第5章 直流直流变流电路
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
www.sdu.edu.cn
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5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图
21
b） 等效电路
t
O
t on
t
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
16
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
17
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
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。 图5-3 动画演示。
a) uo E uo E
O i
t i1 I 10 I 20 toff T b) i2 I 10 t
O io i1 I 20 O ton T t1 t x toff c) t2 i2
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
数量关系
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I1 toff。 由此可得： I 2 t on I1t off （5-46）
t T ton I2 1 off I1 ton ton t ton U o on E E E toff T ton 1
27
5.2.3 多相多重斩波电路
www.sdu.edu.cn
■多相多重斩波电路
◆是在电源和负载之间接入多个结 构相同的基本斩波电路而构成的。 ◆3相3重降压斩波电路
a)
1
☞相当于由3个降压斩波电路单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ元并联而成。 ☞总输出电流为 3 个斩波电路单 元输出电流之和，其平均值为单元输 出电流平均值的3倍，脉动频率也为3 倍。 ☞总输出电流最大脉动率（电流 脉动幅值与电流平均值之比）与相数 的平方成反比，其总的输出电流脉动 幅值变得很小，所需平波电抗器总重 量大为减轻。
13
1
5.1.2
www.sdu.edu.cn
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 ： EI1 U o I o 。 （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。
14
5.1.2
山东大学
Shandong University
电力电子技术
主讲人： 崔纳新
2010.9
www.sdu.edu.cn
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
引言
www.sdu.edu.cn
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流 变流电路和间接直流变流电路。
i G t i I O t on T off t i I t 2 t O i o
1
10
20
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
8
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
V
E iG L i R o VDuo
同样可以从能量传递关系出发进行的推导
电源只在V处于通态时提供能量，为 EI oton
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。
a) 电路图
iGE
0
io
I1
0 b) 波形
图5-2 升压斩波电路及工组波形
12
5.1.2
www.sdu.edu.cn
输出电流平均值为
Io
U o - Em 80 30 5( A) R 10
10
5.1.2
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
升压斩波电路（Boost Chopper） 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构
储存电能
保持输 出电压
11
5.1.2
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT
+ M E M -
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。
EIoton RI T EM I oT
2 o
Io
E EM
R
t on I1 I o I o T
EI1 EI o U o I o
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
负载电流平均值：
Io U o EM R
（5-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
7
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
此种方式应用 最多
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。
5.2.1 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路
23
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
■电流可逆斩波电路 ◆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，降压斩波电路 能使电动机工作于第1象限，升压斩波电路能使电 动机工作于第2象限。 ◆电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波 电路组合，此电路电动机的电枢电流可正可负， 但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和 第2象限。
19
ton E E （5-41） T ton 1
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故 称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变 换器。
加油！
20
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
■直接直流变流电路 ◆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。 ◆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。
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。
9
5.1.1 降压斩波电路
www.sdu.edu.cn
■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=20s,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 ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50
1
O i G t i O Gi o O u o O i on
b)电流连续时的波形 t Tt I x i off
t
t 2 t 2 E t
1
E 1 t
20
E M c) 电流断续时的波形
t
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
u 1 o E
数量关系 电流连续
负载电压平均值：
Uo
O
t
t on t E on E E t on t off T
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。
6
o
O i o
1 I t E
i
2 t
10
20
（5-47） （5-48）
T
0
iC d t 0
（5-45）
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、输出进行滤波。
22
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
www.sdu.edu.cn
概念 ◆复合斩波电路：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：相同结构的基本斩波电路 组合构成
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
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
V处于通态 uL = E
T
0
uL d t 0
（5-39）
E ton U o toff
toff
（5-40）
V处于断态 uL = - uo
所以输出电压为： U ton E o
（5-20） （5-21）
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 tof f 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 b T b和的关系： b 1 （5-22）
1 因此，式（5-21）可表示为 U o E E （5-23） b 1
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 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
EI1ton (Uo E) I1toff
ton tof f T E E 化简得： U o t tof f of f
基本工作原理
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。
i1 ton
a) toff
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。
18
IL
o
i2 IL
t
o
b)
t
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
26 a)
uo
io
iV1
iD1
t
iD2
iV2 b)
t
图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形
5.2.2 桥式可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
图5-8 桥式可逆斩波电路
■桥式可逆斩波电路 ◆将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， 使电动机可以4象限运行。 ◆工作过程 ☞V4导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使 电动机工作于第1、2象限。 ☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电 动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。
25
a)
图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
☞第3种工作方式：一个周 期内交替地作为降压斩波电 路和升压斩波电路工作。 ☞第3种工作方式下，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。 ☞一个周期内，电流不断， 响应很快。
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
输出电流的平均值Io为：
Io Uo 1 E R b R
(5-25)
电源电流的平均值I1为：
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
(5-26)
15
5.1.2
www.sdu.edu.cn
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
24
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
◆电路结构
☞V1和VD1构成降压斩波电 路，电动机为电动运行，工作 于第1象限。 ☞V2和VD2构成升压斩波电 路，电动机作再生制动运行， 工作于第2象限。 ☞必须防止V1和V2同时导通 而导致电源短路。 ◆工作过程 ☞两种工作情况：只作降压 斩波器运行和只作升压斩波器 运行。
降压斩波电路 （Buck Converter)
电路结构
续流二极管
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
5
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
V E i G L i o R + M a) 电路图 i G t i I O u o t on T off t VD u E M
工作原理
3
5.1 基本斩波电路
www.sdu.edu.cn
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
5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
4
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势
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5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图
21
b） 等效电路
t
O
t on
t
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
16
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
17
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
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。 图5-3 动画演示。
a) uo E uo E
O i
t i1 I 10 I 20 toff T b) i2 I 10 t
O io i1 I 20 O ton T t1 t x toff c) t2 i2
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
数量关系
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I1 toff。 由此可得： I 2 t on I1t off （5-46）
t T ton I2 1 off I1 ton ton t ton U o on E E E toff T ton 1
27
5.2.3 多相多重斩波电路
www.sdu.edu.cn
■多相多重斩波电路
◆是在电源和负载之间接入多个结 构相同的基本斩波电路而构成的。 ◆3相3重降压斩波电路
a)
1
☞相当于由3个降压斩波电路单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ元并联而成。 ☞总输出电流为 3 个斩波电路单 元输出电流之和，其平均值为单元输 出电流平均值的3倍，脉动频率也为3 倍。 ☞总输出电流最大脉动率（电流 脉动幅值与电流平均值之比）与相数 的平方成反比，其总的输出电流脉动 幅值变得很小，所需平波电抗器总重 量大为减轻。
13
1
5.1.2
www.sdu.edu.cn
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 ： EI1 U o I o 。 （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。
14
5.1.2
山东大学
Shandong University
电力电子技术
主讲人： 崔纳新
2010.9
www.sdu.edu.cn
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
引言
www.sdu.edu.cn
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流 变流电路和间接直流变流电路。
i G t i I O t on T off t i I t 2 t O i o
1
10
20
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
8
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
V
E iG L i R o VDuo
同样可以从能量传递关系出发进行的推导
电源只在V处于通态时提供能量，为 EI oton
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。
a) 电路图
iGE
0
io
I1
0 b) 波形
图5-2 升压斩波电路及工组波形
12
5.1.2
www.sdu.edu.cn
输出电流平均值为
Io
U o - Em 80 30 5( A) R 10
10
5.1.2
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
升压斩波电路（Boost Chopper） 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构
储存电能
保持输 出电压
11
5.1.2
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT
+ M E M -
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。
EIoton RI T EM I oT
2 o
Io
E EM
R
t on I1 I o I o T
EI1 EI o U o I o
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
负载电流平均值：
Io U o EM R
（5-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
7
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
此种方式应用 最多
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。
5.2.1 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路
23
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
■电流可逆斩波电路 ◆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，降压斩波电路 能使电动机工作于第1象限，升压斩波电路能使电 动机工作于第2象限。 ◆电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波 电路组合，此电路电动机的电枢电流可正可负， 但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和 第2象限。
19
ton E E （5-41） T ton 1
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故 称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变 换器。
加油！
20
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
■直接直流变流电路 ◆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。 ◆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。
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。
9
5.1.1 降压斩波电路
www.sdu.edu.cn
■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=20s,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 ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50
1
O i G t i O Gi o O u o O i on
b)电流连续时的波形 t Tt I x i off
t
t 2 t 2 E t
1
E 1 t
20
E M c) 电流断续时的波形
t
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
u 1 o E
数量关系 电流连续
负载电压平均值：
Uo
O
t
t on t E on E E t on t off T
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。
6
o
O i o
1 I t E
i
2 t
10
20
（5-47） （5-48）
T
0
iC d t 0
（5-45）
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、输出进行滤波。
22
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
www.sdu.edu.cn
概念 ◆复合斩波电路：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：相同结构的基本斩波电路 组合构成
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
www.sdu.edu.cn
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
V处于通态 uL = E
T
0
uL d t 0
（5-39）
E ton U o toff
toff
（5-40）
V处于断态 uL = - uo
所以输出电压为： U ton E o
（5-20） （5-21）
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 tof f 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 b T b和的关系： b 1 （5-22）
1 因此，式（5-21）可表示为 U o E E （5-23） b 1
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 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
EI1ton (Uo E) I1toff
ton tof f T E E 化简得： U o t tof f of f
基本工作原理
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。
i1 ton
a) toff
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。
18
IL
o
i2 IL
t
o
b)
t
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
26 a)
uo
io
iV1
iD1
t
iD2
iV2 b)
t
图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形
5.2.2 桥式可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
图5-8 桥式可逆斩波电路
■桥式可逆斩波电路 ◆将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， 使电动机可以4象限运行。 ◆工作过程 ☞V4导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使 电动机工作于第1、2象限。 ☞V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电 动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。
25
a)
图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
☞第3种工作方式：一个周 期内交替地作为降压斩波电 路和升压斩波电路工作。 ☞第3种工作方式下，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。 ☞一个周期内，电流不断， 响应很快。
www.sdu.edu.cn
升压斩波电路
输出电流的平均值Io为：
Io Uo 1 E R b R
(5-25)
电源电流的平均值I1为：
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
(5-26)
15
5.1.2
www.sdu.edu.cn
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
24
5.2.1 电流可逆斩波电路
www.sdu.edu.cn
◆电路结构
☞V1和VD1构成降压斩波电 路，电动机为电动运行，工作 于第1象限。 ☞V2和VD2构成升压斩波电 路，电动机作再生制动运行， 工作于第2象限。 ☞必须防止V1和V2同时导通 而导致电源短路。 ◆工作过程 ☞两种工作情况：只作降压 斩波器运行和只作升压斩波器 运行。
降压斩波电路 （Buck Converter)
电路结构
续流二极管
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
5
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
V E i G L i o R + M a) 电路图 i G t i I O u o t on T off t VD u E M
工作原理
3
5.1 基本斩波电路
www.sdu.edu.cn
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
5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
4
5.1.1
www.sdu.edu.cn
降压斩波电路
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势