DC-DC变流电路

直流直流变流电路一、基本斩波电路二、复合斩波电路和多相多重斩波电路三、带隔离的直流直流变流电路2/44引言直流-直流变流电路（DC/DCConverter）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（DCChopper）。◆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。3/44一、基本斩波电路1（Buck）降压斩波电路2升压斩波电路3升降压斩波电路和Cuk斩波电路4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路4/441降压斩波电路■降压斩波电路（BuckChopper）◆电路分析☞使用一个全控型器件V，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。◆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。5/441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EETtEtttUonoffonono√负载电流平均值为REUImoo☞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6/441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。◆电流连续时得出REmeeREREeeImTt1111//101REmeeREREeeImTt1111//201式中，，，，，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。/TEEmm/TTtt11/把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得oIREmII2010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)RL/7/441降压斩波电路◆(5-11)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TIETRItEIomoono2则REEImo假设电源电流平均值为I1，则有ooonIITtI1其值小于等于负载电流Io，由上式得oooIUEIEI1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)8/441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memtx)1(1ln电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为11eem输出电压平均值为EmTttTEttTEtUxonmxonono1)(负载电流平均值为REUREmTtttitiTImoxonttttoonxonon021dd1(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)9/442升压斩波电路0iGE0ioI1b)■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offoontIEUtEI11化简得EtTEtttUoffoffoffono上式中的1/offtT(5-20)(5-21)10/442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Ttoff1式（5-21）可表示为EEUo111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ooIUEI1☞输出电流的平均值Io为RERUIoo1☞电源电流I1为REIEUIoo211(5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)11/442升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtuoioi1i2t1t2txtontoffI20■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（PowerFactorCorrection—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REEREmImo12/442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mmetontx11ln当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即eem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20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)13/443升降压斩波电路和Cuk斩波电路otb)oti1i2tontoffILILa)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TLtu00d当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：offoontUtE(5-39)(5-40)14/443升降压斩波电路和Cuk斩波电路所以输出电压为：EEtTtEttUononoffono1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offonttII21由上式可得1121IIttIonoff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21IUEIo(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)15/443升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-5Cuk斩波电路及其等效电路■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TCti00d(5-45)16/443升降压斩波电路和Cuk斩波电路☞由(5-45)得offontItI12从而可得112onononoffttTttII☞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EEtTtEttUononoffono1◆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)17/444Sepic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EEtTtEttUononoffono1图5-6a)Sepic斩波电路(5-49)18/444Sepic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EUo1■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5-6bZeta斩波电路(5-50)19/44二、复合斩波电路和多相多重斩波电路1电流可逆斩波电路2桥式可逆斩波电路3多相多重斩波电路20/441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。21/441电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)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。22/442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。23/443多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图5-9多相多重斩波电路及其波形a）电路图b）波形■多相多重斩波电路◆是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。◆相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。◆重数：负载电流脉波数。■3相3重降压斩波电路◆电路及波形分析☞相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。☞总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。24/443多相多重斩波电路☞当上述电路电源公用而负载