第5章 直流-直流变流电路

1、3-1第第5章章 直流斩波电路直流斩波电路3-2第第3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。 电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。3-3主要内容：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合 斩波电路的结构与工

2、作原理。重 点：降压斩波电路、升压斩波电路的结构与工作原理。难 点：升压斩波电路的工作原理基本要求：掌握降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的结构与工作原理，了解复合斩波电路的结构与工作原理。直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路的种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。复合斩波电路不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合1 基本斩波电路基本斩波电路重

3、点：最基本的2种降压斩波电路和升压斩波电路。 第第3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言3-45.1 基本斩波电路基本斩波电路3-55.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机。斩波电路广泛应用于以蓄电池为动力 的各种设备，如行走机器人，运输小 车，电动自行车等。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)3-65.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10

4、I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图3-1 降压斩波电路得原理图及波形原理图如右：V-IGBT，VD-续流二极管，L-平波电抗器（为了使负载电流连续，脉动小） 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。动画演示。3-71 工作原理t=0时：uGEGE0，V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E。负载电流i0 0由0按指数曲线上升。（进入稳态时，由1010开

5、始上升）t=t1时：uGE=GE=0，V关断，负载电流由于大电感L的存在，电流不能突变经二极管VD续流，uo0，负载电流呈指数曲线下降。电流连续时，负载电压平均值tonV导通时间；toffoffV关断时间 T开关周期； 导通占空比 b b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiGEETtEtttUonoffononotttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I

6、10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG3-8 负载电流平均值： 讨论：1）L值很大时：i0 0下降尚未到零，下一周期又开始，i0 0又上升，负 载电流i0 0处于连续状态（如图b）2）L值较小时：V关断，到tx时，负载电流i0 0已衰减到零，i0 0出现 断续。tx时，u0 0=EM，负载平均电压U0 0被抬高。（如图c）2 斩波电路三种控制方式（根据对负载电压平均值调制方式分类）1）保持开关周期T不变，改变导通时间ton ，称为脉冲宽度调制（PWM）。目前应用最广泛。因为频率固定，滤波器容易设

7、计， 容易消除谐波和控制电磁干扰。另外，改变脉宽容易实现。2）保持导通时间ton不变，改变T ，称为频率调制或调频型。3）ton和T都可调，改变占空比，称为混合型。REUIMoo3-9 5.2 升压斩波电路 1. 工作原理（假设L值很大，C值也很大 ） uGEGE0：V导通，导通时间为tonon。此时 二极管VD截止，电源E向L提供能量，由 于L很大，电流恒为1 1。L上积蓄的能量 为 EI It tonon 同时C的电压向负载供电，因C值很大， 输出电压Uo为恒值。 uGE GE = 0：V关断，电源E和L产生的反电动 势（电流减小时，eL L=-LdiL L/dt）共同相加，向C充电并向负

8、载R供 电。设V关断的时间为toffoff，则电感L释放能量为（U0 0-E）1 1 toffoff 当电路工作于稳态时，一个周期中L积蓄能量与释放能量相等EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOttoff1oon1tIEUtEIEtTEtttUoffoffoffono3-10 1 输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路 升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与 改变导通比的方法类似。 将升压比的倒数记作， 和导通占空比有如下关系：+= 1 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： 电源电流： 与降压斩波电路一样，升压斩波电路

9、也可看成是直流变压器。1/offtTTtoffoo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11offtTEU103-11补充：补充：升降压斩波电路升降压斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构3-12基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形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。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。3-13升降压斩波电

10、路升降压斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d（3-39）所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V处于通态uL = EV处于断态uL = - uooffoontUtE（3-40）3-14升降压斩波电路升降压斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43） 结论当0a 1/2时为降压，当1/2a 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

11、。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL3-15 5.3 电流可逆PWM斩波电路 （两象限直流直流变换器）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，将能量回馈电源。电流可逆斩波电路构成：V1、VD1组 成降压斩波电路，V2、VD2组成升压 斩波。拖动直流电动机时，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。工作过程如下：1）V2截止，V1周期性通、断： V1导通，ton期间，uo=E，EEM，电流i0 0由电源电机，L储能。 V1截止，toffoff期

12、间，L经二极管VD1续流，uo0。 结论：电机转向n与转矩M同方向，工作在第1象限电动机状态。tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR3-162）V1截止，V2周期性通、断： V2导通，ton期间，uo=0，电机将动能 转变为电能，EM M提供能源，i0 0反向，L储能。 V2截止， toffoff期间， L产生的反电动势 和EM M相加，u0 0E，经VD2续流，将电能向电源馈送。 结论：i0产生的转矩M与n反向，是制动转矩，电机工作在第2象 限发电机制动状态。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。5.4 桥式可逆PWM斩波电路（四象限直

13、流直流变换器） 电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的，电机的转向没有改变。当需要电动机进行正、反转以及又要电动、制动的场合，须将两 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，成为桥式可逆斩波电路。（简称H桥） tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MRttb)uoioiV1iD1iV2iD2电流可逆斩波电路及波形3-17ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4Mtta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR工作原理：（1）V4导通时：V1、

14、V2、VD1、VD2构成上述的正转“电流可逆斩波电路”，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限即正转电动和正转再生制动状态。（2）V2导通时：V3、VD3和V4、VD4又构成另一组反转“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 ，即反转电动和反转再生制动状态。直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。3-18桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路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。图3-8 桥式可逆斩波电路 使V4保持通时，等效为

15、图3-7a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。使V2保持通时，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 。3-195.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路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相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数3-205.5 多相多重斩波电路多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。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。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。图3-9 3相3重斩波电路及其波形3-215.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相相1重斩波电路重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供