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(lèi)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?cái)夭娐废嗤Y(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(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)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(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)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(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。vt

3、=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。v通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。v動(dòng)畫(huà)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(fù)載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）tonV通的時(shí)間通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間斷的時(shí)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(fù)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(guò)：電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)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(jìn)行的推導(dǎo)v 由于L為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變v 電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為v 在整個(gè)周期T中，負(fù)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(fù)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(fù)載電流斷續(xù)的情況：負(fù)載電流斷續(xù)的情況： I10=0，且t=tx時(shí)，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(chǔ)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?jī)H由負(fù)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí)v用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng) 再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。 電動(dòng)機(jī)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(dòng)畫(huà)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(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL(5-27)v當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式：EERitiLM22dd（5-29）v當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，考慮到初始條件，近似L無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM（5-36）v該式表明，以電動(dòng)機(jī)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(shí)：當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20

8、，進(jìn)而可寫(xiě)出 i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即圖5-3 用于直流電動(dòng)機(jī)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(shí)，

9、電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。vV斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)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(dòng)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(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)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(fù)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(dòng)足夠小時(shí)，有：offon21ttII（5-42）由上式得：11onoff21IIttI（5-43） 結(jié)論v當(dāng)0a 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2a 1時(shí)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(shí)，EL1V回路和RL2CV回路有電流。V斷時(shí)，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(kāi)關(guān)S在A、B兩點(diǎn)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(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI（5-46）1onononoff12ttTttII（5-46）EEtTtEttU1ononoffono（5-48） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：v輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很 小

12、，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)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(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。vV斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載負(fù)載回路及L2VD負(fù)載負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)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(kāi)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(fù)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(fù)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?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?.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?cái)夭娐废嗤Y(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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。v降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。v升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，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(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限。vV2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。v必須防止V1和V2同

15、時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過(guò)程（三種工作方式)v第3種工作方式：一個(gè)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(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。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(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)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(shí)，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(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。 使V2保持通時(shí)，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆

16、斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限 。5.2.3 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐坊靖拍疃嘞喽嘀財(cái)夭娐吩陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個(gè)控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重?cái)?shù)負(fù)載電流脈波數(shù)5.2.3 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐穞OtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路v電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。v總輸出電流為 3 個(gè)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(dòng)頻率也為3倍。v總的輸出電流脈動(dòng)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(dòng)率（電流脈動(dòng)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?cái)夭娐芳捌洳ㄐ?.2.3 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐樊?dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個(gè)獨(dú)立負(fù)載時(shí)，則為3相相