直流-直流变流电路

1、5-1第第5章章 直流直流-直流变流电路直流变流电路5-2第第5章章 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。5-35.1 基本斩波电路基本斩波电路返回5-45.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构续流

2、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。返回5-55.1.1 降压斩波电路降压斩波电路波形分析波形分析1 1）电流连续）电流连续返回5-65.1.1 降压斩波电路降压斩波电路波形分析波形分析2 2）电流断续）电流断续返回5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系l 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为: EETtEtttUonoffonono负载电流平均值为负载电流平均值为: 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开为开关周期，关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比

3、。为导通占空比，简称占空比或导通比。 REUImoo 电流断续时，负载电压电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton。频率调制频率调制：ton不变，改变不变，改变T。混合型混合型：ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比(5-1)(5-2)5-85.1.1 降压斩波电路降压斩波电路TIETRIoM2o数量关系（数量关系（从能量传递关系出发进行的推导）： 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变； 电源提

4、供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI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。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIo oo oo oIUIEEI1返回5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路RL/基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过两个过程来分析，初始条件分程来分析，初始条件分电流连续电流连续和和断续断续。 电流连续时得出电流连续时得出REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1

5、111/201式中，式中， ， ， ， I10和和I20分别是负载分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。电流瞬时值的最小值和最大值。 /TEEmm/TTtt11/把式（把式（5-9）和式（）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得）用泰勒级数近似，可得 oIREmII2010平波电抗器平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。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)数量关系（数量关系（从分时段线性电路思想分析、略)5-105.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系（数量关系（从瞬态过程分析、略）负载电流断续的情况：负载电流断续的情

6、况： I10=0，且t=tx时，i2=0式（5-7）式（5-6）memt)1 (1lnx（5-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和的关系：因此，式（5-21）可表示为 off/tT1bEEUb111oTtoffb（5-25）（5-22）返回5-18T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路Ttoffb1bEEUb111oEtTEtttUoffoffoffonoT/toff升压比；升压比的倒数记作 ，即b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

7、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。5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路返回5-19根据电路结构分析输出电流的平均值Io为： 1EIU Io o1UEIRRboo121UEIIERboov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 升压斩波电路升压斩波电路返回5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路例例5-3 在图在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极大，值极大，R=20 ，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉

8、宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出电，输出电流平均值流平均值Io。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： )(3 ffVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667. 6203 .133oARUIo5-21l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。返回5-

9、22电路分析V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 设i1的初值为I10，解上式得当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： 设i2的初值为I20，解上式得： 11ddiLRiEtM1101ttEiI eeRM22ddiLRiEEtM2201t ttEEiI eeRonMR为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。(5-27)(5-28)（5-29）（5-50）5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路返回5-231101ttEiI eeRM2201t ttEEiI eeRonMi1(ton)=I20I2(toff)=I10（5-51）（5-52）101111tTEeEeEImRReReboff

10、M2011tTTEeeEeeEImRReReonM（5-55）（5-54）若L值趋近于无穷1020EIImRb（5-55）L为无穷大时电枢电流的平均值IooEEEImRRbbM（5-56）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。Eb5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路返回5-245.1.2 升压斩波电路升压斩波电路如图5-5c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（5-51）中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即图5-5 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett1

11、1lnonxbeem11-电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20返回5-255.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路 电路结构返回5-26基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图5-4 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。5.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路返回5-27稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感储存的能

12、量等于释放的能量内电感储存的能量等于释放的能量EEtTtEttU1ononoffono（三）数量关系（三）数量关系LLE ItUItonooff5.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路返回5-28结论：结论：1)改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。2)当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。1ttUEEEtTtononooffon5.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路返回5-295.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路图5-4b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：offo

13、n21ttII（5-42）由上式得：11onoff21IIttI（5-45）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI （5-44）otb)oti1i2tontoffILIL返回5-305.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路返回5-315.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 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

14、，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。 电流可逆斩波电路返回5-32原理图：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V1和V2同时导通而导致的电源短路5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路返回5-33 只作降压斩波器运行时，则V2和VD2总处于断态； 只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态；第5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.5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路返回5-34 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。 当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合（即四象限运行），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。5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路返回5-355.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路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5-8 桥式可逆斩波电路 使V4保持