直流直流變流電路

1、第第5章章 直流直流-直流變流電路直流變流電路第第5章章 直流直流-直流變流電路直流變流電路引言引言直流斬波電路（DC Chopper）v將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。v也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。v一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鹘涣髦绷鳌?電路種類v6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。v復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。v多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。5.1 基本斬波電路基本斬波電路5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波

2、電路 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖5-1 降壓斬波電路得原理圖及波形vt=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。vt

3、=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。v通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。v動畫演示。5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v電流連續(xù) 負載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比v 電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 負載電流平均值：5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。此

4、種方式應(yīng)用最多 第3章3.1節(jié)介紹過：電力電子電路的實質(zhì)上是分時段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路TIETRIoM2o同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導(dǎo)v 由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變v 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為v 在整個周期T中，負載消耗的能量為onotEI輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI5.

5、1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 負載電流斷續(xù)的情況：負載電流斷續(xù)的情況： I10=0，且t=tx時，i2=0式（5-7）式（5-6）memt)1 (1lnx（5-16）tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和的關(guān)系：因此，式（5-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（5-23）（5-22）5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 ： 。 （5-24） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓

6、器。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(5-25)電源電流的平均值Io為：REIEUI2oo11b(5-26)5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路2) 升壓斬波電路典型應(yīng)用一是用于直流電動機傳動二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路三是用于其他交直流電源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時 c） 電流斷續(xù)時v用于直流電動機傳動 再生制動時把電能回饋給直流電源。 電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工

7、作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。 動畫演示。5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系v當(dāng)V處于通態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL(5-27)v當(dāng)V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i2，得下式：EERitiLM22dd（5-29）v當(dāng)電流連續(xù)時，考慮到初始條件，近似L無窮大時電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM（5-36）v該式表明，以電動機一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了 。Eb5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路v如圖5-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時：當(dāng)t=0時刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20

8、，進而可寫出 i2的表達式。另外，當(dāng)t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形mmett11lnonxbeem11-電流斷續(xù)的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI205.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)5.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖5-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形vV通時，

9、電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。vV斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。v動態(tài)演示。5.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d（5-39）所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）V處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE（5-40）5.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路v圖5-4b中給出了

10、電源電流i1和負載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：offon21ttII（5-42）由上式得：11onoff21IIttI（5-43） 結(jié)論v當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。v其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。2o1IUEI （5-44）otb)oti1i2tontoffILIL5.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路2) Cuk斬波電路斬波電路V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流。V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。輸出電壓

11、的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路5.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路v同理：數(shù)量關(guān)系Tti0C0d（5-45）vV處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI（5-46）1onononoff12ttTttII（5-46）EEtTtEttU1ononoffono（5-48） 優(yōu)點優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）：v輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很 小

12、，有利于對輸入、輸出進行濾波。b) Zeta斬波電路5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路a) Sepic斬波電路圖5-6 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電路結(jié)構(gòu)Speic電路原理vV通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。vV斷態(tài)，EL1C1VD負載負載回路及L2VD負載負載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。v輸入輸出關(guān)系：EEtTtEttU1ononoffono（5-49）5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路原理vV處于通態(tài)

13、期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。vV關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負載供電。v輸入輸出關(guān)系：圖5-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路EU1o（5-50）相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負載電流均連續(xù)，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。兩種電路輸出電壓為正極性的。 b) Zeta斬波電路5.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

14、v斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。v降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。v升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。v電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路ttb)uoioiV1iD1iV2iD25.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路電路結(jié)構(gòu)a) 電路圖vV1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。vV2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。v必須防止V1和V2同

15、時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過程（三種工作方式)v第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。v當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。v電路響應(yīng)很快。圖5-7 電流可逆斬波電路及波形5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。圖5-8 橋式可逆斬波電路 使V4保持通時，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。 使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆

16、斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路基本概念多相多重斬波電路在電源和負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重數(shù)負載電流脈波數(shù)5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路v電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。v總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。v總的輸出電流脈動幅值變得很小 。v所需平波電抗器總重量大為減輕。v總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。圖5-9 3相3重斬波電路及其波形5.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路當(dāng)上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相相