电力电子课件-西安交大-第5章直流直流变流电路

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,2/44,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。,3/44,5.1 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,4/44,5.1.1 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,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

2、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。,5/44,5.1.1 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,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，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,(5-1),(5-2),6/44,5.1.1 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

3、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),7/44,5.1.1 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,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,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),8/44,5.1.1 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,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),9/44,5.1.1 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

4、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,10/44,5.1.1 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=0.5，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。,11/44,5.1.1 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,12/44,5.1.2 升压斩波电路,a),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。 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,化简得,上式中的

5、,(5-20),(5-21),13/44,5.1.2 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),(5-23),(5-24),(5-25),(5-26),14/44,5.1.2 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=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：,15/44,5.1.2 升压斩波电路,a),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

6、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),16/44,5.1.2 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,当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即,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),17/44,5.1.3 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=-uo。于是：,(5-3

7、9),(5-40),18/44,5.1.3 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,由上式可得,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),19/44,5.1.3 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),20/44,5.1.3 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

8、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),21/44,5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Sepic斩波电路 工作原理 V导通时，EL1V回路和C1VL2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),22/44,5.1.4 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，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，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),23/4

9、4,5.2 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,24/44,5.2.1 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。,25/44,5.2.1 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,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。,26/44,5.2.2 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

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