直流直流變流電路1章節(jié)目錄5.1

直接直流變流電路5.2

間接直流變流電路5.3雙向直流-直流變流電路本章小結(jié)25-3引言■直流-直流變流電路（DC/DCConverter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。

■直接直流變流電路◆也稱斬波電路（DCChopper）。

◆將直流電變?yōu)榱硪还潭妷海娏鳎┗蚩烧{(diào)電壓（電流）的直流電。

◆可直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。（非隔離型直流-直流變流器）■間接直流變流電路

◆在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。◆在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為隔離型直流-直流變流器。

5-4直接直流斬波電路種類四種典型電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、丘克斬波電路。多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。引言間接直流斬波電路種類由逆變電路、整流電路及中間變壓器構(gòu)成。有單端正激、雙端正激、單端反激、推挽、半橋、全橋等多種電路形式。根據(jù)電路是否具備雙向電能傳輸能力，可分為單向型和雙向型。5-55.1直接直流變流電路共講述四種典型電路，對(duì)三種最基本的電路—降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路進(jìn)行重點(diǎn)介紹。兩個(gè)基本原理：伏秒平衡：穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的積分為零。安秒平衡或電荷平衡：穩(wěn)態(tài)條件下，流過(guò)電容的電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的積分為零。5-65.1直接直流變流電路電感兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值：其中：可得：（5-1）穩(wěn)態(tài)條件下，電感電流在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)重復(fù)相同的波形，因此相鄰開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)刻的電感電流值相等。故式(5-1)中iL(TS)=iL(0)，所以電感兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值UL=0。伏秒平衡圖5-1一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感的電壓和電流5-75.1直接直流變流電路安秒平衡這一原理與前一個(gè)原理互為對(duì)偶。電容電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值可以按下式計(jì)算：其中：可得：（5-2）穩(wěn)態(tài)條件下，電容電壓在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)重復(fù)相同的波形，因此相鄰開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)刻的電容電壓值相等。故式(5-1)中uC(TS)=uC(0)，所以電容電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值Ic=0。5-85.1

直接直流變流電路5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路5.1.4

丘克斬波電路

5.1.5

多重?cái)夭娐?.1.1

降壓斬波電路使用全控型器件S。設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在S關(guān)斷時(shí)給電感電流提供通道。兩種工作模式：電感電流連續(xù)模式（ContinuousConductionMode—CCM）電感電流斷續(xù)模式（DiscontinuousConductionMode—DCM）5-9圖5-2降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)降壓（Buck）斬波電路5.1.1

降壓斬波電路電感電流連續(xù)工作模式5-10a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-4降壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)，VD電壓Uvd

=Ui。由于Ui>Uo，負(fù)載電流iL按指數(shù)曲線上升。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，電感電流通過(guò)VD續(xù)流，VD電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串聯(lián)的電感L值較大。圖5-3降壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)量關(guān)系5.1.1降壓斬波電路5-11輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值是開(kāi)關(guān)電路重要的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)伏秒平衡，有UL=0，可得電感電壓在一個(gè)周期的平均值UL可以表示為（5-3）（5-4）a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-3降壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)5.1.1

降壓斬波電路電感電流斷續(xù)工作模式5-12a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1（S通）b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2（S斷）c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3（電感電流為零）圖5-5降壓斬波電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖5-6降壓斬波電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)。Ui>Uo，電感L的電流不斷增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，電感通過(guò)VD續(xù)流，電感電流不斷減小。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻電感電流減小到零，VD關(guān)斷，電感電流保持零值，電感兩端的電壓也為零。5.1.1降壓斬波電路5-13電感電流連續(xù)時(shí)，Uo=DUi。電流斷續(xù)時(shí)，總有Uo＞DUi，且負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時(shí)，Uo=Ui。降壓斬波電路處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)刻，電感電流正好為零。圖5-7降壓斬波電路在電感電流臨界連續(xù)時(shí)的波形5-145.1.2升壓斬波電路圖5-9升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)升壓斬波電路也存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模式。升壓（Boost）斬波電路5-155.1.2升壓斬波電路電感電流連續(xù)工作模式a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-10升壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖5-11升壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)。電感L兩端的電壓為Ui，電感電流不斷增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，電感通過(guò)VD向電容C放電，電感電流不斷減小。5-165.1.2升壓斬波電路電感電壓在一個(gè)周期的平均值UL可以表示為由伏秒平衡，UL=0，可得(5-5)由于0≤D≤1，因此升壓型電路的輸出電壓高于其輸入電壓，且與輸入電壓極性相同。D→1時(shí)，Uo→∞，故應(yīng)避免D接近1，以免造成電路損壞。數(shù)量關(guān)系a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-10升壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)5-175.1.2升壓斬波電路a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1（S通）b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2（S斷）c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3（電感電流為零）圖5-12升壓斬波電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電感電流斷續(xù)工作模式圖5-13升壓斬波電路在電感電流斷續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)。電感L兩端的電壓為Ui，電感電流不斷增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，電感通過(guò)VD向電容C放電，電感電流不斷減小。t2~t3時(shí)段：t2時(shí)刻電感電流減小到零，二極管VD關(guān)斷，電感電流保持零值，并且電感兩端的電壓也為零。5-185.1.2升壓斬波電路電路處于連續(xù)與斷續(xù)的臨界狀態(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始或結(jié)束的時(shí)刻電感電流正好為零。此時(shí)波形如下圖。圖5-14升壓斬波電路電感電流臨界連續(xù)時(shí)的波形電感電流斷續(xù)時(shí)，總是有Uo＞Ui/(1-D)，且負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時(shí)，Uo→∞，故升壓電路不應(yīng)空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓造成電路中元器件的損壞。5-195.1.3升降壓斬波電路圖5-15升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)升降壓斬波電路也存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模式。升降壓（Buck-Boost）斬波電路5-205.1.3升降壓斬波電路a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-16升降壓斬波電路電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖5-17升降壓斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，二極管VD處于斷態(tài)。電感L兩端的電壓為Ui，電感電流不斷增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，電感通過(guò)VD向電容C放電，電感電流不斷減小。電感電流連續(xù)工作模式||5-215.1.3升降壓斬波電路（5-6）等式右邊的負(fù)號(hào)表示升降壓電路的輸出電壓與輸入電壓極性相反，其數(shù)值既可以高于其輸入電壓，也可以低于輸入電壓。電感電壓在一個(gè)周期的平均值UL可以表示為由伏秒平衡，UL=0，可得數(shù)量關(guān)系a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-16升降壓斬波電路電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)5-225.1.3升降壓斬波電路斷續(xù)工作模式與前述拓?fù)浞治鏊悸废嗤Ｘ?fù)載電流很小時(shí)，電感電流將不連續(xù)，電壓比的公式不再滿足式(5-6)，此時(shí)輸出電壓|Uo|＞DUi/(1-D)，且負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時(shí)，|Uo|→∞，故升降壓電路也不應(yīng)空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓造成電路中元器件的損壞。升降壓型電路可以靈活的改變電壓的高低，還能改變電壓極性，因此常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的電路，還用于各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中。電感電流斷續(xù)工作模式5-235.1.4丘克斬波電路丘克（Cuk）斬波電路圖5-18(a)Cuk斬波電路的結(jié)構(gòu)丘克電路可以看成是由升壓型電路和降壓型電路前后級(jí)聯(lián)而成的。5-245.1.4丘克斬波電路電感電流連續(xù)工作模式a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-19Cuk斬波電路在電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，VD為斷態(tài)，L和L1的電流均增加；t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，VD導(dǎo)通，L經(jīng)Ui，VD，C1回路續(xù)流，L1經(jīng)VD和C續(xù)流。圖5-18(b)Cuk斬波電路的工作波形5-255.1.4丘克斬波電路當(dāng)兩個(gè)電感電流都連續(xù)，分別計(jì)算電感L和L1兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值：(5-7)令UL=0，UL1=0，聯(lián)立方程消去UC1，可得丘克斬波電路輸出、輸入電壓比與占空比間的關(guān)系為：(5-8)等式右邊的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓極性相反，其數(shù)值既可以高于其輸入電壓，也可以低于輸入電壓。D→1時(shí)，|Uo|→∞，故應(yīng)避免D過(guò)于接近1，以免造成電路損壞。數(shù)量關(guān)系5-265.1.4丘克斬波電路負(fù)載電流很小時(shí)，電感電流將不連續(xù)，電壓比的公式不再滿足式(5-8)，輸出電壓|Uo|＞DUi/(1-D)，且負(fù)載電流越小，|Uo|越高。輸出空載時(shí)，|Uo|→∞，故丘克電路也不應(yīng)空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓造成電路中元器件的損壞。丘克電路的特點(diǎn)與升降壓電路相似，因此也常用于相同的用途。丘克電路較為復(fù)雜，因此使用不甚廣泛。丘克電路一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出回路中都有電感，因此輸出電壓紋波和輸入電流紋波均較小，在某些有特殊要求的場(chǎng)合使用比較合適。電感電流斷續(xù)工作模式5-275.1.4丘克斬波電路表5-1各種不同的非隔離型電路的比較電路特點(diǎn)電壓比公式開(kāi)關(guān)和二極管承受的最高電壓應(yīng)用領(lǐng)域降壓型只能降壓不能升壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)大，輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。各種降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。升壓型只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、升壓型功率因數(shù)校正電路(PFC)。升降壓型能降壓能升壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。反向型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。Cuk能降壓能升壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)輸入輸出紋波要求高的反相型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。5-285.1.5多重?cái)夭娐穼?duì)相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多重?cái)夭娐贰Ｒ粋€(gè)控制周期中負(fù)載電流脈波數(shù)稱為斬波電路的重?cái)?shù)。圖5-20的三重降壓斬波電路由三個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成?？傒敵鲭娏鳛槿齻€(gè)斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的三倍，脈動(dòng)頻率也為三倍?？偟妮敵鲭娏髅}動(dòng)幅值變得很小。所需平波電抗器總重量大為減輕。總輸出電流最大脈動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與重?cái)?shù)的平方成反比。多重?cái)夭娐犯鲾夭娐穯卧苫閭溆?，使得總體的可靠性提高。圖5-20三重降壓斬波電路及其波形5-295.2

間接直流變流電路5.2.1

正激電路5.2.2

反激電路5.2.3

半橋電路5.2.4

全橋電路

5.2.5

推挽電路5.2.6整流電路5-30間接直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，也稱為直—交—直電路。圖5-21間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流—直流的變換有以下原因：(1)輸出端與輸入端需要隔離。(2)某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。(3)輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。(4)交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。5.2

間接直流變流電路間接直流變流電路分為單端(SingleEnd)和雙端(DoubleEnd)電路。單端電路：變壓器中流過(guò)的是直流脈動(dòng)電流。主要有正激電路和反激電路。雙端電路：變壓器中的電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流。主要有半橋、全橋和推挽電路。5-315.2.1正激電路圖5-22單開(kāi)關(guān)正激電路的結(jié)構(gòu)單開(kāi)關(guān)正激（Forward）電路正激電路也存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模式。5-325.2.1正激電路a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-23單開(kāi)關(guān)正激電路在電感電流連續(xù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流連續(xù)工作模式圖5-24單開(kāi)關(guān)正激電路在電感電流連續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，變壓器繞組N1上正下負(fù)，與其耦合的繞組N2也是上正下負(fù)。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，電感L通過(guò)VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，L的電流逐漸下降。S關(guān)斷后變壓器的激磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為：5-33圖5-25磁心復(fù)位過(guò)程開(kāi)關(guān)S開(kāi)通后，變壓器的激磁電流im1由零開(kāi)始，隨著時(shí)間的增加而線性增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通的一段時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為變壓器的磁心復(fù)位。變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為5.2.1正激電路（5-9）（5-10）電感電流連續(xù)時(shí)正激電路輸出電壓為5-345.2.1正激電路如果輸出電感電流不連續(xù)，與降壓斬波電路相似，輸出電壓Uo將高于式（5-10）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下有正激型電路的電壓比關(guān)系和降壓型電路非常相似，僅有的差別在于變壓器的變比。正激電路的電壓比可以看成是將輸入電壓Ui按變壓器變比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)降壓型電路得到的。后面的半橋、全橋和推挽電路也是如此。電流斷續(xù)工作模式5.2.1正激電路5-35圖5-26雙開(kāi)關(guān)正激電路的結(jié)構(gòu)雙開(kāi)關(guān)正激電路的工作原理與單開(kāi)關(guān)正激電路基本相同。雙管正激電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)承受的斷態(tài)電壓均為Ui，比相同條件下的單管正激電路低，故雙管正激電路適合用于高壓輸入的電源中使用。正激電路簡(jiǎn)單可靠，廣泛用于功率為數(shù)百瓦~數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源中。但變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線平面的第I象限，沒(méi)有得到充分利用。同樣的功率，其變壓器體積、重量和損耗都大于全橋、半橋和推挽電路。在電源和負(fù)載條件惡劣、干擾很強(qiáng)的環(huán)境下使用的開(kāi)關(guān)電源，又對(duì)體積、重量及效率要求不太高時(shí)，采用正激電路較合適。而工作條件較好，對(duì)體積、重量及效率要求嚴(yán)格的電源應(yīng)采用全橋、半橋和推挽電路。5-365.2.2反激電路反激電路可以看成是將升降壓型電路中的電感換成相互耦合的電感N1和N2得到的。反激型電路中的變壓器在工作中總是經(jīng)歷著儲(chǔ)能—放電的過(guò)程，這一點(diǎn)與正激電路以及后面要介紹的幾種隔離型電路不同。變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。圖5-27反激電路的結(jié)構(gòu)反激（Flyback）電路5-375.2.2反激電路a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)圖5-28反激電路在電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流連續(xù)工作模式圖5-29反激電路在電流連續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：S開(kāi)通后，VD處于斷態(tài)，繞組N1的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。t1~t2時(shí)段：S關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，VD導(dǎo)通，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)N2繞組和二極管VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為（5-11）輸出、輸入間的電壓比為5-385.2.2反激電路圖5-30反激電路在電流斷續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流斷續(xù)工作模式c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3（電感電流為零）b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S斷)a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S通)圖5-31反激電路在電流斷續(xù)時(shí)的波形t0~t1時(shí)段：S開(kāi)通后，二極管VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加；t1~t2時(shí)段：S關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，VD導(dǎo)通，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)N2繞組和二極管VD向輸出端釋放。t2時(shí)刻變壓器中的磁場(chǎng)能量釋放完畢，N2繞組電流下降到零，VD關(guān)斷。t2~t3時(shí)段：電路處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)3，N1和N2繞組電流均為零，電容C向負(fù)載提供能量。5-395.2.2反激電路反激電路的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，元件數(shù)少，因此成本較低，廣泛適用于各種功率為數(shù)瓦~數(shù)百瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源。在各種家電、計(jì)算機(jī)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中廣泛使用的小功率開(kāi)關(guān)電源中基本都采用反激電路。但該電路變壓器的工作點(diǎn)也僅處于磁化曲線平面的第I象限，利用率低，而且開(kāi)關(guān)元件承受的電流峰值較大，不適合用于較大功率的電源。5-405.2.3半橋電路圖5-32半橋電路的結(jié)構(gòu)S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開(kāi)關(guān)的占空比，就可改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。半橋電路5-415.2.3半橋電路t0~t1時(shí)段：S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，電感電流流經(jīng)變壓器繞組上半部分N2、二極管VD1和濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：S1、S2都處于斷態(tài)，變壓器繞組N1中的電流為零，根據(jù)變壓器的磁勢(shì)平衡方程，繞組N2和N2’中的電流大小相等、方向相反（忽略變壓器的勵(lì)磁電流），所以VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流。電感L的電流逐漸下降。t2~t3時(shí)段：S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感電流流經(jīng)變壓器繞組下半部分N2’、二極管VD2和濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t3~t4時(shí)段：與t1~t2時(shí)段相同。圖5-34半橋電路電流連續(xù)時(shí)的波形b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(S1、S2斷)d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)4(S1、S2斷)圖5-33半橋電路電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S1通)c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3(S2通)5-425.2.3半橋電路由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流磁飽和的問(wèn)題。為了避免上下兩開(kāi)關(guān)在換流的過(guò)程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通而造成短路損壞開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%，并應(yīng)留有裕量。電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況時(shí)：半橋電路中變壓器的利用率高，且沒(méi)有偏磁的問(wèn)題，可以廣泛用于功率為數(shù)百瓦~數(shù)千瓦的電源中。與全橋電路相比開(kāi)關(guān)元件數(shù)量少(但電流等級(jí)大)，同樣的功率下成本略低，可以用于對(duì)成本要求較苛刻的場(chǎng)合。（5-12）當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：5-435.2.4全橋電路圖5-35全橋電路的結(jié)構(gòu)全橋逆變電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓。改變占空比就可以改變輸出電壓Uo。每個(gè)開(kāi)關(guān)斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。全橋電路5-445.2.4全橋電路全橋電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)時(shí)，1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷4個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S1、S4通)b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(全部開(kāi)關(guān)斷)c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3(S2、S3通)d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)4(全部開(kāi)關(guān)斷)圖5-36全橋電路電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)5-455.2.4全橋電路t0~t1時(shí)段：S1、S4通，二極管VD1、VD4通，電感電流流經(jīng)變壓器繞組N2、二極管VD1、VD4、濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：所有開(kāi)關(guān)都處于斷態(tài)，變壓器繞組N1中的電流為零，電感通過(guò)VD1、VD4和VD2、VD3續(xù)流，每個(gè)二極管流過(guò)電感電流的一半。電感L的電流逐漸下降。t2~t3時(shí)段：S2、S3通，二極管VD2、VD3通，電感電流流經(jīng)變壓器繞組N2、二極管VD2、VD3、濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t3~t4時(shí)段：與t1~t2時(shí)段相同。圖5-37全橋電路在電流連續(xù)時(shí)的波形b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(全部開(kāi)關(guān)斷)d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)4(全部開(kāi)關(guān)斷)圖5-36全橋電路電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S1、S4通)c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3(S2、S3通)5-465.2.4全橋電路若S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和，故應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容，以阻斷直流電流。為了避免上下兩開(kāi)關(guān)在換流的過(guò)程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通而造成短路損壞開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%，并應(yīng)留有裕量。全橋電路在電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，所有隔離型開(kāi)關(guān)電路中，采用相同電壓和電流容量的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，全橋電路可以達(dá)到最大的功率，因此該電路常用于中大功率的電源中。特別是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的移相全橋型軟開(kāi)關(guān)電路被廣泛應(yīng)用。目前，全橋電路被用于功率為數(shù)百瓦~數(shù)十千瓦的各種工業(yè)用電源中。（5-13）當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：5-47推挽電路中兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1’兩端分別形成相位相反的交流電壓。改變占空比就可以改變輸出電壓Uo。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍Ui。5.2.5推挽電路圖5-38推挽電路的結(jié)構(gòu)推挽電路5-485.2.5推挽電路t0~t1時(shí)段：S1通，二極管VD1通，電感電流流經(jīng)變壓器繞組N2、二極管VD1、濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t1~t2時(shí)段：所有開(kāi)關(guān)都處于斷態(tài)，變壓器繞組N1中的電流為零，電感通過(guò)VD1和VD2續(xù)流，每個(gè)二極管流過(guò)電感電流的一半。電感L的電流逐漸下降。t2~t3時(shí)段：S2通，二極管VD2通，電感電流流經(jīng)變壓器繞組N2’、二極管VD2、濾波電容C及負(fù)載R，電感電流增長(zhǎng)。t3~t4時(shí)段：電路處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)4，與開(kāi)關(guān)狀態(tài)2相同。圖5-40推挽電路在電流連續(xù)時(shí)的波形b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2(全部開(kāi)關(guān)斷)d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)4(全部開(kāi)關(guān)斷)a)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1(S1通)c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3(S2通)圖5-39推挽電路在電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)5.2.5推挽電路5-49若S1與S2的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則變壓器一次繞組電壓中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和。與全橋電路不同的是，推挽電路無(wú)法在變壓器原邊串聯(lián)隔直電容，因此只能靠精確的控制信號(hào)和電路元件參數(shù)的匹配來(lái)避免直流分量的產(chǎn)生。如果S1和S2同時(shí)處于通態(tài)，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路。因此必須避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%，并且要留有死區(qū)。電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下：推挽電路的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是在輸入回路中僅有1個(gè)開(kāi)關(guān)的通態(tài)壓降，而半橋電路和全橋電路都有2個(gè)，因此在同樣的條件下產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，這對(duì)很多輸入電壓較低的電源十分有利，因此這類電源應(yīng)用推挽電路比較合適。(5-14)當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：5-505.2.5推挽電路電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W~幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾百W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W~幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W~幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源表5-2各種不同的隔離型電路的比較5-515.2.6整流電路全橋電路中全橋整流每個(gè)二極管承受的反向電壓為：圖5-41全橋整流電路的結(jié)構(gòu)全橋整流電路在電感電流連續(xù)的情況下，二極管反向電壓可以用輸出電壓Uo表示為：每個(gè)二極管的平均電流等于電感電流平均值的一半，流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為：在穩(wěn)態(tài)條件下，電感電流平均值等于負(fù)載電流，因此二極管電流平均值也等于負(fù)載電流的一半。(5-15)(5-16)5-525.2.6整流電路推挽電路中全波整流每個(gè)二極管承受的反向電壓為：圖5-42全波整流電路的結(jié)構(gòu)全波整流電路在電感電流連續(xù)的情況下，還可以得到用輸出電壓Uo表示的斷態(tài)電壓：每個(gè)二極管的平均電流等于電感電流平均值的一半，流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為：在穩(wěn)態(tài)條件下，電感電流平均值等于負(fù)載電流，因此二極管電流平均值也等于負(fù)載電流的一半。(5-17)(5-18)5-535.2.6整流電路電路電壓比平均電流二極管斷態(tài)電壓優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域全橋整流2DIL/2Uo/2D二極管電壓低，變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單二極管數(shù)量多，總通態(tài)損耗大高輸出電壓(>100V)的電路全波整流2DIL/2Uo/D元件總數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總通態(tài)損耗小二極管電壓高，變壓器繞組需中心抽頭輸出電壓

5～100V的電路表5-3兩種整流電路的比較根據(jù)2種電路各自不同的特點(diǎn)，通常在輸出電壓較低的情況下(<100V)采用全波電路比較合適，而在高壓輸出的情況下，應(yīng)采用全橋電路。全波整流vs全橋整流5-545.2.6整流電路低電壓MOSFET具有非常小的導(dǎo)通電阻，可以顯著降低整流電路的導(dǎo)通損耗，從而達(dá)到很高的效率。相同輸出電壓和負(fù)載電流的條件下，全橋整流電路的通態(tài)損耗總是大于全波整流電路，因此一般不采用全橋結(jié)構(gòu)的同步整流電路。圖5-43同步整流電路同步整流技術(shù)電路的輸出電壓遠(yuǎn)高于二極管通態(tài)壓降時(shí)，通常采用二極管作為整流元件。優(yōu)勢(shì)：無(wú)需控制和驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本較低。電路的輸出電壓非常低時(shí)，受到整流二極管壓降的限制效率難以提高，可以采用同步整流技術(shù)，即采用通態(tài)電阻非常小(幾毫歐)的MOSFET代替二極管，以降低通態(tài)壓降。5-555.2.6整流電路同步整流的缺點(diǎn)是需要對(duì)MOSFET的通與斷進(jìn)行控制，使控制電路變得更復(fù)雜。同步整流管的控制是同步整流技術(shù)中的重要問(wèn)題，較簡(jiǎn)單的一種是變壓器繞組控制的自驅(qū)動(dòng)方式。同步整流管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)取自同步整流管所在的主電路中的某一電壓。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加的元件少，但問(wèn)題是變壓器的繞制較為復(fù)雜。圖5-44變壓器繞組控制的同步整流電路5-565.3

雙向直流-直流電路5.3.1

非隔離雙向DC-DC電路5.3.2

隔離型雙向DC-DC電路5-575.3.1非隔離雙向DC-DC電路輸出電壓與輸入電壓極性相同，輸出電流可正可負(fù)。分別以輸出電壓和輸出電流為軸，畫(huà)出該電路的工作平面，可以看出電路的工作點(diǎn)位于I、II兩個(gè)象限，故稱為二象限斬波電路。開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，二者導(dǎo)通時(shí)間互補(bǔ)，并留有一定的死區(qū)時(shí)間，以防止同時(shí)導(dǎo)通造成短路。a)電路結(jié)構(gòu)b)輸出電壓與電流關(guān)系圖5-45二象限斬波電路的原理二象限斬波電路5-585.3.1非隔離雙向DC-DC電路電感L的電流iL＞0時(shí)，電流分別流過(guò)S1和VD2，此時(shí)電路的工作狀況與降壓斬波電路相似。電感L的電流iL＜0時(shí)，電流分別流過(guò)S2和VD1，此時(shí)電路的工作狀況與升壓斬波電路相似。iL有時(shí)為正、有時(shí)為負(fù)時(shí)，電流相繼流過(guò)VD1、S1、VD2和S2。a）

iL>0 b）

iL有時(shí)為正，有時(shí)為負(fù) c）

iL<0圖5-46二象限斬波電路工作時(shí)的波形圖5-45(a)二象限斬波電路的電路結(jié)構(gòu)5-595.3.1非隔離雙向DC-DC電路輸出電壓和輸入電壓間的電壓比為二象限斬波電路中電感電流可正可負(fù)，在忽略死區(qū)時(shí)間的條件下，不存在電感電流斷續(xù)的問(wèn)題。該電路可以靈活、快速的控制負(fù)載電流，可以用于需要電能雙向傳輸，但又不需要改變輸出電壓極性的場(chǎng)合，如蓄電池充放電電源、直流電機(jī)不可逆調(diào)速裝置等。(5-19)5-605.3.1非隔離雙向DC-DC電路輸出電流可正可負(fù)，輸出電壓也可正可負(fù)。電路的工作點(diǎn)可以位于I、II、III、IV四個(gè)象限，故稱為四象限斬波電路。S1和S4同時(shí)開(kāi)關(guān)，S2和S3同時(shí)開(kāi)關(guān)。S1和S2交替導(dǎo)通，S3和S4交替導(dǎo)通，同側(cè)上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間互補(bǔ)，并留有一定的死區(qū)時(shí)間，以防止同時(shí)導(dǎo)通造成短路。a)電路結(jié)構(gòu)b)輸出電壓與電流關(guān)系四象限斬波電路圖5-48四象限斬波電路的原理5-615.3.1非隔離雙向DC-DC電路S1、S4的占空比大于50%時(shí)，Uo＞0。S1、S4的占空比小于50%時(shí)，Uo＜0。電感電流iL＞0時(shí)，電流分別流過(guò)S1、S4和VD2、VD3。iL＜0時(shí)，電流分別流過(guò)S2、S3和VD1、VD4。圖5-49四象限斬波電路原理性波形四象限斬波電路可以用于既需要電能雙向傳輸，又需要改變輸出電壓極性的場(chǎng)合，如直流電機(jī)可逆調(diào)速裝置等。5-625.3.2隔離型雙向DC-DC電路隔離型雙向DC-DC電路通常由兩組逆變電路通過(guò)高頻變壓器及其等效漏感聯(lián)結(jié)構(gòu)成，逆變電路可以采用半橋、全橋等電路形式。采用全橋電路構(gòu)成的雙向DC-DC變流器由于控制方案靈活多樣，性能優(yōu)異得到了廣泛的關(guān)注。雙向DC-DC變流器的控制方式多種多樣，應(yīng)用最為廣泛和典型的控制方式為移相控制：控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間使變流器不同開(kāi)關(guān)管之間產(chǎn)生移相角，通過(guò)改變移相角的大小控制變流器的能量傳輸大小和方向。5-635.3.2隔離型雙向DC-DC電路主要元器件包