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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,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。,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,基本斩波器的工作原理 降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压Ud。最基本的降压式斩波电路如图所示。,T=Ton+Toff,Q交替通断，在负载上就可得到方波电压。,占空比k=ton/T,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,5.1 基本斩波电路,5.1.1 降压斩波电路,(一)工作电路,IGBT,若为晶闸管，须有关断辅助电路,续流二极管,负载出现的反电动势,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）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。,动态演示,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。,5.1.1 降压斩波电路,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,负载电流维持为Io不变,电源只在V处于通态时提供能量为:EI0ton,在整个周期T中，负载消耗的能量为:RI02T+EMI0T,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,数量关系分析从能量传递角度推导,设I1为电源电流平均值,U0,电源侧,负载侧,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。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,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。,储存电能,保持输出电压,toff:V处于断态，L上释放的能量为：(U0-E)I1toff,toff,ton,ton:V处于通态，L上积蓄的能量为：EI1ton,V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：EI1ton,数量关系(直接从能量角度分析）,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：EI1ton=(U0-E)I1toff,V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断开的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：(U0-E)I1toff,T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路,T/toff升压比；,升压比的倒数记作，即,和的关系：,因此，U0可表示为,以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低。,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。,根据电路结构分析输出电流的平均值Io为：,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,与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。,则电源电流的平均值I1为：,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：,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。,升压斩波电路典型应用（直流电机传动）,通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给 直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此也有电流连续和断续两种工作状态,此时电机的反电动势相当于右图中的电源，而此时的直流电源相当于右图中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。,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,V开通,V断开,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,电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值Io为,(5-36),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),课程回顾,5.1.1 降压斩波电路,(一)工作电路,续流二极管,负载出现的反电动势,课程回顾,IGBT,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,课程回顾,(二)数量关系,5.1.2 升压斩波电路,课程回顾,保持输出电压,储存电能,(一)工作电路,课程回顾,toff,ton,(二)数量关系,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,一、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。,升降压斩波电路,V关断时，L的能量向负载释放，电流为i2，电压极性上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。,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 二、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；当V处于断态期间，uL=-uo。于是根据积分得出：,(5-39),(5-40),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,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),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斩波电路一、工作原理,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,一、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。,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,(5-46),(5-47),(5-48),二、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),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),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),课程回顾,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,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,课程回顾,5.2 复合斩波电路,5.2.1 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路,5.2.1 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。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。,电路结构,V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限,分析：,V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限,必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路,5.2.1 电流可逆斩波电路,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,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。,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。4象限对应四种工作状态：正转，正转制动，反转，反转制动。,5.2.2 桥式可逆斩波电路,图5-8 桥式可逆斩波电路,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象限。,本章小结,本章重点介绍了两种基本斩波电路，要求理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点。要求掌握复合斩波电路的工作原理及电压电流波形,
