第5章直流直流變流電路2ppt課件

1、第第5 5章章 直流直流變流電路直流直流變流電路 5.1 5.1 基本斬波電路基本斬波電路 5.2 5.2 復合斬波電路和多相多重斬復合斬波電路和多相多重斬波電路波電路 5.3 5.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路 本章小結本章小結2引言引言直流直流- -直流變流電路直流變流電路DC/DC ConverterDC/DC Converter包括直接直流變流電路和包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。間接直流變流電路。 直接直流變流電路直接直流變流電路 也稱斬波電路也稱斬波電路DC ChopperDC Chopper）。）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。

2、功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。出之間不隔離。 間接直流變流電路間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直稱為直交交直電路。直電路。 35.1 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電路 5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 5.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電

3、路斬波電路 5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路T=Ton+ToffontddonkUUTtdtuTU00015.1 5.1 基本斬波電路基本斬波電路 55.1.1 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路( (一一) ) 工作電路工作電路IGBT,若為晶閘管，須有關斷輔助電路若為晶閘管，須有關斷輔助電路續(xù)流二極管續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的負載出現(xiàn)的反電動勢反電動勢65.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路圖圖5-1 降壓斬波電路的原理圖及波形降壓斬波電路的原理圖及波形a電路圖電路圖 b電流連續(xù)時的波形電流連續(xù)時的波形 c電流斷續(xù)時的波形電流斷續(xù)時的波形 降壓斬波電路降壓斬波電

4、路Buck Chopper） 工作原理工作原理 t=0時刻驅動時刻驅動V導通，電源導通，電源E向負載向負載供電，負載電壓供電，負載電壓uo=E，負載電流，負載電流io按指數(shù)按指數(shù)曲線上升。曲線上升。 t=t1時控制時控制V關斷，二極管關斷，二極管VD續(xù)流，續(xù)流，負載電壓負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感線下降，通常串接較大電感L使負載電流使負載電流連續(xù)且脈動小。連續(xù)且脈動小。 785.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路基本的數(shù)量關系基本的數(shù)量關系 電流連續(xù)時電流連續(xù)時 負載電壓的平均值為負載電壓的平均值為 EETtEtttUonoffonon

5、o負載電流平均值為負載電流平均值為 式中，式中，ton為為V處于通態(tài)的時間，處于通態(tài)的時間，toff為為V處于斷態(tài)的時間，處于斷態(tài)的時間，T為開為開關周期，關周期，為導通占空比，簡稱為導通占空比，簡稱占空比或導通比。占空比或導通比。 REUImoo95.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路電流斷續(xù)時，負載電壓電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。續(xù)的情況。 斬波電路有三種控制方式斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制PWM）：）：T不變，不變，改變改變ton。 頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：ton不變，改變不變，改變T。 混合型：

6、混合型：ton和和T都可調(diào)，改變占都可調(diào)，改變占空比空比10負載電流維持為負載電流維持為IoIo不變不變電源只在電源只在V V處于通態(tài)時提供能量為處于通態(tài)時提供能量為:EI0ton:EI0ton在整個周期在整個周期T T中，負載消耗的能量為中，負載消耗的能量為:RI02T+EMI0T:RI02T+EMI0T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器一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等的能量相等數(shù)量關系分析從能量傳遞角度推導數(shù)量關系分析從能量傳遞角度推導設設I1I1

7、為電源電流平均值為電源電流平均值U0電源側負載側115.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路例例5-1 在圖在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值極大，值極大，Em=30V，T=50s，ton=20s,計算輸出電壓平均值計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值，輸出電流平均值Io。 解：由于解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為輸出電流平均值為 )(805020020onVETtUo)(5103080-moAREUIo125.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路0iGE0i

8、oI1a)b)圖圖5-2 升壓斬波電路及其工作波形升壓斬波電路及其工作波形a電路圖電路圖 b波形波形 升壓斬波電路升壓斬波電路 工作原理工作原理 假設假設L和和C值很大。值很大。 V處于通態(tài)時，電源處于通態(tài)時，電源E向電感向電感L充電，充電，電流恒定電流恒定I1，電容，電容C向負載向負載R供電，輸出電供電，輸出電壓壓Uo恒定。恒定。 V處于斷態(tài)時，電源處于斷態(tài)時，電源E和電感和電感L同時向同時向電容電容C充電，并向負載提供能量。充電，并向負載提供能量。儲存電能儲存電能保持輸出電保持輸出電壓壓toff: V處于斷態(tài)，L上釋放的能量為：(U0-E)I1toff0iGE0ioI1tofftonton

9、: V處于通態(tài)，L上積蓄的能量為：EI1tonV V通時，通時，E E向向L L充電，充電電流恒為充電，充電電流恒為I1I1，同時，同時C C的電壓向負載供的電壓向負載供電，因電，因C C值很大，輸出電壓值很大，輸出電壓uouo為恒值，記為為恒值，記為UoUo。設。設V V通的時間為通的時間為tonton，此階段，此階段L L上積蓄的能量為：上積蓄的能量為：EI1tonEI1ton數(shù)量關系數(shù)量關系(直接從能量角度分析）直接從能量角度分析） 穩(wěn)態(tài)時，一個周期穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中中L積蓄能量與釋放能量相等：積蓄能量與釋放能量相等： EI1ton=(U0-E)I1toff EtTEtttUoffof

10、foffonoV V斷時，斷時，E E和和L L共同向共同向C C充電并向負載充電并向負載R R供電。設供電。設V V斷開的時間斷開的時間為為tofftoff，則此期間電感，則此期間電感L L釋放能量為：釋放能量為：(U0-E)I1toff(U0-E)I1toffT/toff1T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路電路Ttoff1EEU111oEtTEtttUoffoffoffonoT/toffT/toff升壓比；升壓比；升壓比的倒數(shù)記作升壓比的倒數(shù)記作 ，即，即 和和 的關系：的關系：因而，因而，U0U0可表示為可表示為v以

11、上分析中，認為以上分析中，認為V V通態(tài)期間因電容通態(tài)期間因電容C C的作用使得輸出電壓的作用使得輸出電壓UoUo不變，但實際不變，但實際C C值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，UoUo必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低。輸出電壓高于電源電壓，輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：關鍵有兩個原因：一是一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容二是電容C可將輸出電壓保持住?？蓪⑤敵鲭妷罕３肿　?16根據(jù)電路結構分析輸出電流的平均值根據(jù)電路結構分析輸出電流的平均值IoIo為：為： oo

12、1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11v如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R R消消耗，即耗，即與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。器。則電源電流的平均值則電源電流的平均值I1I1為：為： 175.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路例例5-3 在圖在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和值和C值極值極大，大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當，采用脈寬調(diào)制控制方式，當T=40s，ton=25s時，時，計算輸出電壓平均

13、值計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值，輸出電流平均值Io。 解：輸出電壓平均值為：解：輸出電壓平均值為： )(3ffVEtTUo輸出電流平均值為：輸出電流平均值為：)(667.6203.133oARUIo185.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖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電路圖電路圖 b電流連續(xù)時電流連續(xù)時 c電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時 典型應用典型應用 一是用于直流電

14、動機傳動，二一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正是用作單相功率因數(shù)校正Power Factor CorrectionPFC電路，電路，三是用于其他交直流電源中。三是用于其他交直流電源中。 以用于直流電動機傳動為例以用于直流電動機傳動為例 在直流電動機再生制動時把在直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源。電能回饋給直流電源。 電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。的，不必并聯(lián)電容器。 19升壓斬波電路典型應用直流電機傳動）升壓斬波電路典型應用直流電機傳動）通常是用于直流電動機

15、再生制動時把電能回饋給通常是用于直流電動機再生制動時把電能回饋給 直流電源直流電源實際電路中電感實際電路中電感L L值不可能為無窮大，因此也有電流連續(xù)和值不可能為無窮大，因此也有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)斷續(xù)兩種工作狀態(tài)此時電機的反電動勢相當于右圖中的電源，而此時的直流此時電機的反電動勢相當于右圖中的電源，而此時的直流電源相當于右圖中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定電源相當于右圖中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器。的，因此不必并聯(lián)電容器。205.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i

16、2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖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電路圖電路圖 b電流連續(xù)時電流連續(xù)時 c電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時 V開通開通mERidtdiL11tmteREeIti1)(101 V斷開斷開EERidtdiLm22111)(202ttmtteREEeIti215.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuoa)b)圖圖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電路圖電路圖 b電流連續(xù)時電流連續(xù)時 c電流

17、斷續(xù)時電流斷續(xù)時 電流連續(xù)時得電流連續(xù)時得L為無窮大時電樞電流的平均值為無窮大時電樞電流的平均值Io為為 REEREmImo(5-36)225.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路當電樞電流斷續(xù)時，可求得當電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間持續(xù)的時間tx，即，即 mmetontx11ln當當txt0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，txt0ff是電流斷續(xù)的條是電流斷續(xù)的條件，即件，即 eem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20圖圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形壓斬波電路及其波形c電流斷續(xù)時電

18、流斷續(xù)時(5-37)(5-38)23課程回顧課程回顧245.1.1 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路( (一一) ) 工作電路工作電路續(xù)流二極管續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的負載出現(xiàn)的反電動勢反電動勢課程回顧課程回顧IGBT25斬波電路有三種控制方式斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制PWM）：）：T不變，不變，改變改變ton。 頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：ton不變，改變不變，改變T。 混合型：混合型：ton和和T都可調(diào)，改變占都可調(diào)，改變占空比空比課程回顧課程回顧( (二二) ) 數(shù)量關系數(shù)量關系EETtEtttUonoffononoREUImoo265.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路課程

19、回顧課程回顧保持輸出電保持輸出電壓壓儲存電能儲存電能( (一一) ) 工作電路工作電路27課程回顧課程回顧0iGE0ioI1tofftonEtTEtttUoffoffoffono( (二二) ) 數(shù)量關系數(shù)量關系285.1.3 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a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a電路圖電路圖 b波形波形 一、工作原理一、工作原理 V導通時，電源導通時，電源E經(jīng)經(jīng)V向向L供供電使其貯能，此時電流為電使其貯能，此時電流為i1，同時同時C維持輸出電壓恒定并向負維持輸出電壓恒定并向負載載R供電。供電。 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 V關斷

20、時，關斷時，L的能量向負載釋放，的能量向負載釋放，電流為電流為i2，電壓極性上負下正，與電，電壓極性上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。性斬波電路。295.1.3 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a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a電路圖電路圖 b波形波形 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 二、基本的數(shù)量關系二、基本的數(shù)量關系 穩(wěn)態(tài)時，一個周期穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)內(nèi)電感電感L兩端電壓兩端電壓uL對時間的對時間的積分為零，即積分為零，即 TLtu00d當當V處于通態(tài)期間，處于通態(tài)期間，uL=E；當；

21、當V處于處于斷態(tài)期間，斷態(tài)期間，uL=-uo。于是根據(jù)積分。于是根據(jù)積分得出：得出： (5-39)(5-40)offoontUtE305.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttUononoffono1改變導通比改變導通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當01/2時為降壓，當時為降壓，當1/21時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。 電源電流電源電流i1和負載電流和負載電流i2的平均值分別為的平均值分別為I1和

22、和I2，當電流脈動足夠小時，有，當電流脈動足夠小時，有 offonttII211121IIttIonoff如果如果V、VD為沒有損耗的理想開關時，則輸出功率和輸入功率相等，即為沒有損耗的理想開關時，則輸出功率和輸入功率相等，即 21IUEIo(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)315.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 Cuk斬波電路斬波電路一、工作原理一、工作原理325.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖圖5-5 Cuk斬波

23、電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 一、工作原理一、工作原理 V導通時，導通時，EL1V回路和回路和RL2CV回路分別流過電流?；芈贩謩e流過電流。 V關斷時，關斷時，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分別流過電流?；芈贩謩e流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 335.1.3 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 由由(5-45)得得 從而可得從而可得112onononoffttTttII 由由L1和和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓與電

24、源電壓E的關系的關系 EEtTtEttUononoffono1(5-46)(5-47)(5-48)ofont12ItITCti00d 二、基本的數(shù)量關系二、基本的數(shù)量關系 C 的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，即的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，即(5-45)345.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Sepic斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導通時，導通時，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時導電，回路同時導電，L1和和L2貯能。貯能。 V關斷時，關斷時，EL1C1VD負載回路及負載回路及L2VD負載回路同時導電，此階段負載回路同時導電，此階段E和和L1既向負載

25、既向負載供電，同時也向供電，同時也向C1充電充電C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態(tài)時向處于通態(tài)時向L2轉移）。轉移）。 輸入輸出關系輸入輸出關系 EEtTtEttUononoffono1圖圖5-6 a)Sepic斬波電路斬波電路 (5-49)355.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導通時，電源導通時，電源E經(jīng)開關經(jīng)開關V向電感向電感L1貯能。貯能。 V關斷時，關斷時，L1VDC1構成振蕩回路，構成振蕩回路， L1的能量轉移至的能量轉移至C1，能量全部轉移至，能量全部轉移至C1上之后，上之后，VD關關斷，斷，C1經(jīng)經(jīng)

26、L2向負載供電。向負載供電。 輸入輸出關系為輸入輸出關系為 EUo1兩種電路具有相同的輸入輸出關系，兩種電路具有相同的輸入輸出關系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，電路中，電源電流連續(xù)但負載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。電路的電源電流斷續(xù)而負載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。 圖圖5-6 b Zeta斬波電路斬波電路 (5-50)36課程回顧課程回顧a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a電路圖電路圖 b波形波形 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 37圖圖5-5

27、Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 Cuk斬波電路斬波電路課程回顧課程回顧385.2 復合斬波電路復合斬波電路 5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 395.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路概念概念 復合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成。復合斬波電路：降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成。 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 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，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，降壓斬波電路能使電動機

28、工作于第又可再生制動，降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限，升壓斬象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第波電路能使電動機工作于第2象限。象限。 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，故其可工作于第于第1象限和第象限和第2象限。象限。40電路結構電路結構V1V1和和VD1VD1構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第電動機為電動運行，工作于第1 1象限象限分析：V2V2和和VD2VD2構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變?yōu)闃嫵缮龎簲夭娐?，把直流電動機的動能轉變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗闺妱訖C作再生制動運行，工作于第電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第2 2象象限限必須防止必須防止V1和和V2同時導通而導致的電源短路同時導通而導致的電源短路5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路415.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路ttb)uoioiV 1iD 1iV 2iD 2a)圖圖5-7 電流可逆斬波