均值：负载电流平均值： )(21pLmoDDII由： （2-16）DTLUUIoodLm（2-18）TDUDTUUpood)（得： DUUUDoodp（2-17）而： 则：将式（则：将式（2-17）和式（）和式（2-18）代入式（）代入式（2-16）整理得）整理得 ocoIIodocmododoUUDIUUDLTUI) 1(4) 1(222（2-19）直流输出电压：直流输出电压：

12、 ocoIIocmodoDIIUU24/11（2-20）162.2.2 输出滤波电路的参数选择输出滤波电路的参数选择1 1、滤波电感、滤波电感L Lo o 的选择的选择ocdoIDTDUL2)1 ( （2-21）电路工作在电路工作在CCMCCM状态，设最小平均电流为状态，设最小平均电流为I IoMoM , ,则则)1 (22)1 (dooMooMdoUUfIUIDTDUL（2-22）2 2、滤波电感、滤波电感C Co o 的选择的选择ITITDDTQo812)22(21（2-25）288fCLDDUICTCQUooodooo28fULDDUCooodo（2-26）172.2.3 PWMPWM控

13、制电路控制电路1、单象限变换电路的一般控制结构图2-3PWM DCDC变换电路结构图1直流电源2功率开关主电路3输出滤波电路4负载5驱动电路6检压电路7电压调节器8PWM信号生成电路9振荡器10分相电路11电压给定182.2.3 PWMPWM控制电路控制电路2、用SG1525控制的直流不可逆调速系统图2-4IGBT不可逆直流调速系统192.2.3 PWMPWM控制电路控制电路图2-4IGBT不可逆直流调速系统图2-5SG1525的内部结构图8组合门：四输入或（或非）门。产生产生PWMPWM信号信号u up pQ（1 1）正）正常调速过程：调常调速过程：调R Rp p，即调给即调给定定uR1基准

14、电压源：三端稳压电路，输出电压UST=5.1V，精度为1%。2振荡电路：产生锯齿波UC和矩形波UK。3误差放大器：对电压给定uR和反馈信号uf差值进行放大。4APWM比较器 4BPWM锁存器5分相电路：由触发器构成，产生相位互补两路方波Q和6输出电路 ：两组结构相同的功放构成。 7欠电压封锁：输出欠电压信号。（2 2）软启动功能软启动功能：C Csoso产生缓升电压产生缓升电压u usoso（3 3）欠电压保护：欠电压保护：U Ucc1 cc1 7V7V时，封锁时，封锁PWMPWM信号信号（4 4）故障封锁：故障电压故障封锁：故障电压U UFU FU 封锁封锁PWMPWM信号信号（5 5）死区

15、宽度调节：调死区宽度调节：调R RD D。202.2.3 PWMPWM控制电路控制电路图2-6控制芯片SG1525的电量波形TTCRt67. 01TDCRt3 . 12为死区时间s212.32.32.8 2.8 其它电路简介其它电路简介 2.3 2.3 单象限升压型电路单象限升压型电路 2.5 2.5 电流双象限电路电流双象限电路 2.6 2.6 电压双象限电路电压双象限电路 2.7 2.7 单极性单极性PWMPWM四象限电路四象限电路 2.8 2.8 双双极性极性PWMPWM四象限电路四象限电路 2.4 2.4 单象限隔离型电路单象限隔离型电路222.3 2.3 单象限升压（单象限升压（Bo

16、ostBoost）型电路）型电路图2-9单象限升压型电路a)主电路(r ro o =0)b)等效电路c)电量波形(CCM)d)电量波形(DCM)e)主电路(r ro o 0)232.3 2.3 单象限升压（单象限升压（BoostBoost）型电路）型电路升压型电路的典型应用升压型电路的典型应用：（1 1）单相功率因数校正（单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFCPower Factor CorrectionPFC）电路）电路；（2 2）直流电动机传动直流电动机传动。 补充图补充图 1 用于直流电动机传动的升压型电路用于直流电动机传动的升压型电路 直流电动机工作在直

17、流电动机工作在第二象限，处于发电制第二象限，处于发电制动状态。动状态。图2-1单象限降压型电路 直流电动机工作在第直流电动机工作在第一象限，处于电动状态。一象限，处于电动状态。242.5 2.5 电流双象限电路电流双象限电路图2-27电流双象限电路的电量波形a)主电路结构b ) Io 0c) =0d) 0IoIo252.6 2.6 电压双象限电路电压双象限电路图2-34电压双象限电路的电量波形a)主电路结构b ) Uo 0c) 0Uo262.6 2.6 电压双象限电路电压双象限电路图2-36不同工作象限下的平均值等效电路a)第一象限b)第二象限c)第三象限d)第四象限272.7 2.7 单极性

18、单极性PWMPWM四象限直流变换电路四象限直流变换电路图2-38同频式单极性PWM四象限直流变换电路a)主电路结构b)等效电路c) 0时电量波形d) 0时电量波形UsUs282.7 2.7 单极性单极性PWMPWM四象限直流变换电路四象限直流变换电路292.8 2.8 双极性双极性PWMPWM四象限直流变换电路四象限直流变换电路302.4 2.4 单象限隔离型电路单象限隔离型电路补充图补充图2 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构同前述电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为同前述电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直直交交直直 电路电路。 采用这种结构较为复杂的电路来完成直流

19、采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因直流的变换有以下原因 输出端与输入端需要隔离。输出端与输入端需要隔离。 某些应用中需要相互隔离的多路输出。某些应用中需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压的比例远小于输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于或远大于1。 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、滤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、滤波电容的体积和重量。波电容的体积和重量。 如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交交直直 交交直直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。电路，

20、采用这种电路的装置通常被称为开关电源。 312.4 2.4 单象限隔离型电路单象限隔离型电路图图2-162-16单端反激式电路单端反激式电路322.4 2.4 单象限隔离型电路单象限隔离型电路图图2-212-21单管正激式电路单管正激式电路332.4 2.4 单象限隔离型电路单象限隔离型电路图图2-24双管正激式电路双管正激式电路342.4 2.4 隔离型电路隔离型电路补充图补充图3 半桥电路原理图半桥电路原理图补充图补充图4 全桥电路原理图全桥电路原理图352.4 2.4 隔离型电路隔离型电路补充图补充图5 推挽电路原理图推挽电路原理图362.4 2.4 隔离型电路隔离型电路电路电路优点优点

21、缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简可靠性高，驱动电路简单单变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几百几百W几几kW各种中、小功率电各种中、小功率电源源反激反激电路非常简单，成本很电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电低，可靠性高，驱动电路简单路简单难以达到较大的功率，难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几几W几十几十W小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消费计算机设备、消费电子设备电源。电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易变压器双向励磁，容易达到大功率达到大功率结

22、构复杂，成本高，有直通结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路的多组隔离驱动电路几百几百W几百几百kW大功率工业用电源、大功率工业用电源、焊接电源、电解电焊接电源、电解电源等源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关变压器偏磁问题，开关较少，成本低较少，成本低有直通问题，可靠性低，有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电需要复杂的隔离驱动电路路几百几百W几几kW各种工业用电源，计各种工业用电源，计算机电源等算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一一次侧电流回路中只有一个

23、开关，通态损耗较小，个开关，通态损耗较小，驱动简单驱动简单有偏磁问题有偏磁问题几百几百W几几kW低输入电压的电源低输入电压的电源补充表补充表 1 各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较372.4 2.4 隔离型电路应用隔离型电路应用开关电源开关电源补充图补充图6 线性电源的基本电路结构线性电源的基本电路结构 补充图补充图7 半桥型开关电源电路结构半桥型开关电源电路结构 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此 已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。