电力电子技术第五章直流-直流变流电路
第五章直流交流(DCAC)变换.
第五章直流—交流（DC—AC）变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。
当VT1、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VT4向负载送出电流，形成输出电压左（+）、右（-），如图5-1（a）所示。
当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT2、VT3的转移，即换流。
换流完成后，由VT2、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压，如图5-1（b）所示。
这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压，如图5-1（c）波形所示。
控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。
输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。
图5-1 DC—AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，即换流问题。
晶闸管为半控器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。
但导通后门极失去控制作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。
常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。
由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。
在交—直—交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。
根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4 电压源型逆变器图5-5 无功二极管的作用1．电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。
电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。
电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
t
tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
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
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■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。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V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。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
(完整)《电力电子技术》复习资料
电力电子技术第五版复习资料第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术,主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC—AC：逆变（3)直流变直流DC—DC:一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类:分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系(1）主电路:指能够直接承担电能变换或控制任务的电路.(2）电力电子器件:指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件.2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3 电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路,根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断.（4）同时,在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行.4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类(1）半控型器件:通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2)全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如GTO、GTR、MOSFET 和IGBT.（3）不可控器件:不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管.根据驱动信号的性质分类(1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如SCR、GTO、GTR.（2)电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如MOSFET、IGBT。
根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。
直流直流变流电路
04
应用场景与优势
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
应用场景
电动汽车充电系统
直流-直流变流电路用于将交流电转换为直流电，为电动汽车充电。
分布式光伏发电系统
在分布式光伏发电系统中，直流-直流变流电路用于将光伏板产生 的直流电进行升压或降压，以满足不同设备的用电需求。
发展
近年来，随着电力电子技术的不断进步，直流-直流变流电路 在效率、可靠性、智能化等方面得到了显著提升。未来，随 着新能源和智能电网等领域的快速发展，直流-直流变流电路 的应用前景将更加广阔。
02
直流-直流变流电路的类型
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
降压型（Buck）
04
参数设计
确定电感、电容的值，以满足动态特性和 效率要求。
05
06
根据开关频率和占空比，计算功率开关管 的通态电阻和开关速度。
优化策略与方法
减少开关损耗
通过优化开关频率或采用软开关技术 来实现。
提高效率
通过优化元件参数或采用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相位技术 来实现。
优化策略与方法
1. 仿真分析
通过仿真软件分析电路性能，找出潜在的优化点。
工业自动化控制系统
在工业自动化控制系统中，直流-直流变流电路用于将交流电源转 换为设备所需的直流电源。
优势与局限性
高效节能 稳定性好 体积小、重量轻 局限性
直流-直流变流电路具有较高的能量转换效率，能够减少能源浪 费。
直流-直流变流电路输出的直流电压稳定，波动小，能够保证用 电设备的正常运行。
相对于传统的交流电源，直流-直流变流电路的体积和重量较小 ，便于携带和移动。
电力电子技术课后答案
电力电子技术课后答案第2章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：u AK >0且u GK >0。
2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
3. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 、I 、I 。
π4π4π25π4a)b)c)图1-431图1-43 晶闸管导电波形解：a)I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m=π2mI (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m=2mIπ2143+≈0.4767 I m b) I d2=π1⎰ππωω4)(sin t td I m=πmI (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t Im =22m I π2143+≈0.6741I mc) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41 I mI 3 =⎰22)(21πωπt d I m=21 I m4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56c) I m3=2 I = 314,I d3=41I m3=78.59. 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
电力电子第五章 ACDC变换器(整流和有源逆变电路)
5.2 不控整流电路
• 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单 地实现交流—直流电力变换。
• 由于二极管整流电路输出的直流电压与交流 输入电压的大小有关，不能通过电路本身控 制其数值，故称为不控整流电路。
5.2.1 单相不控整流电路
u1
u2 O ud
uVDO1 O
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
b)
VD3 R ud
VD4
c)
a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图
5.2.1 单相不控整流电路
AC +
ud
VD3
VD2
VD2
b)
图5-2 单相全波整流电路
u2
R
c)
d)
u2
共阳极连接 VD4
2 t
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD1
VD3 VD1
u2 R
AC
+ -
R
-
AC +
R
t
u2
AC + -
ud
VACD1
+
ud
VD2
VD2
u2
VD2
VbD)3
u2
c)
d)
u2
R
VD2
u2 VD4
VD4
带续流二极管的单相 半波整流电路
b)
d)
u2
u2
t1
O
2
t1
t
O
2
电力电子技术-5.1直流斩波
z EM E e ( 1 T1/ E M T TR ) (1 ) T / I 20 e e ) , (1z z R R e 1 R L
上式代入
[t 1,T]
I I 20 I10
E R
1 e
di 1 E EM t / t / L (1 / 0 t t1 i1 EIM10 eRi 1) T E E ME , T(1 Me E M) (1 ) T / E E E M I 10 e e e e dt I R d R R R R 0 T 0 . 5 T I I max R T di 2 ) i 1 ( 0 ) t / I 10 , M ( Ed ( 1 ) T / E L / RE ( t t 1 ) / t 1 E L Ri 2 Ee(1 e0M, (te1 ),) 20 i1 ( t 1 ) M t I T e e e 1 + Ii10 (1 I 20 ) 2 R R dt RR EM T RT T T
输出电压平均值为： ton E (T ton t x ) EM Uo T 负载电流平均值为：
1 (1 m)e t x ln m
电流断续时的波形
t2
t
tx<toff
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
1
t1
5.1.1 降压斩波的工作原理 输出电压平均值 Ua u 0 dt
T
0
t1 T
E ft 1 E E
直流-交流变换电路
di/dt
图5-12
器件1、4和器件2、3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流 电
37
1、单相电流型逆变电路
Ld
A
Id VT1 LT1 io LT2
VT2
C uo RL
VT3
LT3 图5-3-2 单相桥式电流型（并
LT4
联谐振式）逆变电路
VT4
B
采用负载换流方式，要求负载电流略超前于负载电压
24
三相电压型逆变电路
+
V1
V3
V5
U d
2
VD1 VD3 VD5
N' U V
N
U d
2
W VD4 VD6 VD2
- V4
V6
V2
➢➢负U相载，各1相通到，电uU图源N'=5中-U9点d/2N，‘的4通电，压：
uUN'=-Ud/2
图5-2-4 电压型三相桥式 逆变电路的工作波形
25
三相电压型逆变电路
第五章 直流-交流变换电路
第一节 概述 第二节 电压型逆变电路 第三节 电流型逆变电路 第四节 脉宽调制型（PWM）逆变电路 本章小结
1
第一节 概述
逆变概念：
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电
交变流频侧电接路电：网 交交，变为频有和源交逆直变交变频两种 交交流直侧交接变负频载由，交为直无变源换逆和变直交变换两部分组成，后一部分就 本章是讲逆述变无源逆变
33
逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
直流侧大电容滤波 是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源型逆
变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
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(5-21)
a)
iGE
0
io I1
0
b)
上式中的 T / toff 1
图5-2 升压斩波电路及其工作波形
a）电路图 b）波形
13/44
5.1.2 升压斩波电路
☞将升压比的倒数记作β，即
t off T
，则和导通占空比有如下关系
4/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析 ☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸 管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。 ☞设置了续流二极管VD，在V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。 ◆工作原理 ☞ 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。
(5-16)
电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为 e 1 m e 1 输出电压平均值为
Uo t on E (T t on t x ) Em t on t x 1 m E T T
(5-17)
◆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。 ◆电流连续时得出 e t1 / 1 E Em e 1 E (5-9) I 10 m eT / 1 R R e 1 R
1 e t1 / E Em 1 e E I 20 m T / R R R 1 e 1 e t1 T T / t / L / R m E / E 1 ， 式中， ， ， m
Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25
输出电流平均值为：
Io U o 133.3 6.667( A) R 20
15/44
5.1.2 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（Power Factor Correction—PFC）电路， 三是用于其他交直流电源中。 ◆以用于直流电动机传动为例 ☞在直流电动机再生制动时把 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。 ☞基于分时段线性电路思想， 电流连续时得L为无穷大时电枢电 E E E 流的平均值 Io 为 I o m m (5-36) R R
☞当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间tx，u 即
1 me t x ln 1 m
ton
E
o
(5-37)
O i
o
t
i
1
i
2
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
I O t
on
20
t
1
t
x
t
2 off
t
t
T
m
1 e 1 e
◆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。
■间接直流变流电路
3/44
5.1 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 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
m
当ton=5s时，有
L 0.001 0.002 R 0.5
T 0.01 0.0025
EM 10 0.1 E 100
由于
e 1 e0.0025 1 0.01 0.249 m e 1 e 1
所以输出电流连续。
11/44
5.1.1 降压斩波电路
☞输出电流的平均值Io为 ☞电源电流I1为
Io
Uo 1 E R R
Uo 1 E I1 Io 2 E R
(5-26)
14/44
5.1.2 升压斩波电路
■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=40s， ton=25s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：
a) iIL
t
o
b)
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
0
t
当V处于通态期间，uL=E；而 当V处于断态期间，uL=-uo。于 是： E t U t (5-40)
on o off
18/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
(5-22)
1
式（5-21）可表示 为
Uo
1
E
1 E 1
(5-23)
输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电 压泵升的作用，二是电容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) (5-25)
◆(3-11)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 略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即
2 EI o t on RI o T Em I oT
(5-12)
则
Io
E Em
R
(5-13)
假设电源电流平均值为I1，则有
I1
ton I o I o T
此时输出平均电压为
Uo ton 100 5 E 25(V ) T 20
输出平均电流为
Io U o - EM 25 10 30( A) R 0.5
输出电流的最大和最小值瞬时值分 别为 E 1 e0.0025 100 1 e I max m 0 . 1 1 e R 1 e 0.01 0.5 30.19( A)
所以输出电压为：
Uo t on t E on E E t off T t on 1
(5-41)
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。当0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压，因此将该电路称 作升降压斩波电路。 ☞电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时， 有 t on I
5/44
图5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
5.1.1 降压斩波电路
◆基本的数量关系
☞电流连续时 √负载电压的平均值为
Uo t on t E on E E t on t off T
(5-1)
式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周 期，为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为 U E
ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50
输出电流平均值为
Io
U o - Em 80 30 5( A) R 10
10/44
5.1.1 降压斩波电路
■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=20s，当ton=5s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
由上式可得
I2
t off
(5-42)
I2
t off t on
I1
1
I1
(5-43)
如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等， 即 EI U I (5-44)
(5-14)
其值小于等于负载电流Io，由上式得
EI1 EI o U o I o
(5-15)
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。
8/44
5.1.1 降压斩波电路
◆电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出
1 (1 m)e t x ln m
Io
o m
R
(5-2)
☞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 断续的情况。
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
6/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
E e0.0025 1 100 e 1 I min e 1 m R e0.01 1 0.1 0.5 29.81( A)
12/44
5.1.2 升压斩波电路
■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。 ◆基本的数量关系 ☞当电路工作于稳态时，一个周期 T(5-20) 中 EI1t on U o E I1t off 电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即 化简得
第5章 直流-直流变流电路