第3章 直流-直流变换电路

1、第第3章章 直流直流-直流变流电路直流变流电路引言引言直流直流-直流变流电路直流变流电路 将直流电变为另一固定或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定或可调电压的直流电。 可以可以直接直接将直流电变为另一直流电（将直流电变为另一直流电（DC Chopper），也可以是直流），也可以是直流交流交流直流（变直流（变压器耦合式）。压器耦合式）。应用：应用：直流电动机调速直流电动机调速 、开关电源、功率因数校正、开关电源、功率因数校正优势优势（相对于可控整流）：（相对于可控整流）： 谐波含量减小，功率因数大幅提高谐波含量减小，功率因数大幅提高; 高频，可减小滤波装置的体积。高频，可减小滤波装置的体积。

2、斩波电路的基本原理和控制方式斩波电路的基本原理和控制方式 斩波电路的电路图和输出电压波形DEETtEtttUonoffonono斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）。）。ton不变，变不变，变T 频率调制。频率调制。ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。此种方式应用最多3.1 基本斩波电路基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 全控型器件全控型器件 若为晶闸管，须若为晶闸管，须有辅助关断电路有辅助关断电路。续流二极管续流二极管 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)在分析

3、在分析DC/DC电路和推导中常用到两个重要的概念：电路和推导中常用到两个重要的概念：在稳态条件下在稳态条件下电感两端电压电感两端电压在一个开关周期内的在一个开关周期内的平均值为零平均值为零，同时同时电容电流电容电流在一个开关周期内的在一个开关周期内的平均值为零平均值为零。3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理当当t=0时时S导通，电源导通，电源Ud向电容充向电容充电，并给负载电，并给负载R供电，产生负载供电，产生负载电流电流io。同时，。同时，L储能，储能，iL上升，上升，uL极性为左正右负，极性为左正右负，VD处于断态。处于断态。t=t1时，时，S关断，关断，L通过通过VD续流

4、释续流释放能量，并给负载放能量，并给负载R供电，供电，iL不断不断减小。减小。uL极性为左负右正，极性为左负右正，VD导导通。通。 通常串接较大电感通常串接较大电感L， iL减小缓减小缓慢，直到慢，直到t2时刻时刻S再次开通时，再次开通时，iL仍未减小到零。随着仍未减小到零。随着S的再次开通，的再次开通， iL转而上升。转而上升。iL连续连续。3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系数量关系( )()LLsi ti tTuL在一个开关周期内的平均值在一个开关周期内的平均值UL为为0 000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtT

5、TdtLLdi ti TiTT000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtTTdtLLdi ti TiTT000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtTTdtLLdi ti TiTT0()10STdoono offLLSSUUtU tUu dtTT0()10STdoono offLLSSUUtU tUu dtTTTS =ton+toffoondSUtDUTddsonoDUUTtU0D1，输出电压高于电源电压，故为，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路升压斩波电路。0)(

6、0TtEuEtUoffonLoffontEuEt)(0电压升高得原因电压升高得原因：电感：电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用 电容电容C可将输出电压可将输出电压保持保持住住3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器直流变压器。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载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，即消耗，即 ： 。ooIUEI 1输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：REDRUI11oo电源电流的平均值电源电流的平均值I1为：为：REDIEUI21)1 (1ooED

7、EtTEtttU11offoffoffono3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路升压斩波电路典型应用升压斩波电路典型应用图5-5 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和功用于直流电动机和功率因数校正中。率因数校正中。直流电源的电压基直流电源的电压基本是恒定的，不必本是恒定的，不必并联电容器。并联电容器。再生制动时把电能再生制动时把电能回馈给直流电源。回馈给直流电源。电动机电枢电流连电动机电枢电流连续和断续两种工作续和断续两种工作状态。状态。ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoi

8、oi1i2t1t2txtontoffI20uo升压斩波电路升压斩波电路3.1.23.1.2 升压斩波电路升压斩波电路该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看该式表明，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作是被降低到了 。ED)1 ( 1MREI RED升压斩波电路典型应用升压斩波电路典型应用EDEM)1 ( MEDEtTE11off3.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构3.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路基本工作原理a)图5-5 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电

9、源通时，电源E经经V向向L供电使其供电使其贮能，此时电流为贮能，此时电流为iL增加。增加。 UL上上正下负，大小为正下负，大小为E。 同时，同时，C维持输出电压恒定并向维持输出电压恒定并向负载负载R供电。供电。V断时，断时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流电流iL减小。减小。UL上负下正，大小上负下正，大小为为Uo。负载电压极性为上负下正，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。与电源电压极性相反。该电路也称作该电路也称作反极性斩波电路反极性斩波电路。Sg000iLULEtttoUontofft3.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路数量关系稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感

10、内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即Ttu0L0d（5-59）所以输出电压为：所以输出电压为：EDDEtTtEttU1ononoffonoV处于通态处于通态uL = EV处于断态处于断态uL = - uooffoontUtE3.1.3 升降压斩波电路升降压斩波电路图图5-5b中给出了电流脉动足够小时，电源电流中给出了电流脉动足够小时，电源电流i1和负载电和负载电流流i2的波形，设两者的平均值分别为的波形，设两者的平均值分别为I1和和I2，有：，有：offon21ttII由上式得：由上式得：1121IDDIttIonoff 结论结论当当0D 1/2时为降压，当时为

11、降压，当1/2D 1时为升压，故称作时为升压，故称作升升降压斩波电路降压斩波电路。也有称之为。也有称之为buck-boost 变换器变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器直流变压器。2o1IUEI otb)oti1i2tontoffILILEDDU1o常用于电池供电设备产生负电源的电路，还用于各种直常用于电池供电设备产生负电源的电路，还用于各种直流开关稳压器中流开关稳压器中 升降压斩波电路升降压斩波电路3.1.33.1.4 Cuk斩波电路斩波电路Cuk斩波电路斩波电路V断时，断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有电流。回路有电流。 V通时，通

12、时，EL1V回路和回路和RL2CV回路有电流。回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换。两点之间交替切换。Cuk斩波电路及其等效电路a） 电路图 b） 等效电路3.1.4 Cuk斩波电路斩波电路同理：同理：数量关系数量关系Tti0C0d（5-55）V处于通态的时间处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：由此可得：off1on2tItIDDtt

13、TttII112onononoffEDDEtTtEttU1ononoffono 优点优点（与升降压斩波电路相比）：（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、输出进行电流滤波。小，有利于对输入、输出进行电流滤波。3.1.5 Sepic斩波电路斩波电路Speic电路原理电路原理V通态，通态，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V断态，断态，EL1C1VD负载负载回路回路及及L2VD负载负载回路同时导电，此回路同时导电，此阶段阶段E和和L1既向负载供电，同时也

14、向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移转移）。输入输出关系：输入输出关系：EDDEtTtEttU1ononoffono3.1.6 Zeta斩波电路斩波电路V处于通态期间，电源处于通态期间，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。V关断后，关断后，L1VDC1构成振构成振荡回路，荡回路， L1的能量转移至的能量转移至C1，能量全部转移至能量全部转移至C1上之后，上之后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。输入输出关系：输入输出关系：EDDU1o相同的输入输出关系。相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和

15、负载电流均电路的电源电流和负载电流均连续，连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。两种电路输出电压为正极性的。 3.1.7 复合斩波电路和复合斩波电路和多相多重斩波电路多相多重斩波电路复合斩波电路复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机

16、工作于第降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。象限。升压斩波电路能使电动机工作于第升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路与与升压斩波电路组升压斩波电路组合合。此电路电动机的电枢电流可。此电路电动机的电枢电流可正正可可负负，但电压只能，但电压只能是一种极性，故其可工作于第是一种极性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2电流可逆斩波电路结构电流可逆斩波电路结构a) 电路图V1和和VD1构成降压斩波电路，电动机构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第为

17、电动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成升压斩波电路，电动机构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第作再生制动运行，工作于第2象限。象限。必须必须防止防止V1和和V2同时导通同时导通而导致的电而导致的电源短路。源短路。工作过程（工作过程（三种工作方式三种工作方式)第第5种工作方式：一个周期内种工作方式：一个周期内交替交替地作为降压斩波电路和升压地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。斩波电路工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。让电流反方向流过，这样电动

18、机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。电路响应很快。3.1.7 复合斩波电路和复合斩波电路和多相多重斩波电路多相多重斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路两个电流可逆斩波电路组合两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。起来，分别向电动机提供正向和反向电压。图5-8 桥式可逆斩波电路 使使V4保持通时，等效为图保持通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电所示的电流可逆斩波电路，提供路，提供正电压正电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第1、2象限象限。使使V3保持通时，保持通时，V1、VD1和和V2、VD2等效为又一组电流等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供可逆斩波电路，向电动机提供负电压负电压，可使电动机工，可使电动机工作于作于第第3、4象限象限 。3.1