DCDC電路轉(zhuǎn)換原理含計(jì)算方式

會(huì)計(jì)學(xué)1DCDC電路轉(zhuǎn)換原理含計(jì)算方式CLASSIFYCOMPARE第1頁/共53頁COMPARE第2頁/共53頁BUCK第3頁/共53頁BOOST第4頁/共53頁BUCK/BOOST第5頁/共53頁HALF-FORWARD第6頁/共53頁FLYBACK第7頁/共53頁P(yáng)USH-PULL第8頁/共53頁HALF-BRIDGE第9頁/共53頁FULL-BRIDGE第10頁/共53頁METHODSOFCONTROL第11頁/共53頁直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電；也稱為直接直流--直流變換器（DC/DCConverter）；一般直流斬波是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流。廣泛應(yīng)用于直流牽引的變速拖動(dòng)（使用直流電源時(shí)）。直流斬波電路的種類：三種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路；復(fù)合斬波電路——不同基本斬波電路組合；多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路的組合，可以工作在兩個(gè)或四個(gè)象限。第12頁/共53頁3.1.1降壓斬波電路斬波電路的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，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢，如圖中EM所示。圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形降壓斬波電路工作原理

t=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；t=t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)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。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L值較大。也稱為Buck變換器第13頁/共53頁圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）輸出電流連續(xù)時(shí)的波形c）輸出電流斷續(xù)時(shí)的波形工作原理

t=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；t=t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)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。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L值較大。注意：直流電源側(cè)電流不連續(xù)。第14頁/共53頁基本數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值（3-1）ton——V通的時(shí)間toff——V斷的時(shí)間α--導(dǎo)通占空比

Uo最大為E，減小占空比α，Uo隨之減小。因此稱為降壓斬波電路。負(fù)載電流平均值：（3-2）電流斷續(xù)時(shí)，Uo被抬高，電機(jī)機(jī)械特性變軟，一般不希望出現(xiàn)。圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形3.1.1降壓斬波電路第15頁/共53頁斬波電路三種控制方式（根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分）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—混合型圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析：

V通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1，可列出如下方程： （3-3）3.1.1降壓斬波電路第16頁/共53頁設(shè)此階段電流初值為I10，=L/R，解上式得：

V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程：（3-5）設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得：

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，有：圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形3.1.1降壓斬波電路第17頁/共53頁即V進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流初值就是V在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值，反過來，V進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是V在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值。

由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出(主要是根據(jù)充放電曲線）： （3-9）

（3-10）式中: ；； 。由圖3-1b可知，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。把式（3-9）和式（3-10）用泰勒級數(shù)近似（即ρ趨于零，即L趨于無窮大，e－ρ用等價(jià)無窮小代替），可得 （3-11）上式表示了平波電抗器L為無窮大，負(fù)載電流完全平直時(shí)的負(fù)載電流平均值Io，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。3.1.1降壓斬波電路第18頁/共53頁從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)（可以得到和前面一樣的結(jié)果）：由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變；電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為；在整個(gè)周期T中，負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為；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，即（3-12）則（3-13）

在上述情況中，均假設(shè)L值為無窮大，負(fù)載電流平直的情況。這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為I1，則有（3-14）其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得:EI1=U0I0（3-15）即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。3.1.1降壓斬波電路第19頁/共53頁負(fù)載電流斷續(xù)的情況：I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx為：（3-16）電流斷續(xù)時(shí)，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為：（3-17）（；=L/R）對于電路的具體工況，可據(jù)此式判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。在負(fù)載電流斷續(xù)工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管VD即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓等于EM。輸出電壓平均值為：（3-18）此時(shí)Uo不僅和占空比α

有關(guān)，也和反電動(dòng)勢EM有關(guān)。此時(shí)負(fù)載電流平均值為： （3-19）3.1.1降壓斬波電路第20頁/共53頁

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（3-20）化簡得：（3-21）

T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路

升壓斬波電路工作原理（boost變換器）假設(shè)L值很大，C值也很大；

V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為圖3-2升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形第21頁/共53頁3.1.2升壓斬波電路

工作原理假設(shè)L值很大，C值也很大；

V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等。圖3-2升壓斬波電路及其工作波形第22頁/共53頁（3-21）

T/toff

≥1

輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。也稱之為boost變換器

T/toff——升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo大小，調(diào)節(jié)方法與3.1.1節(jié)中介紹的改變導(dǎo)通比α的方法類似。將升壓比的倒數(shù)記作β，即 。β和導(dǎo)通占空比α有如下關(guān)系：（3-22）因此，式（3-21）可表示為（3-23）（實(shí)際上，同學(xué)們只需記憶α即可）升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用；二是電容C可將輸出電壓保持。3.1.2升壓斬波電路

第23頁/共53頁以上分析中，認(rèn)為V通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際C值不可能無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低；如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即 （3-24）該式表明，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。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（3-23）得出輸出電流的平均值Io為 （3-25)由式（3-24）即可得出電源電流I1為：

（3-26）3.1.2升壓斬波電路

第24頁/共53頁2.升壓斬波電路的典型應(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。圖3-3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)3.1.2升壓斬波電路

第25頁/共53頁

用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)時(shí)通常是用于直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源；實(shí)際電路中電感L值不可能為無窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)；此時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢相當(dāng)于圖3-2電路中的電源，而此時(shí)的直流電源相當(dāng)于圖3-2中電路中的負(fù)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。3.1.2升壓斬波電路

第26頁/共53頁

電路分析V處于通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式 （3-27）式中R為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得 (3-28)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：（3-29）設(shè)i2的初值為I20，解上式得： （3-30）3.1.2升壓斬波電路

第27頁/共53頁當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，從圖3-3b的電流波形可看出，t=ton時(shí)刻i1=I20，t=toff時(shí)刻i2=I10，由此可得：（3-31）（3-32）由以上兩式求得：（3-33） （3-34）3.1.2升壓斬波電路

第28頁/共53頁與降壓斬波電路一樣，把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得（3-35）該式表示了L為無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即（3-36）該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源被降低到了βE。3.1.2升壓斬波電路

第29頁/共53頁當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)的波形如圖3-3c所示。當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進(jìn)而可寫出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（3-37）當(dāng)tx<t0ff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx<t0ff是電流斷續(xù)的條件，即（3-38）根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。3.1.2升壓斬波電路

第30頁/共53頁3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）1.升降壓斬波電路設(shè)L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uo基本為恒值?；竟ぷ髟鞻通時(shí)，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。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，同時(shí)向C充電，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。圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形第31頁/共53頁

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零，即：（3-39） 當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：（3-40） 所以輸出電壓為：（3-41）3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第32頁/共53頁改變導(dǎo)通比α

，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<α<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<α

<1時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。也有文獻(xiàn)直接按英文稱之為buck-boost變換器（Buck-BoostConverter）。圖3-4b中給出了電源電流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: （3-42） 圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第33頁/共53頁由上式可得：（3-43）如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時(shí)，則（3-44）其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第34頁/共53頁2.Cuk斬波電路 圖3-5所示為Cuk斬波電路的原理圖及其等效電路。V通時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流V斷時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流輸出電壓的極性與電源電壓極性相反等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第35頁/共53頁穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對時(shí)間的積分為零，即（3-45）在圖3-5b的等效電路中，開關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由此可得（3-46）從而可得 （3-47）3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第36頁/共53頁當(dāng)電容C很大使電容電壓uC的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出。當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓uB=0，A點(diǎn)電壓uA=-uC；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，uB=uC，uA=0。因此，B點(diǎn)電壓uB的平均值為 （UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以 。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為 ，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有 。

3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第37頁/共53頁于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：（3-48）這一輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時(shí)的情況相同。優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：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，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）第38頁/共53頁3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

（了解）圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路第39頁/共53頁3.2.2橋式可逆斬波電路當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場合，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路：使V4保持通時(shí)，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限