ch5 直流-直流变流电路电力电子

1、第五章第五章 直流直流-直流变流电路直流变流电路12022-7-42022-7-42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（DC/DC Converter）包括）包括直接直流变流电路直接直流变流电路和和间接直流间接直流变流电路。变流电路。直接直流变流电路直接直流变流电路 也称斩波电路也称斩波电路（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电。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。

2、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，因此也称为在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直直交交直直电路。电路。2022-7-43直流直流-直流变流电路直流变流电路 内容内容n5.1 基本斩波电路基本斩波电路n5.2 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n5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路2022-7-445.1 基本斩波电路基本斩波电路n5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路n5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路n

3、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n5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路2022-7-455.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 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，需设置使晶闸管关若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电断的辅助电 路。路。设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在在V关断时给负载中电感电流提供通道。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，主要用于电子

4、电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况后两种情况 下负载中下负载中均会出现反电动势，均会出现反电动势，如图中如图中Em所示。所示。2022-7-465.1.1 降压斩波电路降压斩波电路c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEmuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图 电路分析电路分析 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按指数曲线按指数曲线上升

5、。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，负载电流呈指数曲负载电流呈指数曲线下降。线下降。 通常通常串接较大电感串接较大电感L使负载使负载电流连续且电流连续且脉动小。脉动小。2022-7-475.1.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的基本的数量关系数量关系 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：ttUEEEttTononoonoff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为开关为开关周期，周期，为导通为导通占空比，占空比，简称占空比或

6、导通比。简称占空比或导通比。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。负载电流平均值为负载电流平均值为:mUEIRoo2022-7-485.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式 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。应用最多应用最多2022-7-495.1.1 降压斩波电路降压斩波电路对降压斩波电路

7、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11/10/20/11111111tmTtmTEeEeEImeRReREeEeEImeRReR111020T/=T/TmtL RmEEtII，；和式中：式中：分别是负载电流瞬时值的分别是负载电流瞬时值的最小值最小值和和最大值。最大值。用泰勒级数近似，可得：用泰勒级数近似，可得：10200()m EIIIR平波电抗器平波电抗器L为无穷大，为无穷大，此时负载电

8、流此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。最大值、最小值均等于平均值。2022-7-4105.1.1 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 从从能量传递关系能量传递关系简单地推得，一个周期中，简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，忽略电路中的损耗，则则电源提供电源提供的能量的能量与与负载消耗的能量相等，负载消耗的能量相等，即：即：2mEI tRI TE I To onoo则：则：mEEIRo假设假设电源电流平均值为电源电流平均值为I1 ，则有：，则有：1tIIITonoo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：即即输出功率等于输

9、入功率，输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作可将降压斩波器看作直流降压变压器。直流降压变压器。1EIEIU Iooo2022-7-4115.1.1 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 电流断续时电流断续时I10=0，且且t=tx时，时，i2=0，可以得出：可以得出：1 (1)lnm etmx电流断续时：电流断续时：tx 1，输出电压高于电源电压，输出电压高于电源电压，故为故为升压斩波电路。升压斩波电路。 T/toff：升压比；升压比；升压比的倒数记作升压比的倒数记作b b ，即：即：offtTbb b 和和 的关系：的关系：1b2022-7-4145.1.

10、2 升压斩波电路升压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系11=1onoffooffoffttTUEEEEttb 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：输出电压高于电源电压，关键有两个原因： 一是一是L储能储能之后具有使之后具有使电压泵升电压泵升的作用，的作用， 二是二是电容电容C可将输出电压可将输出电压保持稳定保持稳定。如果如果忽略电路中的损耗忽略电路中的损耗，则由，则由电源提供的能量仅由负载电源提供的能量仅由负载R消耗消耗，即，即 ：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。输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：电源电流的平均值电

11、源电流的平均值I1为：为：1EIU Ioo1UEIRRboo121UEIIERboo2022-7-4155.1.2 升压斩波电路升压斩波电路典型应用典型应用 一是用于一是用于直流电动机传动直流电动机传动； 二是用作二是用作单相功率因数校正单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路；）电路； 三是用于其他三是用于其他交直流电源交直流电源中。中。 以用于以用于直流电动机传动直流电动机传动为例为例 在直流电动机在直流电动机再生制动再生制动时把电能回馈给直流电源。时把电能回馈给直流电源。 电动机电枢电动机电枢电流连续电流连续和和断续断续两种工作状态。两种工作状态。 直

12、流电源的直流电源的电压基本是恒定电压基本是恒定的，的， 不必并联电容器。不必并联电容器。2022-7-4165.1.2 升压斩波电路升压斩波电路a)tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20ttTEiOOb)i1i2I10I20I10tontoffuo用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图电路图 b） 电流连续时电流连续时 c） 电流断续时电流断续时2022-7-4175.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 数量关系数量关系当当V处于处于通态通态时，设电动机时，设电动机电枢电流为电枢电流为i1，得下式：，得下式

13、：11mddiLRiEt当当V处于处于断态断态时，设电动机时，设电动机电枢电流为电枢电流为i2，得下式：，得下式：22ddmiLRiEEt当当电流连续电流连续时，考虑到初始条件，近似时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值无穷大时电枢电流的平均值Io，即：，即：moEEEImRRbb该式表明，以电动机一侧为基准看，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可将直流电源电压看作是被降低到了 。Eb2022-7-4185.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 当电枢电流断续时，可求得当电枢电流断续时，可求得i2持续的持续的时间时间tx，即：，即：用于直流电动机回馈能量的

14、升压用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形斩波电路及其波形mmett11lnonxbeem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20当tx t0ff 时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态， tx t0ff是电流断续的条件，即：是电流断续的条件，即：2022-7-4195.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)a)otb)oti1i2tontoffILIL升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形工作原理工作原理 V

15、导通时，导通时，电源电源E经经V向向L供电使其贮能，供电使其贮能，此时电流为此时电流为i1 ，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关断时，关断时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放， 电流为电流为i2 ，负载电压极性为上负下正，负载电压极性为上负下正，与电源电压极与电源电压极性相反，性相反，该电路也称作该电路也称作反极性反极性 斩波电路。斩波电路。2022-7-4205.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路基本的数量关系基本的数量关系稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，对时间

16、的积分为零，即即Ttu0L0d所以输出电压为：所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态处于通态uL = EV处于断态处于断态uL = - uoonooffE tU t2022-7-4215.1.3 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1ononooffonttUEEEtTt改变导通比改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当当01/2时为降压，当时为降压，当1/21时为升压，因此将该电路称作时为升压，因此将该电路称作升降压升降压斩波电路。斩波电路。 电源电流电源电流i1和负载电流

17、和负载电流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，当，当电流脉动足够小时，电流脉动足够小时，有：有：12onofftIIt2111offontIIIt12EIU Io输出功率和输入功率相等，可看作输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。直流变压器。2022-7-4225.1.3 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Cuk斩波电路斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a） 电路图电路图 b） 等效电路等效电路工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1 V回路和回路和RL2 CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。 V关断时，关

18、断时，EL1 CVD回路和回路和RL2 VD回路分别流过电流。回路分别流过电流。 输出电压的极性与电源电压输出电压的极性与电源电压极性相反。极性相反。 电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点两点之间之间交替切换。交替切换。2022-7-4235.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路基本的数量关系基本的数量关系 C的电流在一周期内的平均值应为零，即：的电流在一周期内的平均值应为零，即：0d0Tit C与升降压斩波电路相比，与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的斩波电路有一个明显的优点：优点：其输入电源电其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，

19、有利于对输入、输出进行滤波。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。 V处于处于通态的时间通态的时间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处于处于断态的时间断态的时间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：21onoffI tI t211offononontTtIItt由由L1 和和L2 的电压平均值为零，可得出输出电压的电压平均值为零，可得出输出电压Uo 与电源电压与电源电压E的关系：的关系：1ononooffonttUEEEtTt2022-7-4245.1.4 Sepic

20、斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 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负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，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1ononooffonttUEEEtTt2022-7-4255.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电

21、路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理斩波电路原理 工作原理工作原理 V处于处于通态期间通态期间，电源，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构成振荡回路，构成振荡回路， L1的能量转移至的能量转移至C1，能量全部，能量全部转移至转移至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1UEo2022-7-4265.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路两种电路具有两种电路具有相同的输入输出关系相同的输入输出关系 Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波有利于输入滤波 Zeta电路的电源电流断续而电路的电