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GMXD2第2章PWM直流变换电路2.1概述2.2单象限降压型电路2.3单象限升压型电路2.4单象限隔离型电路2.5电流双象限电路GMXD22.1概述2.1.1电力电子电路的分类2.1.2直流变换电路的分类2.1.3直流变换电路的基本用途GMXD22.1.1电力电子电路的分类所有电力电子电路均包含功率电路和控制电路两部分，功率电路又称主电路，它依靠功率器件的开关性能和电路结构实现电能变换；控制电路是根据采用的控制策略和工具对控制信号(含主控和反馈等信号)进行必要的加工处理以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换和控制。GMXD22.1.2直流变换电路的分类•有些分类方法与上节相同，如开关方式。功率器件和电路构成等，此处不再重复。•凡输出电压平均值低于其输入电压平均值的电路称为降压型电路；相反则称为升压型电路；若可降可升则称为升/降压型电路。GMXD22.1.3直流变换电路的基本用途1.直流调速电源2.开关电源GMXD21.直流调速电源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等缺点。PWM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。GMXD22.开关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直流稳压电源(简称开关电源)。GMXD22.2单象限降压型电路2.2.1电路外特性分析2.2.2输出滤波电路的参数选择2.2.3PWM控制电路*2.2.4ZVSPWMBUCK电路GMXD22.2单象限降压型电路图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GMXD22.2.1电路外特性分析1.基本假定2.电流连续状态下的外特性分析3.电流断续状态下的外特性分析GMXD21.基本假定电路中所有器件(包括全控型器件VT和二极管VD，图中VT符号将代表MOSFET、IGBT和GTR等全控型器件)均无惯性，因而开关状态的更迭均瞬间完成，也即图2-1b中等效开关S位置的转换不需要时间。GMXD22.电流连续状态下的外特性分析图2-2降压型电路的开环外特性=0，0，CCM与DCM分界线GMXD23.电流断续状态下的外特性分析当负载电流I0＜I时，电流iL断续，电路由CCM状态转为DCM，其波形如图2-1d所示。由图可见，在t2＜t＜t3时区，电路中VT和VD均处断态，即图2-1b中开关S置1，负载所需电能依靠滤波电容储能维持，按原设由于C0足够大，在此时区中仍有u0≡U0，DCM状态下负载电流平均值I0有GMXD2第2章PWM直流变换电路2.1概述2.2单象限降压型电路2.3单象限升压型电路2.4单象限隔离型电路2.5电流双象限电路GMXD22.2.2输出滤波电路的参数选择1.滤波电感L0的选择2.滤波电容C0的选择GMXD21.滤波电感L0的选择对于负载电流变化范围很宽而IOM很低的场合，，它将使装置体积重量增加，功率密度下降，为此可在输出端加接假负载以提高IOM，其代价是电路效率相应下降。对于负载电流变化范围很小或恒负载电流的应用场合，虽然电路可以工作于CCM状态，功率密度也高，但电路的其他性能劣化：如电流脉动量增高，器件峰值电流IL增大和电压脉动量ΔU0增大(原因详后)等。GMXD22.滤波电容C0的选择当C0值很大时，输出电压将近似于恒定，但C0值越大则装置的体积和成本相应增大。因此实际设计时是根据容许的输出电压脉动量ΔU0来确定C0值。GMXD22.2.3PWM控制电路1.单象限变换电路的一般控制结构2.用SG1525控制的直流不可逆调速系统GMXD21.单象限变换电路的一般控制结构图2-3PWMDC—DC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8—PWM信号生成电路9—振荡器10—分相电路11—电压给定GMXD21.单象限变换电路的一般控制结构图2-4IGBT不可逆直流调速系统GMXD21.单象限变换电路的一般控制结构图2-5SG1525的内部结构图1—基准电压源2—振荡电路3—误差放大器4A—PWM比较器4B—PWM锁存器5—分相电路6—输出电路7—欠电压封锁8—组合门GMXD22.用SG1525控制的直流不可逆调速系统图2-6控制芯片SG1525的电量波形GMXD2*2.2.4ZVSPWMBUCK电路图2-7ZVS-PWM-BUCK电路a)主电路结构b)电量波形GMXD2*2.2.4ZVSPWMBUCK电路图2-8图2-7b各时区的等效电路GMXD22.3单象限升压型电路2.3.1电路外特性分析2.3.2考虑电路内阻r0时的工作情况分析*2.3.3ZCSPWMBOOST电路GMXD22.3单象限升压型电路图2-9单象限升压型电路a)主电路(=0)b)等效电路c)电量波形(CCM)d)电量波形(DCM)e)主电路(0)GMXD22.3.1电路外特性分析1.电流连续状态下的外特性分析2.电流断续状态下的外特性分析GMXD21.电流连续状态下的外特性分析图2-10单象限升压电路的开环外特性GMXD22.电流断续状态下的外特性分析图2-11升压型电路外特性GMXD2第2章PWM直流变换电路2.1概述2.2单象限降压型电路2.3单象限升压型电路2.4单象限隔离型电路2.5电流双象限电路GMXD22.3.2考虑电路内阻r0时的工作情况分析图2-12升压电路的关系曲线GMXD22.3.2考虑电路内阻r0时的工作情况分析图2-13内阻对波形的影响GMXD2*2.3.3ZCSPWMBOOST电路图2-14ZCS-PWM-BOOST电路a)主电路结构b)电量波形GMXD2*2.3.3ZCSPWMBOOST电路图2-15图2-14b中各时区的等效电路GMXD22.4单象限隔离型电路2.4.1反激式电路(Flyback电路)2.4.2正激式电路(Forward电路)GMXD22.4.1反激式电路(Flyback电路)1.电流连续状态的外特性分析2.电流为断续时的外特性分析3.电路参数的选择4.控制电路示例GMXD22.4.1反激式电路(Flyback电路)图2-16单端反激式电路a)主电路结构b)CCM状态下电量波形c)DCM状态下电量波形GMXD21.电流连续状态的外特性分析图2-17图2-16中多时区等效电路GMXD22.电流为断续时的外特性分析图2-18反激式电路的开环外特性GMXD23.电路参数的选择电路设计应根据给定的数据(包括输入电压Ud、输出电压U0、输出功率P0和电路效率η等)来确定相应的器件开关容量、电路电感量以便选择能够胜任的元器件。GMXD24.控制电路示例图2-19由芯片UC1840控制的单端反激式电路UC3705(PowerMOSFET驱动电路)GMXD24.控制电路示例2Z20.tif图2-20集成控制芯片UC1840的框图1—振荡器2—锯齿波发生器3—驱动开关4A—PWM比较器4B—PWM锁存器5—基准电压6—信号处理电路7—比较器8—电压调节器GMXD22.4.2正激式电路(Forward电路)1.单管正激式电路2.单管正激式多重电路3.单管正、反激式电路4.双管正激式电路5.双管正激组合电路GMXD21.单管正激式电路图2-21单端正激式电路a)主电路结构b)～d)等效电路e)电量波形GMXD22.单管正激式多重电路图2-22单管正激式两相电路a)主电路结构b)电量波形GMXD2第2章PWM直流变换电路2.1概述2.2单象限降压型电路2.3单象限升压型电路2.4单象限隔离型电路2.5电流双象限电路GMXD24.双管正激式电路图2-24双管正激式电路GMXD25.双管正激组合电路图2-25双管正激式两重电路a)主电路结构b)电量波形GMXD25.双管正激组合电路图2-26图2-25b中各时区的等效电路a)时区cb)时区dGMXD22.5电流双象限电路2.5.1双象限电路的分类2.5.2电流双象限电路2.5.3缓冲电路2.5.4电流双象限电路的应用示例GMXD22.5.1双象限电路的分类•1.电流双象限电路所谓电流双象限电路指输出电流平均值I0的幅值和极性均随控制电压uS而变，但输出电压平均值U0的极性却始终为正，将电动机储能反馈回电源以节省电能。•2.电压双象限电路所谓电压双象限电路是电路输出电压平均值U0的幅值和极性均随控制信号uS而变，但输出电流平均值I0却始终为正，如卷扬机提升机构的电力拖动系统便属于这一类。GMXD22.5.2电流双象限电路1.I0＞0的工作情况2.I0＜0的工作情况3.输出电流脉动量ΔI0GMXD22.5.2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)0c)=0d)0GMXD22.5.3缓冲电路1.电流双象限电路的换流方式2.缓冲电路GMXD21.电流双象限电路的换流方式•(1)臂内换流指同属于一个导电臂器件间的电流转移，如在t1时有VD2关断而VT1相继导通，VD1有ZCZVOFF，VT1有ZCZVON，显然换流是在零电流条件下进行的，即便是半控型器件，换流也能自动完成，故称自然换流。•(2)臂间换流指两导电臂器件间的电流转移，如在t2时的电流转移，由于VT1关断前正流过峰值电流I0m，为了维持负载电流i0连续，VD1开通后必须立即达到I0m，因此换流是在载流条件下进行，首先必须强制VT1中的电流下降为零。这种换流过程较为复杂，若处理不当便会出现关断过电压，称为强制换流。GMXD22.缓冲电路图2-28带缓冲电路的电流双象限电路a)主电路结构b)换流期中的电量波形GMXD22.缓冲电路GMXD22.缓冲电路图2-30电路参数对ΔU的影响GMXD22.5.4电流双象限电路的应用示例1.电流双象限电路在不可逆直流调速系统中的应用2.调速系统的开环机械特性3.电流双象限电路在不间断电源系统(UPS)中的应用GMXD21.电流双象限电路在不可逆直流调速系统中的应用采用电流双象限电路可构成不可逆直流调速系统，与单象限电路不同之处是系统可运行于第二象限，也即电动机具有正转制动能力，在车辆拖动系统中，当减速、停车或行驶于下坡路况时具有较好的技术经济性能。GMXD22.调速系统的开环机械特性图2-31不可逆直流调速系统的开环机械特性GMXD23.电流双象限电路在不间断电源系统(UPS)中的应用图2-32在线式不间断电源系统a)系统框图b)带电流双象限电路的UPS1—公共交流电网2—整流及滤波3—逆变及滤波4A、4B—静止开关5—负载6—蓄电池GMXD23.电流双象限电路在不间断电源系统(UPS)中的应用图2-33在线式UPS直流侧电量波形2.6电压双象限电路2.7单极性PWM四象限直流变换电路2.8双极性PWM四象限电路2.6电压双象限电路2.6.1U0＞0时的工作情况分析2.6.2U0＜0时的工作情况分析2.6.3电压双象限电路在可逆直流调速系统中的应用2.6.1U0＞0时的工作情况分析图2-34电压双象限电路的电量波形2.6.1U0＞0时的工作情况分析图2-35电压双象限电路的瞬时值等效电路2.6.1U0＞0时的工作情况分析图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2.6.2U0＜0时的工作情况分析U0＜0时电量波形如图2-34c所示，由图可见，u=-US2，ug1≡0，ug3为脉冲列，在时区C有ug3=0，VT1和VT3关断，为维持i0连续，VD2和VD4正偏导通，等效电路如图2-35c所示，由图可见，u0=u，U2＜0(当有源负载为电动机时，U2＝Ｅm,此时U2的极性和幅值均受控于u，当u＜0，U2＜0。2.6.3电压双象限电路在可逆直流调速系统中的应用1.负载特性2.可逆直流调速系统的开环机械特性3.下放中的调速过程1.负载特性在恒转矩负载中，位能型负载是常见的一