第5章 直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 本章小结.

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1 第5章 直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 本章小结

2 引言 ■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 ■直接直流变流电路
◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。 ■间接直流变流电路 ◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

3 5.1 基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

4 5.1.1 降压斩波电路 ■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。 ☞设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。 ☞主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。 ◆工作原理 ☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 ☞ t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 图5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形

5 5.1.1 降压斩波电路 ◆基本的数量关系 ☞电流连续时 √负载电压的平均值为
(5-1) 式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为 (5-2) ☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 ◆斩波电路有三种控制方式 ☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比

6 5.1.1 降压斩波电路 ■对降压斩波电路进行解析 ◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。 ◆电流连续时得出 (5-9) (5-10) 式中， ， ， ， ，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 (5-11) 平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

7 5.1.1 降压斩波电路 ◆(3-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 (5-12) 则 (5-13) 假设电源电流平均值为I1，则有 (5-14) 其值小于等于负载电流Io，由上式得 (5-15) 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。

8 5.1.1 降压斩波电路 ◆电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出
(5-16) 电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为 (5-17) 输出电压平均值为 (5-18) 负载电流平均值为 (5-19)

9 5.1.1 降压斩波电路 ■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为

10 5.1.1 降压斩波电路 ■例5-2 在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得： 当ton=5s时，有 由于 所以输出电流连续。

11 5.1.1 降压斩波电路 此时输出平均电压为 输出平均电流为 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为

12 5.1.2 升压斩波电路 iGE io ■升压斩波电路 ◆工作原理 ☞假设L和C值很大。
☞ V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 ☞ V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 ◆基本的数量关系 ☞当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即 a) iGE io I1 (5-20) 化简得 (5-21) b) 图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形 上式中的

13 5.1.2 升压斩波电路 ☞将升压比的倒数记作β，即 ，则和导通占空比有如下关系 式（5-21）可表示为
☞将升压比的倒数记作β，即 ，则和导通占空比有如下关系 (5-22) 式（5-21）可表示为 (5-23) 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。 ☞如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 (5-24) ☞输出电流的平均值Io为 (5-25) ☞电源电流I1为 (5-26)

14 5.1.2 升压斩波电路 ■例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为： 输出电流平均值为：

15 图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
5.1.2 升压斩波电路 ■典型应用 ◆一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（Power Factor Correction—PFC）电路，三是用于其他交直流电源中。 ◆以用于直流电动机传动为例 ☞在直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源。 ☞电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 ☞直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。 ☞基于分时段线性电路思想，电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值Io为 a) t T E i O 1 2 I 10 20 on off u o t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 b) 图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时 (5-36)

16 图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
5.1.2 升压斩波电路 ☞当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间tx，即 t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 (5-37) 当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态，tx<t0ff是电流断续的条件，即 (5-38) 图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 c）电流断续时

17 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 ■升降压斩波电路 ◆工作原理
☞ V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1，同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。 ☞ V关断时，L的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。 ◆基本的数量关系 ☞稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即 a) (5-39) 当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是： 图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 (5-40)

18 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 所以输出电压为：
(5-41) 改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。 ☞电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有 (5-42) 由上式可得 (5-43) 如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即 (5-44)

19 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 ■ Cuk斩波电路 ◆工作原理 ☞V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。
a） 电路图 b） 等效电路 ■ Cuk斩波电路 ◆工作原理 ☞V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。 ☞V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。 ☞输出电压的极性与电源电压极性相反。 ◆基本的数量关系 ☞C的电流在一周期内的平均值应为零，即 (5-45)

20 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 ☞由(5-45)得 从而可得
(5-46) 从而可得 (5-47) ☞由L1和L2的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压E的关系 (5-48) ◆与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

21 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 ■Sepic斩波电路 ◆工作原理
☞ V导通时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。 ☞ V关断时，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。 ◆输入输出关系 (5-49) 图5-6 a)Sepic斩波电路

22 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 ■Zeta斩波电路 ◆工作原理 ☞V导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。
☞V关断时，L1－VD－C1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。 ◆输入输出关系为 (5-50) ■两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。 图5-6 b Zeta斩波电路

23 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.2.1 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路

24 5.2.1 电流可逆斩波电路 ■概念 ◆复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。
◆多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合构成 ■电流可逆斩波电路 ◆斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动，降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 ◆电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，此电路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。

25 5.2.1 电流可逆斩波电路 ◆电路结构 ☞V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。
◆工作过程 ☞两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。 ☞第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。 ☞第3种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，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。 ☞一个周期内，电流不断，响应很快。 a) 图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形

26 5.2.2 桥式可逆斩波电路 ■桥式可逆斩波电路 ◆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，使电动机可以4象限运行。
图5-8 桥式可逆斩波电路 ■桥式可逆斩波电路 ◆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，使电动机可以4象限运行。 ◆工作过程 ☞V4导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 ☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4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。

27 5.2.3 多相多重斩波电路 ■多相多重斩波电路 ◆是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。
◆相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。 ◆重数：负载电流脉波数。 ■3相3重降压斩波电路 ◆电路及波形分析 ☞相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。 ☞总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。 ☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。 a) t O 1 u 2 3 o i b) 图5-9 多相多重斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形

28 5.2.3 多相多重斩波电路 ☞当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路，当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。 ☞电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。 ■多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。

29 5.3 带隔离的直流直流变流电路 5.3.1 正激电路 5.3.2 反激电路 5.3.3 半桥电路 5.3.4 全桥电路
5.3.5 推挽电路 5.3.6 全波整流和全桥整流 5.3.7 开关电源

30 5.3 带隔离的直流直流变流电路·引言 ■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。
图 5-10 间接直流变流电路的结构 ■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。 ■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 ◆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。 ◆输出电压与输入电压的比例远小于1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、滤波电容的体积和重量。 ■间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)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，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。

31 5.3.1 正激电路 ■正激电路(Forward) ◆工作过程
☞开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长。 ☞S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为 。 图 正激电路的原理图 S u i L O t U 图 正激电路的理想化波形

32 5.3.1 正激电路 ◆变压器的磁心复位 ☞开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断，导致变压器的激磁电感饱和。
☞变压器的磁心复位所需的时间为 B R S H O (5-51) ◆输出电压 ☞输出滤波电感电流连续时 (5-52) ☞输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下 图 5-13 磁心复位过程

33 5.3.2 反激电路 ■反激电路 ◆工作过程 ☞S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加。
☞S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放， 电压为 。 ◆工作模式 ☞当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为 图 反激电路原理图 S u i VD t on off U O (5-53) ☞ S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下， ， 所以应该避免负载开路状态。 图 5-15 反激电路的理想化波形

34 5.3.3 半桥电路 ■半桥电路 ◆工作过程 ☞S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 ☞S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 ☞S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。 图 5-16 半桥电路原理图 图 半桥电路的理想化波形

35 5.3.3 半桥电路 ☞由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 ◆输出电压 ☞滤波电感L的电流连续时 (5-54) ☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

36 5.3.4 全桥电路 ■全桥电路 ◆工作过程 ☞全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 ☞当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。 ☞当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 ☞当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。 图 全桥电路原理图 S 1 2 u i D t on T U L O 图 全桥电路的理想化波形

37 5.3.4 全桥电路 ☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。 ◆输出电压
☞如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 ☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。 ◆输出电压 ☞滤波电感电流连续时 (5-55) ☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

38 5.3.5 推挽电路 ■推挽电路 ◆工作过程 ☞推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压。
☞S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。 ☞当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。 图 推挽电路原理图 S 1 2 u i D t on T U L O 图 推挽电路的理想化波形

39 5.3.5 推挽电路 ☞如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。 ◆输出电压 ☞当滤波电感L的电流连续时 (5-56) ☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-56）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

40 5.3.5 推挽电路 电路 优点 缺点 正激 反激 全桥 半桥 推挽 功率范围 应用领域 表 5-1 各种不同的间接直流变流电路的比较
电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单 变压器单向激磁，利用率低 几百W~几kW 各种中、小功率电源 反激 电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单 难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低 几W~几十W 小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。 全桥 变压器双向励磁，容易达到大功率 结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路 几百W~几百kW 大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等 半桥 变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低 有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路 各种工业用电源，计算机电源等 推挽 变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单 有偏磁问题 低输入电压的电源

41 5.3.6 全波整流和全桥整流 ■双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。 ■全波整流电路的特点
图5-22 a)全波整流电路原理图 ■双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。 ■全波整流电路的特点 ◆优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。 ◆缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 ◆适用场合：输出电压较低的情况下（<100V）。

42 5.3.6 全波整流和全桥整流 ■全桥电路的特点 ◆优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。
◆缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。 ◆适用场合：高压输出的情况下。 ■同步整流电路 ◆当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。 ◆这种电路的缺点是需要对V1和V2的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性。 图5-22 b)全桥整流电路原理图 图5-23 同步整流电路原理图

43 5.3.7 开关电源 ■如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交—直—交—直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。
■由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。 ■工作频率的提高还有利于控制性能的提高。

44 本章小结 ■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种。 ■常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。

45 6.1 交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路
第6章 交流电力控制电路和交交变频电路 6.1 交流调压电路 单相交流调压电路 三相交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 交流调功电路 交流电力电子开关 6.3 交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路

46 概 述 交流-交流变流电路 一种形式的交流变成另一种形式交流的电路， 可改变相关的电压、电流、频率和相数等
概 述 交流-交流变流电路 一种形式的交流变成另一种形式交流的电路， 可改变相关的电压、电流、频率和相数等 交流调压电路——相位控制（或斩控式） 交流调功电路及交流无触点开关——通断控制 交流电力控制电路 只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率 1.晶闸管交交变频电路 2.矩阵式变频电路 交交变频电路 交直交变频电路 变频电路 改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的 先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路

47 6.1 交流调压电路 交流电力控制电路的结构 交流电力控制电路的类型 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管 就可控制交流电力
交流调压电路: 每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值 交流调功电路: 以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值 交流电力电子开关: 并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。

48 交流调压电路的应用： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制） 异步电动机软起动 异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节
在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压

49 6.1.1 单相交流调压电路 1 电阻负载 原理分析 在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压
负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同 正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等

50 6.1.1 单相交流调压电路 数量关系 负载电压有效值 负载电流有效值 晶闸管电流有效值 功率因数 电阻负载单相交流调压电路及其波形 VT
i o VT 2 u u R 1 o u 1 O w t u o O w t i o O w t u VT O w t 电阻负载单相交流调压电路及其波形

51 2 阻感负载 阻感负载时a的移相范围 6.1.1 单相交流调压电路 负载阻抗角：j = arctan(wL / R)
稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j ≤ a ≤π 阻感负载单相交流调压电路及其波形

52 6.1.1 单相交流调压电路 数量关系 负载电压有效值： 晶闸管电流有效值： 瞬态微分方程求解可得 负载电流有效值

53 6.1.1 单相交流调压电路 3.单相交流调压电路的谐波分析 电阻负载的情况 式中: 波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波
(n=3,5,7,…)

54 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量
6.1.1 单相交流调压电路 基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值 电流基波和各次谐波标么值随 a 变化的曲线（基准电流为a =0时 的有效值）如图所示 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量

55 6.1.1 单相交流调压电路 阻感负载的情况 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7…等次谐波 随着次数的增加，谐波含量减少
和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些 当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少

56 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
单相交流调压电路 a < j 时 u w t G1 a p O w t G2 O w t T1 j q O w t T2 a a<j时阻感负载交流调压电路工作波形 波形分析: 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通io过零后， VT2开通， VT2导通角小于π VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过π 过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt =a (a< j)时合闸的过渡过程相同 衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通 时间渐长 io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量 方程式(6-5)和(6-6)所得io表达式仍适用，只是a≤ωt <∞ 稳态的工作情况和a =j时完全相同

57 6.1.1 单相交流调压电路 4．斩控式交流调压电路 原理分析
设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a = ton/T，改变a 可调节输出电压 u1负半周 基本原理和直流斩波电路有类似之处 u1正半周 一般采用全控型器件作为开关器件 斩波控制 斩波控制 续流通道 续流通道 图4-7 斩控式交流调压电路

58 6.1.1 单相交流调压电路 单相--斩控式交流调压电路波形 图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形

59 6.1.2 三相交流调压电路 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式 a) 星形联结 b) 线路控制三角形联结
c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结

60 6.1.2 三相交流调压电路 三相四线 1．星形联结电路 三相四线 三相三线
基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线 问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近 三相三线

61 6.1.2 三相交流调压电路 三相三线，电阻负载时的情况 任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发
触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1~ VT6,依次相差60° 相电压过零点定为a的起点， a角移相范围是0°~ 150°

62 a =30°，分析a相波形。 1.2通 Uac/2 1.2.3通,Ua 5.6通 1.5.6通,Ua 1.2.6通,Ua 1.6通
1.5.6通,Ua 1.2.6通,Ua 1.6通 Uab/2

63 a =60°，分析a相波形。 1.2通 Uab/2 5.6通 1.6通 Uab/2

64 a =120°，分析a相波形。 4. 5 通 Uac/2 5. 6 通 无器件导通 无器件导通 1. 6 通 Uab/2 无器件导通

65 6.1.2 三相交流调压电路 (1) 0°≤ a <60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°－a 。但a =0°时一直是三管导通 (2) 60°≤ a <90°：两管导通，每管导通120° (3) 90°≤ a <150°：两管导通与无晶闸管导通交替，每相每管导通150- a，两管共导通角度为300°－2 a a) a =30° b) a =60° c) a =120°

66 6.1.2 三相交流调压电路 谐波情况 电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同
谐波次数越低，含量越大 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路

67 6.2 其他交流电力控制电路 以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路 对电路通断进行控制——交流电力电子开关

68 控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均 常用于电炉的温度控制
6.2.1 交流调功电路 同 电路形式完全相同 与交流调压电路的 异 应用 控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均 常用于电炉的温度控制 因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路 控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可 通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载 电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常 意义的谐波污染

69 6.2.1 交流调功电路 电阻负载时的工作情况 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期 导通，后M－N个周期关断

70 6.2.2 交流电力电子开关 作用： 代替机械开关，起接通和断开电路的作用 优点： 与交流调功电路的区别
交流电力电子开关 作用： 优点： 与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率 通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低得多 代替机械开关，起接通和断开电路的作用 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断

71 6.3 交交变频电路 本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器 (Cycloconvertor)
6.3 交交变频电路 本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器 (Cycloconvertor) 交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的 交流电，属于直接变频电路 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要 是三相输出交交变频电路

72 直接变频器 交－交变频 AC 50Hz~ CVCF VVVF ★按波形的不同又可分为两类:

73 改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率.
①方波形直接变频器 改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率. 改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值. 这种方式控制,谐波分量大.

74 改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率. 这种方式控制,谐波分量少.适用于低速大容量的场合.
② 正弦波直接变频器 改变正反组切换频率,可以改变输出交流电的频率. 改变a的大小,即可改变输出交流电的幅值. 这种方式控制,谐波分量少.适用于低速大容量的场合.

75 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成。 如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。

76 三相交交变频器的基本结构（△接法）

77 输出星形联结方式三相交交变频电路

78 三相桥式交交变频电路

79 直接变频的特点： 交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。 这类交-交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 ~ 1/2。

80 本章重点 单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、斩控） 单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。（纯阻、阻感负载） 三相三线制调压电路的结构及波形分析。 交交变频电路的类型及控制方式。

81 第7章 PWM控制技术 一 PWM的基本原理 二 PWM控制方式 三 PWM在逆变电路中的应用（电压型） 四 PWM调制方式 结合
（1）计算法 （2）调制法 三 PWM在逆变电路中的应用（电压型） 四 PWM调制方式 结合

82 7.1 PWM的基本理论 冲量指窄脉冲的面积 指环节的输出响应波形基本相同

83 思考：利用上理论，如何用一系列方波等效一个正弦波？

84 思考：若要改变等效输出正弦波幅值，可采用什么措施？
按同一比例改变各脉冲宽度即可。

85 若等效为正弦波 PWM波形 SPWM波形 当然，SPWM波形远不止这一种。

86 等幅PWM波： 输入电源是恒定直流 PWM逆变电路 不等幅PWM形： 输入电源是交流或不是恒定的直流 基于面积等效原理进行控制，本质是相同的
直流斩波电路 等幅PWM波： 输入电源是恒定直流 PWM逆变电路 不等幅PWM形： 输入电源是交流或不是恒定的直流 基于面积等效原理进行控制，本质是相同的

87 PWM波形可等效为各种波形：面积等效原理
直流斩波电路 直流波形 SPWM波 正弦波形 等效成其他所需波形，如: 黄色： 所需波形 红色：等效的PWM波

88 7.2 PWM的控制方式及逆变实现 ★ 控制方式： 一 计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

89 ※二 调制法 方法：*将所希望得到的波形作为调制信号 ur *把接受调制的信号作为载波uc (通常采用三角波）
※二 调制法 方法：*将所希望得到的波形作为调制信号 ur *把接受调制的信号作为载波uc (通常采用三角波） *在两波交点时刻控制开关器件的通断，就可以 得到与调制信号ur波形一致的输出信号。 所以，当调制信号ur为正弦波时，自然也就得到SPWM波形。 单极性SSPWM SPWM 双极性BSPWM

90 （1）单极性SPWM（SSPWM） ※特点：①载波uc 在ur正半周，都用正极性三角波， 在负半周都用负极性三角波。
②在正半周， ur 大于uc时，相应的器件开通，U0=Ud,当ur 小于uc时，相应的器件关断U0=0 ③在负半周， ur 大于uc时，相应的器件关断U0=0,当ur 小于uc时，相应的器件开通， U0= -Ud ④在调制信号ur 的半个周期内，三角波uc只在一个方向上变化，得到的SPWM波形也只在一个方向上变化，故称之为单极性SPWM。 单极性PWM控制方式波形

91 ※电路的实现： （单相全桥PWM逆变电路）

92 （1）当Vr大与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？
*T1，T4开通，T2，T3关断，U0=Ud （2）当Vr小与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？ *T2，T4开通，T1，T3关断，U0=0

93 （2）当Vr小与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？

94 完整 SSPWM电路

95 （2）双极性SPWM（BSPWM） ※特点：①载波Uc在调制波Ur的正负两个半周期内，都在正负两个方向变化，不再单一了。调制波Ur仍为正弦波。 ②在Uc与Ur的交点时刻控制各器件的通断。 Ur大于 U c时器件开通。 ③输出的SPWM 波形在两个方向变化，故称之为双极性SPWM。 双极性PWM控制方式波形

96 ※电路的实现： 思考：工作原理？

97 三相PWM逆变工作原理 调制 电路 V VD u U W N N' C + 三相桥式PWM逆变器主电路原理图 1 2 3 4 c 6 5
rU rV rW d

98

99 自然采样法——自然采样法的运算比较复杂； 规则采样法——在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。
SPWM信号的生成方法—软件生成方法 自然采样法——自然采样法的运算比较复杂； 规则采样法——在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。

100 ※规则采样法 脉宽时间： t2=Tc(1+MsinωtD)/2 间隔时间： t1=t3=（Tc-t2）/2

101 7.3 PWM的调制方式（在调制电路中体现） （1）几个基本概念： 载波频率：fc 调制信号频率：fr
*载波比：N=fc/fr（即为一个调制周期内所包含的三角 载波的个数）

102 （2）调制方式的分类： ①同步调制 调制信号周期变化时，载波个数不变 ※特点： fr变化时， fc也要相应变化。
因为N不变，半个周期内的脉冲数不变，脉冲相位不变，正负半周期内的脉冲对称。保证输出波形的对称性。 当fr很低时，fc也很低，相邻两个脉冲之间的间距很大，谐波显著增加，输出发生较大畸变，对负载不利。

103 （2）调制方式的分类： ②异步调制 调制信号周期变化时，载波个数改变 ※特点： fr变化时， fc不变化。
N可变，半周期内脉冲数可变，脉冲相位可变，正负半周期内的脉冲数不对称。 当fr高时，N减少，半周期内脉冲减少，与正弦波差异较大，输出特性变坏。

104 （2）调制方式的分类： ③分段同步调制 同步，异步相结合 ※特点： 将fr频率分成若干段，在每段内载波比N恒定。
fr高的频段，N小，这样fc不至于过高，限制在开关器件允许的范围以内。 fr低的频段，N大，这样fc不至于过低，避免了上述中畸变带来的不良影响。 各频率段本身的N又分别是恒定的。但各段之间的N是不一样的。

105 第7章 PWM控制技术小结 PWM在电力电子中的重要性以及其基本理论 SPWM的基本分类，各自特性
SPWM在逆变中的应用，掌握调制电路在PWM逆变电路中的关键作用。 PWM的调制方式，各自优缺点。

106 ※思考： （1）PWM的基本理论是什么？ （2）如何利用PWM的基本理论实现正弦波与 一系列等幅不等宽脉冲的等效？
（3）SPWM分为哪两种基本的方式？ （4）在PWM中调制法是一种什么样的方法？它最突出的特点是什么？ （5）分析SSPWM的工作原理。