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1、电力电子技术,主讲人： 崔纳新 2010.9,山东大学 Shandong University,2,,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,3,,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
2、输出间的隔离，因此也称为直交直电路。,引言,4,,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,5.1 基本斩波电路,5,,电路结构,全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的反电动势,典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,降压斩波电路（Buck Converter),5.1.1 降压斩波电路,6,,5.1.1 降压斩波电路,工作原理,c) 电流断续时的波形,b)电流连续时的波形,O,O,O,t,t,t,T,E,E,i,G,i,G,t,on,t,off,i,o
3、,t,x,i,1,i,2,I,20,t,1,t,2,u,o,E,M,a) 电路图,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。,7,,5.1.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,（5-2）,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,8,,5.1.1 降压斩波电路,斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T
4、 频率调制。ton和T都可调，改变占空比混合型。,此种方式应用最多,基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态,9,,5.1.1 降压斩波电路,同样可以从能量传递关系出发进行的推导,电源只在V处于通态时提供能量，为,在整个周期T中，负载消耗的能量为,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。,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,10,,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=10，L值极大，Em=30V，T=50s，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
5、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,11,,5.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路（Boost Chopper）,保持输出电压,储存电能,电路结构,1) 升压斩波电路的基本原理,12,,5.1.2 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。,图5-2 升压斩波电路及工组波形,a) 电路图,b) 波形,13,,5.1.2 升压斩波电路,数量关系,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为to
6、ff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,（5-21）,（5-20）,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,14,,5.1.2 升压斩波电路,电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 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） 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。,15,,5.1.2 升压斩波电路,输出电流的平均值Io为：,(5-25),电源电流的平均值I1为：,(5-26),16,,5.1.2 升压斩波电路,2) 升压斩波电路典型应用,一是用于直流
7、电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,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,用于直流电动机传动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。动画演示。,17,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路 (buck -boost Chopper),电路结构,18,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk
8、斩波电路,基本工作原理,a),图5-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,V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。动态演示。,19,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,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,（5-39）,V处于通态uL = E,V处于断态uL = - uo,20,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,结论,当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升
9、降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。,加油！,21,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2) Cuk斩波电路,输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。,图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路a） 电路图 b） 等效电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。,V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。,22,,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,（5-45）,V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：,（5-46）
10、,（5-47）,（5-48）,优点（与升降压斩波电路相比）：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。,23,,5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,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 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,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
11、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,a),图5-7 电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图,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。 V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。 必须防止V1和V2同时导通而导致电源短路。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。,26,,5.2.1 电流可逆斩波电路,a),图5-7 电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图 b） 波形,第3种工作方式：一个
12、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。,27,,5.2.2 桥式可逆斩波电路,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
13、象限。,28,,5.2.3 多相多重斩波电路,a),b),图5-9 多相多重斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,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。 3相3重降压斩波电路 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。,29,,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。,
