资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/44,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。,2,5.1,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,3,5.1.1,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,）,电路分析,使用一个,全控型器件,V,，图中为,IGBT,，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，后两种情况下负载中均会出现,反电动势,，如图中,E,m,所示。,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,u,o,=E,，负载电流,i,o,按指数曲线上升。,t=t,1,时控制,V,关断,，二极管,VD,续流，负载电压,u,o,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。,4,5.1.1,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,负载电流平均值为,式中，,t,on,为,V,处于通态的时间，,t,off,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。,电流断续时，负载电压,u,o,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,t,on,。,频率调制,：,t,on,不变，改变,T,。,混合型,：,t,on,和,T,都可调，改变占空比,(5-1),(5-2),5,5.1.1,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,式中，,I,10,和,I,20,分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。,把式（,5-9,）和式（,5-10,）用泰勒级数近似，可得,平波电抗器,L,为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。,(5-9),(5-10),(5-11),6,5.1.1,降压斩波电路,(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,则,假设电源电流平均值为,I,1,，则有,其值小于等于负载电流,I,o,，由上式得,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。,(5-12),(5-13),(5-14),(5-15),7,5.1.1,降压斩波电路,电流断续时有,I,10,=0,，且,t=,t,on,+t,x,时，,i,2,=0,，可以得出,电流断续时，,t,x,t,off,，由此得出电流断续的条件为,输出电压平均值为,负载电流平均值为,(5-16),(5-17),(5-18),(5-19),8,5.1.1,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，,E,m,=30V,，,T=50s,，,t,on,=20,s,计算输出电压平均值,U,o,，输出电流平均值,I,o,。,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,9,5.1.1,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=0.5,，,E,m,=10V,，,采用脉宽调制控制方式，,T=20,s,，,当,t,on,=5,s,时，计算输出电压平均值,U,o,，输出电流平均值,I,o,，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：,当,t,on,=5,s,时，有,由于,所以输出电流连续。,10,5.1.1,降压斩波电路,此时输出平均电压为,输出平均电流为,输出电流的最大和最小值瞬时值分别为,11,5.1.2,升压斩波电路,0,i,GE,0,i,o,I,1,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,I,1,，电容,C,向负载,R,供电，输出电压,U,o,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,中电感,L,积蓄的能量与释放的能量相等，即,化简得,上式中的,(5-20),(5-21),12,5.1.2,升压斩波电路,将升压比的倒数记作,，即 ，则,和导通占空比,有如下关系,式（,5-21,）可表示为,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,输出电流的平均值,I,o,为,电源电流,I,1,为,(5-22),(5-23),(5-24),(5-25),(5-26),13,5.1.2,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=40,s,，,t,on,=25,s,时，计算输出电压平均值,U,o,，输出电流平均值,I,o,。,解：输出电压平均值为：,输出电流平均值为：,14,5.1.2,升压斩波电路,t,t,T,E,i,O,O,i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,t,O,T,O,E,t,c),u,o,i,o,i,1,i,2,t,1,t,2,t,x,t,on,t,off,I,20,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,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。,基于,分时段线性电路思想，,电流连续时得,L,为无穷大时电枢电流的平均值,I,o,为,(5-36),15,5.1.2,升压斩波电路,当电枢电流断续时，可求得,i,2,持续的时间,t,x,，即,当,t,x,t,0ff,时，电路为电流断续工作状态，,t,x,t,0ff,是电流断续的条件，即,t,O,T,O,E,t,c),u,o,i,o,i,1,i,2,t,1,t,2,t,x,t,on,t,off,I,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),16,5.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,o,t,b),o,t,i,1,i,2,t,on,t,off,I,L,I,L,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,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,i,1,，同时,C,维持输出电压恒定并向负载,R,供电。,V,关断,时，,L,的能量向负载释放，电流为,i,2,，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。,基本的数量关系,稳态时，一个周期,T,内电感,L,两端电压,u,L,对时间的积分为零，即,当,V,处于通态期间，,u,L,=E,；而当,V,处于断态期间，,u,L,=-u,o,。于是：,(5-39),(5-40),17,5.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,所以输出电压为：,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,i,1,和负载电流,i,2,的平均值分别为,I,1,和,I,2,，当电流脉动足够小时，有,由上式可得,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,(5-41),(5-42),(5-43),(5-44),18,5.1.3,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,工作原理,V,导通时，,EL,1,V,回路和,RL,2,C,V,回路分别流过电流。,V,关断时，,EL,1,C,VD,回路和,RL,2,VD,回路分别流过电流。,输出电压的极性与电源电压,极性相反,。,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),19,5.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,由,(5-45),得,从而可得,由,L,1,和,L,2,的电压平均值为零，可得出输出电压,U,o,与电源电压,E,的关系,与升降压斩波电路相比，,Cuk,斩波电路有一个明显的优点，其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。,(5-46),(5-47),(5-48),20,5.1.4,Sepic,斩波电路和,Zeta,斩波电路,Sepic,斩波电路,工作原理,V,导通时，,EL,1,V,回路和,C,1,V,L,2,回路同时导电，,L,1,和,L,2,贮能。,V,关断时，,EL,1,C,1,VD,负载,回路及,L,2,VD,负载,回路同时导电，此阶段,E,和,L,1,既向负载供电，同时也向,C,1,充电（,C,1,贮存的能量在,V,处于通态时向,L,2,转移）,。,输入输出关系,图,5-6,a)Sepic,斩波电路,(5-49),21,5.1.4,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,L,1,贮能。,V,关断时，,L,1,VD,C,1,构成,振荡回路,，,L,1,的能量转移至,C,1,，能量全部转移至,C,1,上之后，,VD,关断，,C,1,经,L,2,向负载供电。,输入输出关系为,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),22,5.2,复合斩波电路和多相多重斩波电路,5.2.1,电流可逆斩波电路,5.2.2,桥式可逆斩波电路,5.2.3,多相多重斩波电路,23,5.2.1,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。,多相多重斩波电路,：,相同结构的基本斩波电路组合构成,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
展开阅读全文