直流直流变流电路

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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1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。 25.1 基本斩波电路5.1.1 降压斩波电路5.1.2 升压斩

2、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3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。5.1.1 降压斩波电路（Buck Chopper） 电路结构45.1.1 降压斩波电路图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

3、常串接较大电感L使负载电 流连续且脉动小。 动画演 示5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 频率调制。ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用 最多第3章3.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线 性电路的思想。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初始条件分电流连续和断续5.1.1 降压斩波电路65.1.1 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 负载电流平均值为 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。 电流断续时，

4、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。 (5-1)(5-2)75.1.1 降压斩波电路对降压斩波电路进行解析 电流连续时得出式中， ， ， ， ，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 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。 (5-9)(5- 10)(5- 11)85.1.1 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 则假设电源电流平均值为I1，则有 其值小于等于负载电流Io，由上式得

5、 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。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)95.1.1 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 电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为 输出电压平均值为 负载电流平均值为 (5-16)(5-17)(5-18)(5-19)105.1.1 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。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

6、平均值为115.1.1 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=0.5 ，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s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=5s时，有 由于 所以输出电流连续。125.1.1 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 135.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper）保持输 出电压储存电能电路结构145.1.2 升压斩波电路0iGE0ioI1a)

7、b)图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形 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。动画演 示155.1.2 升压斩波电路将升压比的倒数记作，即 ，则和导通占空比有如下关系 式（5-21）可表示为 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 输出电流的平均值Io为 电源电流I1为 (5- 22)

8、(5- 23)(5- 24)(5- 25)(5- 26)165.1.2 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=40s，ton=25s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：175.1.2 升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20 I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txton toffI20a)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 典型应用 一是用于直流

9、电动机传动，二是用 作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）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 (5-36)动画演 示185.1.2 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 当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是 电流断续的条件，即 tOTOEtc)u oi oi 1i 2t 1t 2t xt

10、on t offI 20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(5-37)(5-38)195.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路a)图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 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 当V处于通态期间，uL=E；而当V 处于断态期间，uL

11、=-uo。于是： (5-39)(5-40)动画演 示205.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路所以输出电压为：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 01/2时为降压，当1/21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 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 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)215.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 Cuk斩波电路工作原理V导通时，EL1V回路

12、和RL2CV回路分别流过电流。V关断时，EL1CVD回路和RL2VD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)225.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路由(5-45)得从而可得由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 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。(5-46)(5-47)(5-48)235.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Sepic斩波电路工作原理 V导通时，EL1V回路和C

13、1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。 V关断时，EL1C1VD负载回路及L2VD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 图5-6 a)Sepic斩波电路 (5-49)245.1.4 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，L1VDC1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 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

14、，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 (5- 50)255.2 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265.2.1 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

15、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。275.2.1 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 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。 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。 285.2.2 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