电力电子课件 - 西安交大 - 第5章 直流直流变流电路

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2/44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。3/445.1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4/445.1.1降压斩波电路图5-1降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形■降压斩波电路（BuckChopper）◆电路分析☞使用一个全控型器件V，图中为IGBT，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，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。◆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。5/445.1.1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√负载电流平均值为式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。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(5-1)(5-2)6/445.1.1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/7/445.1.1降压斩波电路◆(3-11)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)8/445.1.1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)9/445.1.1降压斩波电路■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)(805020020onVETtUo)(5103080-moAREUIo10/445.1.1降压斩波电路■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。11/445.1.1降压斩波电路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12/445.1.2升压斩波电路0iGE0ioI1a)b)图5-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形■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)13/445.1.2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)14/445.1.2升压斩波电路■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：)(3.13350254040offVEtTUo输出电流平均值为：)(667.6203.133oARUIo15/445.1.2升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)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)16/445.1.2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)17/445.1.3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)18/445.1.3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)19/445.1.3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)20/445.1.3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)21/445.1.4Sepic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)22/445.1.4Sepic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