1、第第5 5章章 直流直流变流电路直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.2 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 5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 本章小结本章小结2/59引言引言直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流变流电路直接直流变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（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。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
2、变为另一直流电，这种情况下输入与输出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。之间不隔离。间接直流变流电路间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了在直流变流电路中增加了交流环节交流环节。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，因此也称为直为直交交直电路。直电路。3/595.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波
3、电路T=Ton+ToffontddonkUUTtdtuTU00015.1 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 5/595.1.1 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路(一一)工作电路工作电路IGBT,若为晶闸管，须有关断辅助电路若为晶闸管，须有关断辅助电路续流二极管续流二极管负载出现的负载出现的反电动势反电动势6/595.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）工作原理工作原理 t=0时刻
4、驱动时刻驱动V导通导通，电源，电源E向负载向负载供电，负载电压供电，负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数按指数曲线上升。曲线上升。t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续流，续流，负载电压负载电压uo近似为零近似为零，负载电流呈指数曲，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感线下降，通常串接较大电感L使负载电流使负载电流连续且脉动小。连续且脉动小。7/598/595.1.1 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 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，t
5、on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，简称为导通占空比，简称占空比或导通比。占空比或导通比。REUImoo9/595.1.1 降压斩波电路降压斩波电路电流断续时，负载电压电流断续时，负载电压uo平均值平均值会被抬高，一般不希望出现电流断会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。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，不变，改变改变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，改变占空都可调，改变占空比比
6、10/59负载电流维持为负载电流维持为I Io o不变不变电源只在电源只在V V处于通态时提供能量为处于通态时提供能量为:EIEI0 0t tonon在整个周期在整个周期T T中，负载消耗的能量为中，负载消耗的能量为:RIRI0 02 2T+ET+EM MI I0 0T T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器一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等的能量相等数量关系分析从能量传递角度推导数量关系分析从能量传递角度推导设设I I1 1为电源电流平均值为电源电流平均
7、值U0电源侧负载侧11/595.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，值极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压平均值计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io。解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为输出电流平均值为 )(805020020onVETtUo)(5103080-moAREUIo12/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路0iGE0ioI1a)b)图图
8、5-2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 升压斩波电路升压斩波电路 工作原理工作原理 假设假设L和和C值很大。值很大。V处于处于通态通态时，电源时，电源E向电感向电感L充电，充电，电流恒定电流恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，输出电压供电，输出电压Uo恒定。恒定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向同时向电容电容C充电，并向负载提供能量。充电，并向负载提供能量。储存电能储存电能保持输出电保持输出电压压toff:V处于断态，L L上释上释放的能量为：放的能量为：(U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoff0i
9、GE0ioI1tofftonton:V处于通态，L L上积上积蓄的能量为：蓄的能量为：EIEI1 1t tononV V通时，通时，E E向向L L充电，充电电流恒为充电，充电电流恒为I I1 1，同时同时C C的电压向负载供的电压向负载供电，因电，因C C值很大，输出电压值很大，输出电压u uo o为恒值，记为为恒值，记为U Uo o。设设V V通的时间为通的时间为t tonon，此阶段此阶段L L上积蓄的能量为：上积蓄的能量为：EIEI1 1t tonon数量关系数量关系(直接从能量角度分析）直接从能量角度分析）稳态时，一个周期稳态时，一个周期T T中中L L积蓄能量与释放能量相等：积蓄能
10、量与释放能量相等：EIEI1 1t tonon=(U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoff EtTEtttUoffoffoffonoV V断时，断时，E E和和L L共同向共同向C C充电并向负载充电并向负载R R供电。设供电。设V V断开的时间断开的时间为为t toffoff，则此期间电感则此期间电感L L释放能量为：释放能量为：(U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoffT/tT/toffoff11，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路电路Ttoff1EEU111oEtTEtttUoffoffoffonoT/tT/t
11、offoff升压比；升压比；升压比的倒数记作升压比的倒数记作 ，即即 和和 的关系：的关系：因此，因此，U U0 0可表示为可表示为v以上分析中，认为以上分析中，认为V V通态期间因电容通态期间因电容C C的作用使得输出电压的作用使得输出电压U Uo o不变，但实际不变，但实际C C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，U Uo o必然会有所下降，故实际输出电压会略低。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，输出电压高于电源电压，关键有两个原因：关键有两个原因：一是一是L储能之后具有使电压泵升的作用，储能之后具有使电压泵升的作用，二是电
12、容二是电容C可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。16/59根据电路结构分析输出电流的平均值根据电路结构分析输出电流的平均值I Io o为：为：oo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11v如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R R消消耗，即耗，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。器。则电源电流的平均值则电源电流的平均值I I1 1为：为：17/595.1.2 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
13、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，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输时，计算输出电压平均值出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为：)(3.13350254040offVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667.6203.133oARUIo18/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图5-3 用于直流电动机回馈能
14、量的升压斩波电路及其波形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）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 典型应用典型应用 一是用于直流电动机传动，二一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（是用作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路，）电路，三是用于其他交直流电源中。三是用于其他交直流电源中。以用于直流电动机传动为例以用于直流电动机传动为例 在直流电动机在直流电动机再生制动再生制动时把时把电能回馈给直流电源。电能回馈给直流电源。电动机电枢电动机电枢电流连续电流连续和和断续断续两种工作状态。两种工作状态。直流
15、电源的电压基本是恒定直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。的，不必并联电容器。19/59升压斩波电路典型应用（直流电机传动）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 直流电源直流电源实际电路中电感实际电路中电感L L值不可能为无穷大，因此也有电流连续和值不可能为无穷大，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电源相当于右图中的负载。由于直流电源的电压
16、基本是恒定的，因此不必并联电容器。的，因此不必并联电容器。20/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图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）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 V开通开通mERidtdiL11tmteREeIti1)(101 V断开断开EERidtdiLm22111)(202ttmtteREEeIti21/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路t
17、tTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuoa)b)图图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）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 电流连续时得电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值为无穷大时电枢电流的平均值Io为为 REEREmImo(5-36)22/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路当电枢电流断续时，可求得当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间持续的时间tx，即，即 mmetontx11ln当当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是
18、电流断续的条件，是电流断续的条件，即即 eem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图图5-3 用于直流电动机回馈能量的升用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形压斩波电路及其波形c）电流断续时）电流断续时(5-37)(5-38)23/59课程回顾课程回顾24/595.1.1 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路(一一)工作电路工作电路续流二极管续流二极管负载出现的负载出现的反电动势反电动势课程回顾课程回顾IGBT25/59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，不变，改变改变ton。频率调制频率调制：ton
19、不变，改变不变，改变T。混合型混合型：ton和和T都可调，改变占空都可调，改变占空比比课程回顾课程回顾(二二)数量关系数量关系EETtEtttUonoffononoREUImoo26/595.1.2 升压斩波电路升压斩波电路课程回顾课程回顾保持输出电保持输出电压压储存电能储存电能(一一)工作电路工作电路27/59课程回顾课程回顾0iGE0ioI1tofftonEtTEtttUoffoffoffono(二二)数量关系数量关系28/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路a)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 一
20、、一、工作原理工作原理 V导通导通时，电源时，电源E经经V向向L供电使供电使其贮能，此时电流为其贮能，此时电流为i1，同时，同时C维持维持输出电压恒定并向负载输出电压恒定并向负载R供电。供电。升降压斩波电路升降压斩波电路 V关断关断时，时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流为电流为i2，电压极性上负下正，与电源，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电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。斩波电路。29/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路a)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形
21、 升降压斩波电路升降压斩波电路 二、二、基本的数量关系基本的数量关系 稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两两端电压端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即 TLtu00d当当V处于通态期间，处于通态期间，uL=E；当；当V处于处于断态期间，断态期间，uL=-uo。于是根据积分得。于是根据积分得出：出：(5-39)(5-40)offoontUtE30/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路所以输出电压为：所以输出电压为：EEtTtEttUononoffono1改变导通比改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当，输出电压
22、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。时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。电源电流电源电流i1和负载电流和负载电流i2的平均值分别为的平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有，当电流脉动足够小时，有 offonttII211121IIttIonoff如果如果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，即为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即 21IUEIo(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)31/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩
23、波电路斩波电路图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路 Cuk斩波电路斩波电路一、工作原理一、工作原理32/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路 一、一、工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。V关断时，关断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分别流过电流。回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压输出电压的极性与电源电压极性相反极性相反。33
24、/595.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 由由(5-45)得得 从而可得从而可得112onononoffttTttII 由由L1和和L2的电压平均值为零，可得出输出电压的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压与电源电压E的关系的关系 EEtTtEttUononoffono1(5-46)(5-47)(5-48)ofont12ItITCti00d 二、二、基本的数量关系基本的数量关系 C 的电流在一周期内的平均值应为零，即的电流在一周期内的平均值应为零，即(5-45)34/595.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路
25、斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供既向负载供电，同时也向电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移）转移）。输入输出关系输入输出关系 EEtTtEttUononoffono1图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路(5-49)35/595.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路
26、工作原理工作原理 V导通时，电源导通时，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。V关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路，L1的能量转移至的能量转移至C1，能量全部转移至，能量全部转移至C1上之后，上之后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。输入输出关系为输入输出关系为 EUo1两种电路具有相同的输入输出关系，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，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，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。电路的电源电流断续而负
27、载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 (5-50)36/59课程回顾课程回顾a)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 升降压斩波电路升降压斩波电路 37/59图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路 Cuk斩波电路斩波电路课程回顾课程回顾38/595.2 复合斩波电路复合斩波电路 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 39/595.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路概念概念 复合斩波
28、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。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电动运行，又可又可再生制动再生制动，降压斩波电路能使电动机工作于第，降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升压斩象限，升压斩波电路能使电动机工作于第波电路能使电动机工作于第2象限。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，故其可工作电动机的电枢电流可正
29、可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第于第1象限和第象限和第2象限。象限。40/59电路结构电路结构V V1 1和和VDVD1 1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第动机为电动运行，工作于第1 1象限象限分析：V V2 2和和VDVD2 2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为构成升压斩波电路，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，工作于第电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2 2象象限限必须防止必须防止V1和和V2同时导通而导致的电源短路同时导通而导致的电源短路5.2.1
30、 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路41/595.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路ttb)uoioiV 1iD 1iV 2iD 2a)图图5-7 电流可逆斩波电路及其波形电流可逆斩波电路及其波形a）电路图电路图 b）波形波形 工作过程工作过程 两种工作情况：只作降压斩波器运行两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。和只作升压斩波器运行。第第3种工作方式种工作方式：一个周期内：一个周期内交替交替地作地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。为降压斩波电路和升压斩波电路工作。第第3种工作方式下，当一种斩波电路电种工作方式下，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，流断
31、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让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。总有电流流过。一个周期内，电流不断，响应很快。一个周期内，电流不断，响应很快。42/595.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路图图5-8 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 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，使电动机可以电动机可以4象限象限运行。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。象限对应四种工作状态：正转，正转制动，
32、反转，反转制动。43/595.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路图图5-8 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 工作过程工作过程 V4导通时，等效为图导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供所示的电流可逆斩波电路，提供正电压正电压，可使电，可使电动机工作于动机工作于第第1、2象限象限。V2导通时，导通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供机提供负电压负电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第3、4象限象限。44/59本章小结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。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要求掌握复合斩波电路的工作原理及电压电流波形
