青岛理工大学电力电子第5章 直流直流变流电路
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1、第第5 5章章 直流直流变流电路直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路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带隔离的直流直流变流电路 本章小结本章小结2/44引言引言直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流直接直流变流电路变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（斩波电路（DC Chopper）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。电。 一般是指直接将
2、直流电变为另一直流电，这种情况下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。输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了在直流变流电路中增加了交流环节交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直因此也称为直交交直电路。直电路。 3/445.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta
3、斩波电路斩波电路4/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 电路分析电路分析 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V，图中为，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。路。 设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在，在V关断时给负关断时给负载中电感电流提供通道。载中电感电流提供通道。 主要用于电子电路的供电电源，也可拖主
4、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下负载中均会出现反电动势反电动势，如图中，如图中Em所示。所示。 工作原理工作原理 t=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电源，电源E向负载供电，向负载供电，负载电压负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数曲线上升。按指数曲线上升。 t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续流，负续流，负载电压载电压uo近似为零近似为零，负载电流呈指数曲线下降，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。使负载电流连续且脉动小。 5/
5、445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 EETtEtttUonoffonono负载电流平均值为负载电流平均值为 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开关周期，为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。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平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。情况。 斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式
6、脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton。 频率调制频率调制：ton不变，改变不变，改变T。 混合型混合型：ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比(5-1)(5-2)6/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路对降压斩波电路进行解析对降压斩波电路进行解析 基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过程来分析，两个过程来分析，初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续。 电流连续时得出电流连续时得出REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1111/201式中，
7、式中， ， ， ， ，I10和和I20分别是负分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。载电流瞬时值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（把式（5-9）和式（）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得）用泰勒级数近似，可得 oIREmII2010平波电抗器平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。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 降压斩波电路降压斩波电路(5-11)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
8、耗，则中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即，即 TIETRItEIomoono2则则REEImo假设电源电流平均值为假设电源电流平均值为I1，则有，则有 ooonIITtI1其值小于等于负载电流其值小于等于负载电流Io，由上式得，由上式得 oooIUEIEI1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。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 降压斩波电路降压斩波电路电流断续时有电流断续时有I10=0，且，且t=ton+tx时，时，i2=0，可以得出
9、，可以得出 memtx)1 (1ln电流断续时，电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为，由此得出电流断续的条件为 11eem输出电压平均值为输出电压平均值为 EmTttTEttTEtUxonmxonono1)(负载电流平均值为负载电流平均值为 REUREmTtttitiTImoxonttttoonxonon021dd1(5-16)(5-17)(5-18)(5-19)9/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值值极大，极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电
10、压平均值计算输出电压平均值Uo，输出电，输出电流平均值流平均值Io。 解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为输出电流平均值为 )(805020020onVETtUo)( 5103080-moAREUIo10/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-2 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，采用脉宽调制控制方式，T=20 s，当当ton=5 s时，计算输出电压平均时，计算输出电压平均值值Uo，输出电流平均值
11、，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，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。流是否连续。 解：由题目已知条件可得：解：由题目已知条件可得：1 . 010010MEEm002. 05 . 0001. 0RL当当ton=5 s时，有时，有 01. 0T0025. 0由于由于 meeee249. 0111101. 00025. 0所以输出电流连续。所以输出电流连续。11/445.1.1 降压斩波电路降压斩波电路此时输出平均电压为此时输出平均电压为 )(25205100onVETtUo输出平均电流为输出平均电流为 )(305 . 01025-MoAREU
