电力电子技术及应用 课件 第5章 直流-直流变流电路

5.1降压斩波电路

5.2升压斩波电路

5.3升降压斩波电路

5.4Cuk斩波电路

5.5Zeta斩波电路

5.6

Sepic斩波电路

5.7多相多重斩波电路5.1降压斩波电路降压斩波电路的结构如图5.1所示，该电路由输入侧直流电压源Ｅ、全控型器件绝缘栅双极型晶体管Ｖ、续流二极管VD、电阻电感负载RL组成。控制该电路导通的关键器件为绝缘栅双极型晶体管，将该器件看作理想元器件，即关断的时候器件阻值为无穷大，导通的时候器件阻值为0 Ω，将绝缘栅双极型晶体管导通的区间标注为ton，关断的区间标注为toff，一个周期看作T = ton + toff。在第一个周期内，当绝缘栅双极型晶体管导通时，二极管VD承受反向电压处于关断状态，电路中电流的流向为输入侧直流电压源E的正极→绝缘栅双极型晶体管→电阻电感负载RL→输入侧直流电压源的负极，电阻电感负载RL两端的电压等于输入侧直流电压源的电压，即uo = E。当绝缘栅双极型晶体管关断时，电阻电感负载中的电感发出能量，起到阻止电流突变的作用，电流流通方向为电阻电感负载RL→二极管VD→电阻电感负载RL，即二极管VD起到续流的作用，此刻电阻电感负载RL两端的电压uo = 0 V。根据上述分析，可以得出降压斩波电路的输出电压波形如图5.2所示。根据波形图可计算得出输出电压uo的平均值为其中，α为占空比，α = ton / T。5.2升压斩波电路升压斩波电路的结构如图5.3所示，该电路由输入侧直流电压源E、电感L、全控型器件绝缘栅双极型晶体管V、二极管VD、电容C、电阻R组成。将绝缘栅双极型晶体管导通的区间标注为ton，关断的区间标注为toff，一个周期看作T = ton + toff。由于本电路的波形是周期性变化的，故只需对其一个周期的状态进行分析，且电感L、电容C的取值很大。当绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，电流有两路，第一路电流流向为输入侧直流电压源E正极→电感L→绝缘栅双极型晶体管→输入侧直流电压源E负极，电压源E向电感L充电，由于电感取值较大，可以将流过电感L的电流看作基本无波动的恒定取值I1，在该区间内电感L吸收的电能为P1 = EI1ton。第二路电流流向为电容C→电阻R的回路，由于电容C取值较大，可将负载输出电压看作恒定值Uo。当绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，电流的流向为输入侧直流电压源E正极→电感L→二极管VD→电容C、电阻R→输入侧直流电压源E负极，此刻输入侧直流电压源E和电感L发出能量，由于电感L取值较大，电路中的电流仍可取为先前的电流值I1，在该区间内电感L所放出的能量P2 = (Uo - E)I1toff，由于电容C取值较大，负载输出电压仍为恒定值Uo。根据上述分析，可以得出升压斩波电路的输出电压波形如图5.4所示。根据一个周期内电感L吸收和放出的能量相等的原理(P1 = P2)，可计算得出输出电压uo的平均值为5.3升降压斩波电路升降压斩波电路的功能是，在满足某一条件下可以实现升压功能，在满足另一条件下可以实现降压功能，具体条件将在下文中进行介绍。升降压斩波电路由以下几个部分组成：输入侧直流电压源E、全控型器件绝缘栅双极型晶体管V、电感L、二极管VD、电容C、电阻R。电路结构如图5.5所示，图中电阻电容RC储存的电压方向为上负下正(即负载电压和电源电压的方向相反)，该电路又称为反极性斩波电路。在分析该电路的工作原理时，将绝缘栅双极型晶体管导通的区间标注为ton，关断的区间标注为toff，一个周期为两者之和。由于本电路的波形是周期性变化的，故只需分析一个周期的工作状态，且电感L、电容C的取值很大。本次电路观测图5.5中标注的i1和i2的波形情况。当绝缘栅双极型晶体管导通时，即在ton的区间内，电路中的电流流向为：输入侧直流电压源E正极→绝缘栅双极型晶体管→电感L→输入侧直流电压源E负极。此刻电感L正在吸收能量，假定L的取值较大，此刻电路中的电流i1可以看为一个恒定的数值，假定为I，在波形图中即可在ton的区间内将i1波形画为一条直线，而此刻i2的取值为0 A。当绝缘栅双极型晶体管关断时，即在toff的区间内，电路中的电流流向为：电感L→电容C、电阻R→二极管VD→电感L。根据该通路可得到此刻i1的取值为0 A，而由于电感取值较大，阻止电流突变，因此电路中的电流可看成和刚才的电流一致，取值为I，因此在波形图中可在toff的区间内将i1画为0 A，i2画为取值等于I的一条直线。根据上述分析，可得升降压斩波电路的输出电流波形如图5.6所示。根据稳态时电感L在一个周期内两端电压对时间的积分为0，推导可得升降压斩波电路的输出电压公式为其中，占空比α = ton/T，当α的取值在0～0.5时，可计算得出Uo＜E，此刻电路实现降压功能；当α的取值在0.5～1时，可计算得出Uo＞E，此刻电路实现升压功能。所以该电路被称为升降压斩波电路，只需要调整占空比α的取值，便可选择实现升压或者降压的功能。5.4Cuk斩波电路Cuk斩波电路的结构如图5.7所示，由以下几个部分组成：输入侧直流电压源E、全控型器件绝缘栅双极型晶体管V、电感L1和L2、二极管VD、电容C、电阻负载R。电容储存能量的电压方向为左正右负。当绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，电流的流向有两条通路，分别为：输入侧直流电压源E正极→电感L1→绝缘栅双极型晶体管V→输入侧直流电压源E负极；电容C→绝缘栅双极型晶体管V→电阻R→电感L2。当绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，电流也有两条通路，分别为：输入侧直流电压源E正极→电感L1→电容C→二极管VD→输入侧直流电压源E负极；电感L2→二极管VD→电阻R。根据稳态时电容C的电流在一周期内平均值为0，推导可得Cuk斩波电路的输出电压公式为5.5Zeta斩波电路Zeta斩波电路的结构如图5.8所示，该电路由输入侧直流电压源E、全控型器件绝缘栅双极型晶体管V、2个电感L1和L2、二极管VD、2个电容C1和C2、电阻负载R组成。当绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，电流有两个通路，分别为：输入侧直流电压源E经过绝缘栅双极型晶体管向电感L1供电；输入侧直流电压源E、电容C1经过电感L2向电容C2和电阻负载R供电。当绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，电流也有两个通路，分别为：电感L1通过二极管VD向电容C1供电；电感L2经过二极管VD续流。推导可得Zeta斩波电路的输出电压公式为5.6Sepic斩波电路Sepic斩波电路的结构如图5.9所示，该电路由输入侧直流电压源E、2个电感L1和L2、全控型器件绝缘栅双极型晶体管V、二极管VD、2个电容C1和C2、电阻负载R组成。当绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，电流有两个通路，流向为：输入侧直流电压源E正极→电感L1→绝缘栅双极型晶体管V→直流电压源E负极；电容C1→绝缘栅双极型晶体管V→电感L2。当绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时，电流也有两个通路，流向为：输入侧直流电压源E正极→电感L1→电容C1→二极管VD→电容C2、电阻R→直流电压源E负极；电感L2→二极管VD→电容C2、电阻R。推导可得Sepic斩波电路的输出电压公式为5.7多相多重斩波电路多相多重斩波电路是将几个相同的基本斩波电路通过一定方式组合而成的。如图5.10所示，E、V1、VD1、L1、R；E、V2、VD2、L2、R；E、V3、VD3、L3、R分别为3个降压斩波电路，将其组合便可构成三相三重斩波电路。为输出规律的电流波形，在一个周期内V1、V2、V3的导通相位依次相差1/3个周期，