直流直流变流电路

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 引 言 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 。 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 。 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 T=Ton+Toff ont ddon kUUTtdtuTU 0 00 15.1 基 本 斩 波 电 路 5.1.1 降 压 斩 波 电 路(一 ) 工 作 电 路 IGBT,若 为 晶 闸 管 ， 须 有 关 断 辅 助 电 路 续 流 二 极 管 负 载 出 现 的反 电 动 势 5.1.1 降 压 斩 波 电 路 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 降 压 斩 波 电 路 （ Buck Chopper） 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 。 5.1.1 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 EETtEtt tU on offon ono 负 载 电 流 平 均 值 为 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 。 R EUI moo 5.1.1 降 压 斩 波 电 路 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 ： t on和 T都 可 调 ， 改 变 占 空比 负 载 电 流 维 持 为 Io不 变电 源 只 在 V处 于 通 态 时 提 供 能 量 为 :EI0ton在 整 个 周 期 T中 ， 负 载 消 耗 的 能 量 为 :RI02T+EMI0T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 等数 量 关 系 分 析 从 能 量 传 递 角 度 推 导设 I1为 电 源 电 流 平 均 值 U0 电 源 侧 负 载 侧 5.1.1 降 压 斩 波 电 路 例 5-1 在 图 5-1a所 示 的 降 压 斩 波 电 路 中 ， 已 知 E=200V， R=10， L值 极 大 ，Em=30V， T=50s， 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 输 出 电 流 平 均 值 为 )(805020020on VETtU o )(510 3080- mo AREUI o 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 0i GE0io I1 a)b)图 5-2 升 压 斩 波 电 路 及 其 工 作 波 形a） 电 路 图 b） 波 形 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 。 储 存 电 能 保 持 输 出 电压 toff: V处 于 断 态 ， L上 释放 的 能 量 为 ：(U0-E)I1toff0iGE 0io I1toff ton ton: V处 于 通 态 ， L上 积蓄 的 能 量 为 ：EI1ton V通 时 ， E向 L充 电 ， 充 电 电 流 恒 为 I1， 同 时 C的 电 压 向 负 载 供电 ， 因 C值 很 大 ， 输 出 电 压 uo为 恒 值 ， 记 为 Uo。 设 V通 的 时 间 为ton， 此 阶 段 L上 积 蓄 的 能 量 为 ：EI1ton数 量 关 系 (直 接 从 能 量 角 度 分 析 ） 稳 态 时 ， 一 个 周 期 T中 L积 蓄 能 量 与 释 放 能 量 相 等 ： EI1ton=(U0-E)I1toff EtTEt ttU offoff offono V断 时 ， E和 L共 同 向 C充 电 并 向 负 载 R供 电 。 设 V断 开 的 时 间为 toff， 则 此 期 间 电 感 L释 放 能 量 为 ：(U0-E)I1toff T/toff1， 输 出 电 压 高 于 电 源 电 压 ， 故 称 该 电 路 为 升 压 斩 波电 路 Ttoff1 EEU 1 11o EtTEt ttU offoff offono T/toff升 压 比 ；升 压 比 的 倒 数 记 作 ， 即 和 的 关 系 ：因 此 ， U0可 表 示 为v以 上 分 析 中 ， 认 为 V通 态 期 间 因 电 容 C的 作 用 使 得 输 出 电 压 Uo不 变 ， 但 实 际 C值 不 可 能 无 穷 大 ， 在 此 阶 段 其 向 负 载 放 电 ， Uo必 然 会 有 所 下 降 ， 故 实 际 输 出 电 压 会 略 低 。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 。 根 据 电 路 结 构 分 析 输 出 电 流 的 平 均 值 Io为 ： oo1 IUEI RERUI 1oo REIEUI 2oo1 1 v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 与 降 压 斩 波 电 路 一 样 ， 升 压 斩 波 电 路 也 可 看 成 是 直 流 变 压器 。 则 电 源 电 流 的 平 均 值 I1为 ： 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 ： )(3.133502540 40 off VEtTU o 输 出 电 流 平 均 值 为 ： )(667.620 3.133o ARUI o 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 ttT EiOO i1 i2I10 I20 I10ton toffuo tO TO E tc)uoio i1 i2t1 t2txton toffI20a)b)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a） 电 路 图 b） 电 流 连 续 时 c） 电 流 断 续 时 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 CorrectionPFC） 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 。 升 压 斩 波 电 路 典 型 应 用 （ 直 流 电 机 传 动 ） 通 常 是 用 于 直 流 电 动 机 再 生 制 动 时 把 电 能 回 馈 给 直 流 电 源 实 际 电 路 中 电 感 L值 不 可 能 为 无 穷 大 ， 因 此 也 有 电 流 连 续 和断 续 两 种 工 作 状 态此 时 电 机 的 反 电 动 势 相 当 于 右 图 中 的 电 源 ， 而 此 时 的 直 流电 源 相 当 于 右 图 中 的 负 载 。 由 于 直 流 电 源 的 电 压 基 本 是 恒 定的 ， 因 此 不 必 并 联 电 容 器 。 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 ttT EiOO i1 i2I10 I20 I10ton toffuo tO TO E tc)uoio i1 i2t1 t2txton toffI20a)b)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a） 电 路 图 b） 电 流 连 续 时 c） 电 流 断 续 时 V开 通 mERidtdiL 11 tmt eREeIti 1)( 101 V断 开 EERidtdiL m 22 11 1)( 202 ttmtt eREEeIti 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 ttT EiOO i 1 i 2I 10 I 20 I 10t on t offu o a)b)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a） 电 路 图 b） 电 流 连 续 时 c） 电 流 断 续 时 电 流 连 续 时 得 L为 无 穷 大 时 电 枢 电 流 的 平 均 值Io为 R EEREmI mo (5-36) 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 当 电 枢 电 流 断 续 时 ， 可 求 得 i2持 续 的 时 间 tx， 即 mmet ontx 11ln 当 txt0ff时 ， 电 路 为 电 流 断 续 工 作 状 态 ， txt0ff是 电 流 断 续 的 条 件 ，即 eem 11 t O TO E tc)u oi o i 1 i 2t 1 t 2t xt on t offI 20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(5-37)(5-38) 课 程 回 顾 5.1.1 降 压 斩 波 电 路(一 ) 工 作 电 路 续 流 二 极 管 负 载 出 现 的反 电 动 势 课 程 回 顾IGBT 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 课 程 回 顾(二 ) 数 量 关 系 EETtEtt tU onoffon ono R EUI moo 5.1.2 升 压 斩 波 电 路 课 程 回 顾 保 持 输 出 电压储 存 电 能(一 ) 工 作 电 路 课 程 回 顾0i GE 0io I1toff tonEtTEt ttU offoff offono (二 ) 数 量 关 系 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路a) 图 5-4 升 降 压 斩 波 电 路 及 其 波 形a） 电 路 图 b） 波 形 一 、 工 作 原 理 V导 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 。 升 降 压 斩 波 电 路 V关 断 时 ， L的 能 量 向 负 载 释 放 ，电 流 为 i2， 电 压 极 性 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 。 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路a) 图 5-4 升 降 压 斩 波 电 路 及 其 波 形a） 电 路 图 b） 波 形 升 降 压 斩 波 电 路 二 、 基 本 的 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 T L tu0 0d当 V处 于 通 态 期 间 ， uL=E； 当 V处 于断 态 期 间 ， uL=-uo。 于 是 根 据 积 分 得出 ： (5-39)(5-40)offoon tUtE 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路所 以 输 出 电 压 为 ： EEtT tEttU ononoffono 1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 01/2时 为 降 压 ， 当1/21时 为 升 压 ， 因 此 将 该 电 路 称 作 升 降 压 斩 波 电 路 。 电 源 电 流 i 1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 offonttII 21 112 1 IIttI onoff 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 21 IUEI o (5-41)(5-42)(5-43)(5-44) 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路 图 5-5 Cuk斩 波 电 路 及 其 等 效 电 路a） 电 路 图 b） 等 效 电 路 Cuk斩 波 电 路一 、 工 作 原 理 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路图 5-5 Cuk斩 波 电 路 及 其 等 效 电 路a） 电 路 图 b） 等 效 电 路 一 、 工 作 原 理 V导 通 时 ， EL 1V回 路 和 RL2CV回 路 分 别 流 过 电 流 。 V关 断 时 ， EL1CVD回 路 和 RL2VD回 路 分 别 流 过 电 流 。 输 出 电 压 的 极 性 与 电 源 电 压 极 性 相 反 。 5.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk斩 波 电 路 由 (5-45)得 从 而 可 得 112 on ononoff t tTttII 由 L1和 L2的 电 压 平 均 值 为 零 ， 可 得 出 输 出 电 压 Uo与 电 源 电 压 E的 关 系 EEtT tEttU ononoffono 1 (5-46)(5-47)(5-48)ofon t12 ItI T C ti0 0d 二 、 基 本 的 数 量 关 系 C 的 电 流 在 一 周 期 内 的 平 均 值 应 为 零 ， 即 (5-45) 5.1.4 Sepic斩 波 电 路 和 Zeta斩 波 电 路 Sepic斩 波 电 路 工 作 原 理 V导 通 时 ， EL1V回 路 和 C1VL2回 路 同 时 导 电 ， L1和 L2贮 能 。 V关 断 时 ， EL1C1VD负 载 回 路 及 L2VD负 载 回 路 同 时 导 电 ， 此 阶 段 E和 L1既 向 负 载 供电 ， 同 时 也 向 C1充 电 （ C1贮 存 的 能 量 在 V处 于 通 态 时 向 L2转 移 ） 。 输 入 输 出 关 系 EEtT tEttU ononoffono 1图 5-6 a)Sepic斩 波 电 路 (5-49) 5.1.4 Sepic斩 波 电 路 和 Zeta斩 波 电 路 Zeta斩 波 电 路 工 作 原 理 V导 通 时 ， 电 源 E经 开 关 V向 电 感 L1贮 能 。 V关 断 时 ， L1 VD C1构 成 振 荡 回 路 ， L1的 能 量 转 移 至 C1， 能 量 全 部 转 移 至 C1上 之 后 ， VD关 断 ，C1经 L2向 负 载 供 电 。 输 入 输 出 关 系 为 EU o 1 两 种 电 路 具 有 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 ， 有 利 于 输 入 滤 波 ，反 之 ， Zeta电 路 的 电 源 电 流 断 续 而 负 载 电 流 连 续 ； 两 种 电 路 输 出 电 压 为 正 极 性 的 。 图 5-6 b Zeta斩 波 电 路 (5-50) 课 程 回 顾a) 图 5-4 升 降 压 斩 波 电 路 及 其 波 形a） 电 路 图 b） 波 形 升 降 压 斩 波 电 路 图 5-5 Cuk斩 波 电 路 及 其 等 效 电 路a） 电 路 图 b） 等 效 电 路 Cuk斩 波 电 路 课 程 回 顾 5.2 复 合 斩 波 电 路 5.2.1 电 流 可 逆 斩 波 电 路 5.2.2 桥 式 可 逆 斩 波 电 路 5.2.1 电 流 可 逆 斩 波 电 路 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 。 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 。 电 路 结 构V1和 VD1构 成 降 压 斩 波 电 路 ， 由 电 源 向 直 流 电 动 机 供 电 ， 电动 机 为 电 动 运 行 ， 工 作 于 第 1象 限分 析 ：V2和 VD2构 成 升 压 斩 波 电 路 ， 把 直 流 电 动 机 的 动 能 转 变 为电 能 反 馈 到 电 源 ， 使 电 动 机 作 再 生 制 动 运 行 ， 工 作 于 第 2象限 必 须 防 止 V 1和 V2同 时 导 通 而 导 致 的 电 源 短 路 5.2.1 电 流 可 逆 斩 波 电 路 5.2.1 电 流 可 逆 斩 波 电 路 ttb) uoi o iV 1 iD 1iV 2iD 2 a)图 5-7 电 流 可 逆 斩 波 电 路 及 其 波 形a） 电 路 图 b） 波 形 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 。 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 。 5.2.2 桥 式 可 逆 斩 波 电 路 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 。 4象 限 对 应 四 种 工 作 状 态 ： 正 转 ， 正 转 制 动 ， 反 转 ， 反 转 制 动 。 5.2.2 桥 式 可 逆 斩 波 电 路图 5-8 桥 式 可 逆 斩 波 电 路 工 作 过 程 V 4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 。 本 章 小 结本 章 重 点 介 绍 了 两 种 基 本 斩 波 电 路 ， 要 求 理 解 降 压斩 波 电 路 和 升 压 斩 波 电 路 的 工 作 原 理 ， 掌 握 这 两 种电 路 的 输 入 输 出 关 系 、 电 路 解 析 方 法 、 工 作 特 点 。要 求 掌 握 复 合 斩 波 电 路 的 工 作 原 理 及 电 压 电 流 波 形