第5章 直流直流变流电路 电力电子技术

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。35.1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5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路45.1.1降压斩波电路电路结构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。降压斩波电路（BuckChopper)5工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图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。5.1.1降压斩波电路6数量关系电流连续负载电压平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：5.1.1降压斩波电路7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8◆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/5.1.1降压斩波电路9TIETRIoM2o同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率，可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。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI5.1.1降压斩波电路10◆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)5.1.1降压斩波电路11■例5-1在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,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)V(805020020onETtUo)A(5103080moREUIo5.1.1降压斩波电路12■例5-2在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s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：1.010010MEEm002.05.0001.0RL当ton=5s时，有01.0T0025.0由于meeee249.0111101.00025.0所以输出电流连续。5.1.1降压斩波电路13此时输出平均电压为)(25205100onVETtUo输出平均电流为)(305.01025-MoAREUIo输出电流的最大和最小值瞬时值分别为)(19.305.01001.0111101.00025.0maxAeeREmeeI)(81.295.01001.0111101.00025.0minAeeREmeeI5.1.1降压斩波电路145.1.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理•此斩波电路亦称作并联开关型稳压电路。15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。注意：电路不能空载工作。动态演示。0iGE0ioI1图5-2升压斩波电路及工作波形a)电路图b)波形5.1.2升压斩波电路16数量关系设V通态时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffono（5-21）（5-20）offoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。——升压比；升压比的倒数记作β，即。β和α的关系：因此，式（3-21）可表示为off/tT1EEU111oTtoff（5-23）（5-22）5.1.2升压斩波电路17电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用电容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：（5-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。ooIUEI1输出电流的平均值Io为：RERUI1oo电源电流的平均值I1为：REIEUI2oo115.1.2升压斩波电路18■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：)V(3.13350254040offEtTUo输出电流平均值为：)A(667.6203.133oRUIo5.1.2升压斩波电路195.1.2升压斩波电路20ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)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（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(5-36)5.1.2升压斩波电路动画215.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构注意：电源和负载压降定义的方向（极性）不同。22基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图5-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形V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。注意：电路不能空载工作。动态演示。5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路23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Ttu0L0d（5-39）所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE（5-40）5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路24图5-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43）结论当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI（3-44）5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路otb)oti1i2tontoffILIL25图5-5Cuk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TCti00d(5-45)5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路26☞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(5-46)(5-47)(5-48)优点（与升降压斩波电路相比）：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。缺点：电容C的电流波动大，电流冲击较严重。5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路275.1.4Sepic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)28■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