电力电子技术第5章 直流-直流变流电路

5-1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本章小结5-2第5章直流-直流变流电路·引言直流斩波电路（DCChopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器（DC/DCConverter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。5-35.1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5-45.1.1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)5-55.1.1降压斩波电路工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图5-1降压斩波电路得原理图及波形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。5-65.1.1降压斩波电路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：5-75.1.1降压斩波电路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2章2.1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5-85.1.1降压斩波电路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，可将降压斩波器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5-95.1.1降压斩波电路RL/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1/102/11()11tmTEeEeEIiTmeRReR1/2011/11()11tmTEeEeEIitmeRReR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/(5-9)(5-10)11mdiLRiEEdt通态220mdiLRiEdt断态通态电流初值断态电流初值5-105.1.1降压斩波电路负载电流断续的情况：I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）memt)1(1lnx（5-16）txtoff电流断续的条件：11eem（5-17）REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1（5-19）负载电流平均值为：EmTttTEttTEtUxonMxonono1)(输出电压平均值为：（5-18）5-11■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)(805020020onVETtUo)(5103080-moAREUIo5.1.1降压斩波电路5-12■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5-13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5-145.1.2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5-155.1.2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。动态演示。0iGE0ioI1图5-2升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形5-165.1.2升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为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b，即。b和的关系：因此，式（3-21）可表示为off/tT1bEEUb111oTtoffb（5-23）（5-22）5-175.1.2升压斩波电路电压升高得原因：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。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo(5-25)电源电流的平均值Io为：REIEUI2oo11b(5-26)5-18■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：)(3.13350254040offVEtTUo输出电流平均值为：)(667.6203.133oARUIo5.1.2升压斩波电路5-195.1.2升压斩波电路2)升压斩波电路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（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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）电流断续时用于直流电动机传动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。动画演示。5-205.1.2升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL(5-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd（5-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIobbM（5-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。Eb5-215.1.2升压斩波电路如图5-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即图5-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett11lnonxbeem11--------电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI205-225.1.3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5-235.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理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。动态演示。5-245.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，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（3-40）5-255.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图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（5-42）由上式得：11onoff21IIttI（5-43）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（5-44）otb)oti1i2tontoffILIL5-265.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路5-275.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系Tti0C0d（5-45）V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：off1on2tItI（5-46）1onononoff12ttTttII（5-46）EEtTtEttU1ononoffono（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、