8-1
第 8章 组合变流电路
引言
8.1 间接交流变流电路
8.2 间接直流变流电路
本章小结
8-2
第 8章 组合变流电路 ?引言
基本的变流电路
第 2～ 5章分别介绍的 AC/DC,DC/DC,AC/AC和
DC/AC四大类 基本的变流电路 。
组合变流电路
将某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新
功能，即构成 组合变流电路 。
间接交流变流电路
先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，
是 先整流后逆变 的组合。
间接直流变流电路
先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，
是 先逆变后整流 的组合。
8-3
8.1 间接交流变流电路
间接交流变流电路由整流电路、中间直流电
路和逆变电路构成 。
分为 电压型 间接交流变流电路和 电流型 间接
交流变流电路
间接交流变流电路的逆变部分多采用
PWM控制 。
8-4
8.1 间接交流变流电路
8.1.1 间接交流变流电路原理
8.1.2 交直交变频器
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
8-5
8.1.1 间接交流变流电路原理
当负载为电动机时, 通常要求间接交流变流电路具有 再
生反馈电力 的能力, 要求输出电压的大小和频率可调,
此时该电路又名 交直交变频电路 。
不能再生反馈电力 的电压型间接交流变流电路的整流部分
采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，
而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，
若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，
称为 泵升电压 。
1）电压型间接交流
变流电路
图 8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路
8-6
8.1.1 间接交流变流电路原理
使电路具备 再生反馈电力 的
能力的方法,
带有 泵升电压限制电路 的电压
型间接交流变流电路。
当泵升电压超过一定数值时，
使 V0导通，把从负载反馈的能量
消耗在 R0上。 图 8－ 2 带有泵升电压限制电路
的电压型间接交流变流电路
利用 可控变流器实现再生反馈 的
电压型间接交流变流电路。
当负载回馈能量时，可控变流
器工作于有源逆变状态，将电能
反馈回电网。 图 8－ 3 利用可控变流器实现再生
反馈的电压型间接交流变流电路
8-7
8.1.1 间接交流变流电路原理
整流和逆变均为 PWM控制 的
电压型间接交流变流电路。
整流和逆变电路的构成完
全相同，均采用 PWM控制，能
量可双向流动。输入输出电流
均为正弦波，输入功率因数高，
且可实现电动机四象限运行。
图 8－ 4 整流和逆变均为 PWM控制
的电压型间接交流变流电路
8-8
8.1.1 间接交流变流电路原理
2） 电流型间接交流变流电路
整流电路为不可控的二极管
整流时，电路不能将负载侧
的能量反馈到电源侧。
图 8-5 不能再生反馈电力的
电流型间接交流变流电路
图 8-6 采用可控整流的
电流型间接交流变流电路
为使电路具备再生反馈电
力的能力，可采用,
整流电路采用晶闸管可
控整流电路。
负载回馈能量时，可控
变流器工作于有源逆变
状态，使 中间直流电压
反极性。
8-9
8.1.1 间接交流变流电路原理
整流和逆变均为 PWM控
制的电流型间接交流变流
电路
通过对整流电路的 PWM
控制使输入电流为正弦
并使输入功率因数为 1。 图 8-8 整流和逆变均为 PWM控制的电流型间接交流变流电路
图 8-7 电流型交 -直 -交 PWM变频电路
实现再生反馈的电路图
负载为三相异步电动机，
适用于较大容量的场合。
8-10
8.1.2 交直交变频器
晶闸管 直流 电动机传动系统存在一些固有的 缺点, (1) 受
使用环境条件制约； (2) 需要定期维护； (3) 最高速度和
容量受限制等。
交流 调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外
还具有,(1) 交流电动机结构简单，可靠性高； (2) 节能；
(3) 高精度，快速响应等优点。
采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的
消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，
具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种
方式。
笼型异步电动机的定子频率控制方式，有,(1) 恒压频比
(U/f)控制； (2) 转差频率控制； (3) 矢量控制； (4) 直接转
矩控制等。
8-11
8.1.2 交直交变频器
1） 恒压频比控制
为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流
增大,引起功率因数和效率的降低, 需对变频器的电
压和频率的比率进行控制, 使该比率保持恒定, 即恒
压频比控制, 以维持气隙磁通为额定值 。
恒压频比控制是比较简单, 被广泛采用的控制方式 。
该方式被用于转速开环的交流调速系统, 适用于生产
机械对调速系统的静, 动态性能要求不高的场合 。
8-12
8.1.2 交直交变频器
转速给定既作为调节加减速的频率 f 指令值，同时经过适当分
压，作为定子电压 U1的指令值。该比例决定了 U/f比值，可以
保证压频比为恒定。
在给定信号之后设臵的给定积分器，将阶跃给定信号转换为
按设定斜率逐渐变化的斜坡信号 ugt，从而使电动机的电压和
转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-13
8.1.2 交直交变频器
给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、
频率。绝对值变换器输出 ugt的绝对值 uabs，电压频率控制环
节根据 uabs及 ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经 PWM
生成环节形成控制逆变器的 PWM信号，再经驱动电路控制变
频器中 IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的
交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-14
8.1.2 交直交变频器
2） 转差频率控制
在稳态情况下, 当稳态气隙磁通恒定时, 异步电机电
磁转矩近似与转差角频率成正比 。 因此, 控制 ws就相
当于控制转矩 。 采用转速闭环的转差频率控制, 使定
子频率 w 1 = wr + ws, 则 w 1随实际转速 wr增加或减小,
得到平滑而稳定的调速, 保证了较高的调速范围 。
转差频率控制方式可达到较好的静态性能, 但这种方
法是基于稳态模型的, 得不到理想的动态性能 。
8-15
8.1.2 交直交变频器
3） 矢量控制
异步电动机的数学模型是高阶, 非线性, 强耦合的多变量系统 。 传统设计方法无法达到理想的动态性能 。
矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态
模型, 将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩
分量, 参照直流调速系统的控制方法, 分别独立地对
两个电流分量进行控制, 类似直流调速系统中的双闭
环控制方式 。
控制系统较为复杂, 但可获得与直流电机调速相当的
控制性能 。
8-16
8.1.2 交直交变频器
4） 直接转矩控制
直接转矩控制方法同样是基于动态模型的, 其控
制闭环中的内环, 直接采用了转矩反馈, 并采用
砰 — 砰控制, 可以得到转矩的快速动态响应 。 并
且控制相对要简单许多 。
8-17
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
CVCF电源主要用作不间断电源 (UPS) 。
UPS -Uninterruptible Power Supplies
UPS是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异
常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电
质量，使负载供电不受影响的装臵 。
UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量
要求高的场合。
8-18
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
1） UPS基本 工作原理,
图 8-10 UPS基本结构原理图
市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再
逆变为 50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器
输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。
此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性
能，也称为稳压稳频电源。
市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒
频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容
量的大小。
8-19
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
图 8-12 具有旁路电源系统的 UPS
增加旁路电源系统，
可使负载供电可靠性
进一步提高。
图 8-11 用柴油发电机作
为后备电源的 UPS
为了保证长时间不间
断供电, 可采用柴油
发电机 （ 简称油机 ）
作为后备电源 。
8-20
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
2） UPS主电路结构
图 8-13 小容量 UPS主电路
小容量的 UPS，整流部
分使用二极管整流器和
直流斩波器 (PFC)，可获
得较高的交流输入功率
因数，逆变器部分使用
IGBT并采用 PWM控制，
可获得良好的控制性能。
图 8-14 大功率 UPS主电路
大容量 UPS主电路。采
用 PWM控制的逆变器开
关频率较低，通过多重
化联结降低输出电压中
的谐波分量。
8-21
8.2 间接直流变流电路
采用这种结构的变换原因,
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。工作频率高于 20kHz这一人
耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。
变压器 整流
电路
滤波器
直流 交流 交流 脉动直流 直流 逆变
电路
图 8-15 间接直流变流电路的结构
间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流
为直流电，也称为直 -交 -直电路。
8-22
8.2 间接直流变流电路
8.2.1 正激电路
8.2.2 反激电路
8.2.3 半桥电路
8.2.4 全桥电路
8.2.5 推挽电路
8.2.6 全波整流和全桥整流
8.2.7 开关电源
8-23
8.2.1 正激电路
图 8-16 正激电路的原理图
图 8-17 正激电路的理想化波形
S
u S
i L
i S
O
t
t
t
t
U i
O
O
O
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 。
iS UN
Nu )1(
3
1??
1）正激电路 (Forward)的工作过程
8-24
8.2.1 正激电路
B R
B S
B
H O
图 8-18 磁心复位过程
输出电压
输出滤波电
感电流连续
的情况下
输出电感电
流不连续时 i
1
2
o UN
NU ?
2）变压器的磁心复位
on
3
1
rst tN
Nt ?
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。为防止变压器的激磁电
感饱和，必须设法使激磁电流在 S
关断后到下一次再开通的时间内降
回零，这一过程称为 变压器的磁心
复位 。
变压器的磁心复位时间为
8-25
8.2.2 反激电路
1）工作过程,
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
u S
i S
i VD
t on t off
t
t
t
t
U i
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图 S开通后,VD处于断态，W
1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。
8-26
8.2.2 反激电路
2） 反激电路的工作模式,
电流连续模式：当 S开通时，
W2绕组中的电流 尚未下降到
零 。 输出电压关系,
电流断续模式,S开通前,W2
绕组中的电流 已经下降到零 。
输出电压高于式（ 8-3）的计
算值，并随负载减小而升高，
在负载为零的极限情况
下，,因此反激电路
不应工作于负载开路状态。
o f f
on
1
2
i
o
t
t
N
N
U
U ?
??oU
(8-3)
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
u S
i S
i VD
t on t off
t
t
t
t
U i
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图
8-27
8.2.3 半桥电路
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。
1） 工作过程
图 8-21 半桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t
T
t
t
t
t
t
t
t
t on
U i
U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
8-28
8.2.3 半桥电路
2） 数量关系
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 。
图 8-21 半桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t
T
t
t
t
t
t
t
t
t on
U i
U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
当滤波电感 L的电流连续时,
如果输出电感电流不连续，输出电压
U0将高于式（ 8-4）的计算值，并随负
载减小而升高，在负载为零的极限情况
下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o ?
2
i
1
2
o
U
N
NU ?
(8-4)
8-29
8.2.4 全桥电路
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；
S2与 S3开通后，二极管 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。
1） 工作过程
图 8-23 全桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-30
8.2.4 全桥电路
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。
2） 数量关系
滤波电感电流连续时,
(8-5)
输出电感电流断续时, 输出电压 Uo
将高于式 （ 8-5） 的计算值, 并随负载
减小而升高, 在负载为零的极限情况
下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU ?
图 8-23 全桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-31
8.2.5 推挽电路
图 8-25 推挽电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
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。
1） 工作过程
8-32
8.2.5 推挽电路
图 8-25 推挽电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
2） 数量关系
S1和 S2同时导通，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。
滤波电感 L电流连续时,
(8-6)
输出电感电流不连续时, 输出电压
Uo将高于式 （ 8-6） 的计算值, 并
随负载减小而升高, 在负载为零的
极限情况下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU ?
8-33
8.2.5 推挽电路
电路
优点
缺点
功率范围
应用领域
正激
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
几百 W~几 kW
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
几百 W~几 kW
低输入电压的电
源
表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较
8-34
图 8-27 全波整流电路和
全桥整流电路原理图
8.2.6 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。
a）全波整流电路
1） 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） 。
8-35
8.2.6 全波整流和全桥整流
a）全波整流电路
b）全桥整流电路
2） 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。
图 8-27 全波整流电路和
全桥整流电路原理图
8-36
8.2.6 全波整流和全桥整流
3） 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 。 图 8-28 同步整流电路原理
8-37
8.2.7 开关电源
如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交
流电网整流得来，所构成的交－直－交－直电路，
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，体积和重量都远小
于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利
于控制性能的提高。
8-38
本章小结
本章要点如下,
1)间接交流变流电路可分为电压型和电流型，掌握他
们的各种构成方式及特点；
2)交直交变频器与交流电机构成变频调速系统，重点
理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控制、矢
量控制、直接转矩控制等其他控制方法；
3)CVCF变流电路主要用于 UPS，掌握其基本构成方
式、特点及主电路结构；
4)间接直流变换电路中的能量转换过程为直流 — 交
流 — 直流，交流环节含有变压器；
8-39
本章小结
5) 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, 本章仅介绍了其
中最具代表性的拓扑形式和控制方法；
6) 双端电路的整流电路可以有多种形式，本章介绍了
常用的全桥和全波两种，它们具有各自的特点和不
同的应用场合。
第 8章 组合变流电路
引言
8.1 间接交流变流电路
8.2 间接直流变流电路
本章小结
8-2
第 8章 组合变流电路 ?引言
基本的变流电路
第 2～ 5章分别介绍的 AC/DC,DC/DC,AC/AC和
DC/AC四大类 基本的变流电路 。
组合变流电路
将某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新
功能，即构成 组合变流电路 。
间接交流变流电路
先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，
是 先整流后逆变 的组合。
间接直流变流电路
先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，
是 先逆变后整流 的组合。
8-3
8.1 间接交流变流电路
间接交流变流电路由整流电路、中间直流电
路和逆变电路构成 。
分为 电压型 间接交流变流电路和 电流型 间接
交流变流电路
间接交流变流电路的逆变部分多采用
PWM控制 。
8-4
8.1 间接交流变流电路
8.1.1 间接交流变流电路原理
8.1.2 交直交变频器
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
8-5
8.1.1 间接交流变流电路原理
当负载为电动机时, 通常要求间接交流变流电路具有 再
生反馈电力 的能力, 要求输出电压的大小和频率可调,
此时该电路又名 交直交变频电路 。
不能再生反馈电力 的电压型间接交流变流电路的整流部分
采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，
而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，
若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，
称为 泵升电压 。
1）电压型间接交流
变流电路
图 8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路
8-6
8.1.1 间接交流变流电路原理
使电路具备 再生反馈电力 的
能力的方法,
带有 泵升电压限制电路 的电压
型间接交流变流电路。
当泵升电压超过一定数值时，
使 V0导通，把从负载反馈的能量
消耗在 R0上。 图 8－ 2 带有泵升电压限制电路
的电压型间接交流变流电路
利用 可控变流器实现再生反馈 的
电压型间接交流变流电路。
当负载回馈能量时，可控变流
器工作于有源逆变状态，将电能
反馈回电网。 图 8－ 3 利用可控变流器实现再生
反馈的电压型间接交流变流电路
8-7
8.1.1 间接交流变流电路原理
整流和逆变均为 PWM控制 的
电压型间接交流变流电路。
整流和逆变电路的构成完
全相同，均采用 PWM控制，能
量可双向流动。输入输出电流
均为正弦波，输入功率因数高，
且可实现电动机四象限运行。
图 8－ 4 整流和逆变均为 PWM控制
的电压型间接交流变流电路
8-8
8.1.1 间接交流变流电路原理
2） 电流型间接交流变流电路
整流电路为不可控的二极管
整流时，电路不能将负载侧
的能量反馈到电源侧。
图 8-5 不能再生反馈电力的
电流型间接交流变流电路
图 8-6 采用可控整流的
电流型间接交流变流电路
为使电路具备再生反馈电
力的能力，可采用,
整流电路采用晶闸管可
控整流电路。
负载回馈能量时，可控
变流器工作于有源逆变
状态，使 中间直流电压
反极性。
8-9
8.1.1 间接交流变流电路原理
整流和逆变均为 PWM控
制的电流型间接交流变流
电路
通过对整流电路的 PWM
控制使输入电流为正弦
并使输入功率因数为 1。 图 8-8 整流和逆变均为 PWM控制的电流型间接交流变流电路
图 8-7 电流型交 -直 -交 PWM变频电路
实现再生反馈的电路图
负载为三相异步电动机，
适用于较大容量的场合。
8-10
8.1.2 交直交变频器
晶闸管 直流 电动机传动系统存在一些固有的 缺点, (1) 受
使用环境条件制约； (2) 需要定期维护； (3) 最高速度和
容量受限制等。
交流 调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外
还具有,(1) 交流电动机结构简单，可靠性高； (2) 节能；
(3) 高精度，快速响应等优点。
采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的
消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，
具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种
方式。
笼型异步电动机的定子频率控制方式，有,(1) 恒压频比
(U/f)控制； (2) 转差频率控制； (3) 矢量控制； (4) 直接转
矩控制等。
8-11
8.1.2 交直交变频器
1） 恒压频比控制
为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流
增大,引起功率因数和效率的降低, 需对变频器的电
压和频率的比率进行控制, 使该比率保持恒定, 即恒
压频比控制, 以维持气隙磁通为额定值 。
恒压频比控制是比较简单, 被广泛采用的控制方式 。
该方式被用于转速开环的交流调速系统, 适用于生产
机械对调速系统的静, 动态性能要求不高的场合 。
8-12
8.1.2 交直交变频器
转速给定既作为调节加减速的频率 f 指令值，同时经过适当分
压，作为定子电压 U1的指令值。该比例决定了 U/f比值，可以
保证压频比为恒定。
在给定信号之后设臵的给定积分器，将阶跃给定信号转换为
按设定斜率逐渐变化的斜坡信号 ugt，从而使电动机的电压和
转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-13
8.1.2 交直交变频器
给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、
频率。绝对值变换器输出 ugt的绝对值 uabs，电压频率控制环
节根据 uabs及 ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经 PWM
生成环节形成控制逆变器的 PWM信号，再经驱动电路控制变
频器中 IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的
交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-14
8.1.2 交直交变频器
2） 转差频率控制
在稳态情况下, 当稳态气隙磁通恒定时, 异步电机电
磁转矩近似与转差角频率成正比 。 因此, 控制 ws就相
当于控制转矩 。 采用转速闭环的转差频率控制, 使定
子频率 w 1 = wr + ws, 则 w 1随实际转速 wr增加或减小,
得到平滑而稳定的调速, 保证了较高的调速范围 。
转差频率控制方式可达到较好的静态性能, 但这种方
法是基于稳态模型的, 得不到理想的动态性能 。
8-15
8.1.2 交直交变频器
3） 矢量控制
异步电动机的数学模型是高阶, 非线性, 强耦合的多变量系统 。 传统设计方法无法达到理想的动态性能 。
矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态
模型, 将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩
分量, 参照直流调速系统的控制方法, 分别独立地对
两个电流分量进行控制, 类似直流调速系统中的双闭
环控制方式 。
控制系统较为复杂, 但可获得与直流电机调速相当的
控制性能 。
8-16
8.1.2 交直交变频器
4） 直接转矩控制
直接转矩控制方法同样是基于动态模型的, 其控
制闭环中的内环, 直接采用了转矩反馈, 并采用
砰 — 砰控制, 可以得到转矩的快速动态响应 。 并
且控制相对要简单许多 。
8-17
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
CVCF电源主要用作不间断电源 (UPS) 。
UPS -Uninterruptible Power Supplies
UPS是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异
常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电
质量，使负载供电不受影响的装臵 。
UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量
要求高的场合。
8-18
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
1） UPS基本 工作原理,
图 8-10 UPS基本结构原理图
市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再
逆变为 50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器
输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。
此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性
能，也称为稳压稳频电源。
市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒
频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容
量的大小。
8-19
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
图 8-12 具有旁路电源系统的 UPS
增加旁路电源系统，
可使负载供电可靠性
进一步提高。
图 8-11 用柴油发电机作
为后备电源的 UPS
为了保证长时间不间
断供电, 可采用柴油
发电机 （ 简称油机 ）
作为后备电源 。
8-20
8.1.3 恒压恒频 (CVCF)电源
2） UPS主电路结构
图 8-13 小容量 UPS主电路
小容量的 UPS，整流部
分使用二极管整流器和
直流斩波器 (PFC)，可获
得较高的交流输入功率
因数，逆变器部分使用
IGBT并采用 PWM控制，
可获得良好的控制性能。
图 8-14 大功率 UPS主电路
大容量 UPS主电路。采
用 PWM控制的逆变器开
关频率较低，通过多重
化联结降低输出电压中
的谐波分量。
8-21
8.2 间接直流变流电路
采用这种结构的变换原因,
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。工作频率高于 20kHz这一人
耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。
变压器 整流
电路
滤波器
直流 交流 交流 脉动直流 直流 逆变
电路
图 8-15 间接直流变流电路的结构
间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流
为直流电，也称为直 -交 -直电路。
8-22
8.2 间接直流变流电路
8.2.1 正激电路
8.2.2 反激电路
8.2.3 半桥电路
8.2.4 全桥电路
8.2.5 推挽电路
8.2.6 全波整流和全桥整流
8.2.7 开关电源
8-23
8.2.1 正激电路
图 8-16 正激电路的原理图
图 8-17 正激电路的理想化波形
S
u S
i L
i S
O
t
t
t
t
U i
O
O
O
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 。
iS UN
Nu )1(
3
1??
1）正激电路 (Forward)的工作过程
8-24
8.2.1 正激电路
B R
B S
B
H O
图 8-18 磁心复位过程
输出电压
输出滤波电
感电流连续
的情况下
输出电感电
流不连续时 i
1
2
o UN
NU ?
2）变压器的磁心复位
on
3
1
rst tN
Nt ?
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。为防止变压器的激磁电
感饱和，必须设法使激磁电流在 S
关断后到下一次再开通的时间内降
回零，这一过程称为 变压器的磁心
复位 。
变压器的磁心复位时间为
8-25
8.2.2 反激电路
1）工作过程,
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
u S
i S
i VD
t on t off
t
t
t
t
U i
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图 S开通后,VD处于断态，W
1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。
8-26
8.2.2 反激电路
2） 反激电路的工作模式,
电流连续模式：当 S开通时，
W2绕组中的电流 尚未下降到
零 。 输出电压关系,
电流断续模式,S开通前,W2
绕组中的电流 已经下降到零 。
输出电压高于式（ 8-3）的计
算值，并随负载减小而升高，
在负载为零的极限情况
下，,因此反激电路
不应工作于负载开路状态。
o f f
on
1
2
i
o
t
t
N
N
U
U ?
??oU
(8-3)
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
u S
i S
i VD
t on t off
t
t
t
t
U i
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图
8-27
8.2.3 半桥电路
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。
1） 工作过程
图 8-21 半桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t
T
t
t
t
t
t
t
t
t on
U i
U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
8-28
8.2.3 半桥电路
2） 数量关系
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 。
图 8-21 半桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t
T
t
t
t
t
t
t
t
t on
U i
U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
当滤波电感 L的电流连续时,
如果输出电感电流不连续，输出电压
U0将高于式（ 8-4）的计算值，并随负
载减小而升高，在负载为零的极限情况
下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o ?
2
i
1
2
o
U
N
NU ?
(8-4)
8-29
8.2.4 全桥电路
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；
S2与 S3开通后，二极管 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。
1） 工作过程
图 8-23 全桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-30
8.2.4 全桥电路
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。
2） 数量关系
滤波电感电流连续时,
(8-5)
输出电感电流断续时, 输出电压 Uo
将高于式 （ 8-5） 的计算值, 并随负载
减小而升高, 在负载为零的极限情况
下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU ?
图 8-23 全桥电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-31
8.2.5 推挽电路
图 8-25 推挽电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
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。
1） 工作过程
8-32
8.2.5 推挽电路
图 8-25 推挽电路原理图
S 1
S 2
u S 1
u S 2
i S 1
i S 2
i D 1
i S 2
t on
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2 U i
2 U i
i L
i L
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
2） 数量关系
S1和 S2同时导通，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。
滤波电感 L电流连续时,
(8-6)
输出电感电流不连续时, 输出电压
Uo将高于式 （ 8-6） 的计算值, 并
随负载减小而升高, 在负载为零的
极限情况下,
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU ?
8-33
8.2.5 推挽电路
电路
优点
缺点
功率范围
应用领域
正激
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
几百 W~几 kW
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
几百 W~几 kW
低输入电压的电
源
表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较
8-34
图 8-27 全波整流电路和
全桥整流电路原理图
8.2.6 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。
a）全波整流电路
1） 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） 。
8-35
8.2.6 全波整流和全桥整流
a）全波整流电路
b）全桥整流电路
2） 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。
图 8-27 全波整流电路和
全桥整流电路原理图
8-36
8.2.6 全波整流和全桥整流
3） 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 。 图 8-28 同步整流电路原理
8-37
8.2.7 开关电源
如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交
流电网整流得来，所构成的交－直－交－直电路，
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，体积和重量都远小
于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利
于控制性能的提高。
8-38
本章小结
本章要点如下,
1)间接交流变流电路可分为电压型和电流型，掌握他
们的各种构成方式及特点；
2)交直交变频器与交流电机构成变频调速系统，重点
理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控制、矢
量控制、直接转矩控制等其他控制方法；
3)CVCF变流电路主要用于 UPS，掌握其基本构成方
式、特点及主电路结构；
4)间接直流变换电路中的能量转换过程为直流 — 交
流 — 直流，交流环节含有变压器；
8-39
本章小结
5) 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, 本章仅介绍了其
中最具代表性的拓扑形式和控制方法；
6) 双端电路的整流电路可以有多种形式，本章介绍了
常用的全桥和全波两种，它们具有各自的特点和不
同的应用场合。
