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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，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 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，tx

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)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β，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)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=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：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 (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tx

☞ 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： (5-39)(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 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 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，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)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，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 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，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 ■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)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。