第5章-直—直变换电路正激和反激20191104

第5章直流-直流变换电路15.4带隔离的单管直流-直流变换电路5.4.1正激电路5.3.2反激电路25.4带隔离的单管直流-直流变换电路3■基本的DC-DC变换器输出与输入之间存在直接电联系，其输入电压一般是从电网直接经整流滤波取得，而输出直接给负载供电，若输出电压等级与输入电压等级相差太大，势必影响调节控制范围。◆解决方法①先将电网电压经变压器变换成合适的工频交流电压，再进行整流滤波获得所需要的直流电压；②先将电网电压整流滤波得到初级直流电压，其次经过斩波或逆变电路将直流电变换成高频的脉冲或交流电，再经过高频变压器将其变换成合适电压等级的高频交流电，最后将这一交流电进行整流滤波获得负载所需要的直流电压。其中,从初级直流电压到负载所需要的直流电压的变换称隔离型DC-DC变换。5.4带隔离的单管直流-直流变换电路4◆采用这种结构较为复杂的电路来完成直流-直流变换的原因：(1)输出端与输入端需要隔离。(2)某些应用中需要相互隔离的多路输出。(3)输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1.带隔离的直流-直流变流电路分为单端（SingleEnd）和双端（DoubleEnd）电路两大类。在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流。图5-16隔离型DC-DC变换电路的结构同直流斩波电路相比，这种变流电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。55.4.1正激电路图5-17正激电路图5-18正激电路的工作波形正激（Forward）电路是一种典型的隔离型DC-DC变换电路，由于输入输出经过高频变压器隔离，具有良好的电气隔离性能，广泛应用于各种电子电路的控制电源和功率电源。◆工作原理开关VT开通后，变压器绕组W1、W2两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，绕组W3两端的电压是上负下正，使VD3关断，电感L的电流逐渐增长；VT关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。VT关断后变压器的励磁W3电流经绕组和VD3流回电源。VT关断后承受的电压为i31VT1UNNuN1、N3分别为绕组W1、W2的匝数65.4.1正激电路图5-19磁性复位过程各物理量的变化☞当VT导通时，原边线圈加正向电压并通以正向电流，磁芯中的磁感应强度将达到某一值，由于磁芯的磁滞效应，当VT关断时，线圈电压或电流回到零，而磁芯中磁通并不回到零，这就是剩磁通。剩磁通的累积可能导致磁饱和，因此需要进行磁复位。一般情况下，隔离型Buck变换器大多采用将剩磁能量馈送到输入端的再生式磁芯复位方法进行磁复位。☞在正激电路中，变压器绕组W3和二极管VD3组成复位电路。下面简单分析其工作原理。开关VT关断后，变压器励磁电流通过绕组W3和VD3流回电源，并逐渐线性地下降为零，从VT关断到绕组W3的电流下降到零所需的时间trst为3rston1NttN（5-56）T处于断态的时间必须大于trst，以保证VT下次开通前励磁电流能够降为零，使变压器磁心可靠复位。75.4.1正激电路在输出滤波电感电流连续的情况下，即VT开通时电感L的电流不为零，输出电压与输入电压的比为（5-57）oon2i1UtNUNT如果输出电感电流不连续，输出电压将高于式（5-57）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，。oU2oi1NUUN当VT导通时，二极管VD2承受的反向电压为2RVD2i1NUUN（5-58）二极管VD3承受的反向电压为3RVD3i1(1)NUUN（5-59）当VT截止时，变压器剩磁能量通过VD3和N3释放出来，这时，N3承受上正下负的电压，N1和N2将承受下正上负的电压，二极管VD1截止，VD2导通为滤波电感L提供续流回路，二极管VD1承受的电压为2RVD1i3NUUN（5-60）这时，开关管漏源（或集射）极之间承受的电压为1cei3(1)NUUN（5-61）85.4.2反激电路图5-20正激电路图5-21反激电路的工作波形■同正激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。◆工作原理VT开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；VT关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2和VD向输出端释放。VT关断后的电压为◆工作模式工作在电流（磁通）断续和电流（磁通）连续两种模式：1）如果当VT开通时，绕组W1中的电流尚未下降到零，则称电路工作于电流连续模式。2）如果VT开通前，绕组W1中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。1Sio2NuUUN95.4.2反激电路当工作于电流连续模式时（5-62）由于VT导通期间储存在变压器T中的能量为因此，每单位时间内电源供给的能量，即输入功率Pi为（5-64）假定电路中没有损耗，全部功率都被负载吸收，则输出功率Po与输入功率Pi相等。而（5-65）oon2i1offUtNUNt2L11P12WLI（5-63）2Li11P12WPLITT2ooLUPR所以22o11PL2ULITR（5-66）☞当电路工作在断续模式时，输出电压高于式（5-62）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，U0→∞，这将损坏电路中的元件，因此反激电路不应工作于负载开路状态。5.5双向直流-直流变换电路和多相多重斩波电路5.5.1电流双向直流-直流变换电路5.5.2桥式可逆斩波逆变电路5.5.3多相多重斩波电路105.5双向直流-直流变换电路和多相多重斩波电路11双向DC-DC变换电路则可实现能量的双向传递。双向DC-DC变换电路包括两象限变换器和四象限变换器变换器实现电流双向流动，但电压的极性不能改变，称为电流双象限变换器，在电压电流坐标平面内，变换器可以工作在第一象限和第二象限。电压极性可以转变，而电流只能单向流动的变换器则可以工作在第一象限和第四象限，而电压电流极性都可以转变的则称为四象限变换器。利用降压斩波电路和升压斩波电路的组合，即可构成复合斩波电路。此外，对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路，可使斩波电路的整体性能提高。12■当DC-DC变换电路用于拖动直流电动机时，既要能使电动机电动运行，使能量从电源传向电动机，又可能使电动机工作在再生制动状态，将能量从电动机回馈电源。降压斩波电路拖动直流电动机时，电动机工作于第1象限。而升压斩波电路中，电动机则工作于第2象限。两种情况下，电动机的电枢电流的方向不同，但均只能单方向流动。电流双向DC-DC变换电路将降压斩波电路与升压斩波电路组合在一起，可在电源电压为单一极性条件下，实现能量在电源与负载间的双向流动，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。其典型电路原理图如图5-22a所示。图5-22电流双向DC-DC变换电路与工作波形a)电路b)工作波形5.5.1电流双向直流-直流变换电路5.5.1电流双向直流-直流变换电路13◆在该电路中，VT2截止，VT1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于电机机械特性的第Ⅰ象限；调节降压斩波器的占空比就可以调节直流电动机转速。◆如果VT1截止，VT2和VD2构成升压斩波电路，io的值为负值，此时，电动机运行于正转制动模式，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于电机机械特性的第Ⅱ象限，调节升压斩波电路的占空比就可以调节制动转矩。☞注意:若VT1和VT2同时导通，将导致电源短路，进而会损坏电路中的开关器件或电源，因此防止出现这种情况。◆电路之作降压斩波器运行时，VT2和总处于断态；只作升压斩波器运行时，则VT1和总处于断态。两种工作情况与前面讨论的完全一样。◆一个周期内交替作为降压斩波和升压斩波电路工作当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样，电动机电枢回路总有电流流过了.例如，当降压斩波电路的VT1关断后，由于积蓄的能量少，经一短时间电抗器L的储能即释放完毕，电枢电流为零。这时使VT2导通，由于电动机反电动势的作用使电枢电流反向流过，电抗器L积蓄能量。待VT2关断后，由于L积蓄的能量和EM的共同作用使VD2导通，向电源反送能量。当反向电流变为零，即L积蓄的能量释放完毕时，再次使VT1导通，又有正向电流流通。如此循环，两个斩波电路交替工作。。1235.5.1电流双向直流-直流变换电路14◆实际工作时，VT1、VT2通常为互补开关，定义开关占空比,当(1)时，电动机电枢电流为正，电动机作正转运行。(2)时，电动机电枢电流有时为正有时为负（直流平均值接近为零）如图5-22(b)所示.时段，电枢电流i0为负，VD2导通，电动机正转制动（再生制动）。时段，电枢电流i0为正，VT1导通，电动机正转电动运行。时段，电枢电流i0为正，VD1导通，电动机正转制动（能耗制动）。④时段，电枢电流i0为负，VT2导通，电动机正转制动（能耗制动）。(3)，电枢电流为负，电动机运行于再生制动状态。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。ononofftttmEEmEE10tt12ttt23ttt34tttmEE5.5.2桥式可逆斩波电路15■当DC-DC变换电路用于拖动直流电动机时，既要能使电动机电动运行，使能量从电源传向电动机，又可能使电动机工作在再生制动状态，将能量从电动机回馈电源。降压斩波电路拖动直流电动机时，电动机工作于第1象限。而升压斩波电路中，电动机则工作于第2象限。两种情况下，电动机的电枢电流的方向不同，但均只能单方向流动。电流双向DC-DC变换电路将降压斩波电路与升压斩波电路组合在一起，可在电源电压为单一极性条件下，实现能量在电源与负载间的双向流动，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。其典型电路原理图如图5-22a所示。图5-22电流双向DC-DC变换电路与工作波形a)电路b)工作波形16■电流双向斩波电路虽可使电动机电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但其所能提供的电压极性是单向的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，就必须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，即成为桥式可逆斩波电路，如图5-23所示，其中EM是直流电动机的电枢反电动势(极性与转向相关)，L、R为电路中的等效电感和电阻，通常较大(包括电动机的电枢绕组电感及为减小电流脉动而外加的平波电感)，R一般很小。桥式可逆斩波器可分为单极性脉宽调制和双极性脉宽调制两种控制方式。图5-23桥式可逆斩波电路5.5.2桥式可逆斩波电路◆电路工作原理当使VT4保持通态时，该斩波电路就等效为图5-22a所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态。此时，需防止VT3导通造成电源短路。当时VT2保持为通态时，VT3、VD4和VT4、VD3等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。VT3、VD4其中构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于第3象限即反转电动状态，而VT4、VD3构成升压斩波电路，可使电动机工作于第4象限即反转再生制动状态。17图5-24单极性PWM工作波形5.5.2桥式可逆斩波电路◆1）单极性PWM工作方式以VT1、VT2互补PWM开关，调节输出电压，以VT3、VT4控制输出电压极性(控制电动机转向)。正转时VT4恒导通、VT3恒关断，反转时VT3恒导通、VT4恒关断，这种控制方式下，输出电压波形总是在一个方向变化，所以称为单极性PWM，如图5-24所示，输出直流电压为其中,α为开关导通占空比，ABUEononoffttt◆1）双极性PWM工作方式VT1、VT4和VT2、VT3分别成组作为互补