石河子大学：《电力电子技术》课程教学课件（PPT讲稿）第5章 直流直流变流电路

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 机械电气工程学院电气教研室 电力电子技术

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， 因此也称为直一交一直电路。 机械电气工程学院电气教研室 2/44 电力电子技术

2/44 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

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 机械电气工程学院电气教研室 3/44 电力电子技术

3/44 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

5.1.1降压斩波电路 ■降压斩波电路 (Buck Chopper) Em ◆电路分析 r使用一个全控型器件V,图中为GBT, 若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电 路。 r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Em所示。 b ◆工作原理 L off 矿仁时刻驱动V导通，电源E向负载供电， 负载电压4。=E,负载电流i按指数曲线上升。 m仁t时控制V关断，二极管VD续流，负载 E E 电压“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。 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 机械电气工程学院电气教研室 4/44 电力电子技术

4/44 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Em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

5.1.1降压斩波电路 ◆基本的数量关系 即电流连续时 V负载电压的平均值为 to吧 E tom E=aE (5-1) ton +tom T 式中，tn为V处于通态的时间，to为V处于断态的时间，T为开关周期， α为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为 1。 U。-Em (5-2) R r电流断续时，负载电压山，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 r脉冲宽度调制(PWM)：T不变，改变n。 r频率调制：tn不变，改变T。 r混合型：t和T都可调，改变占空比 机械电气工程学院电气教研室 5/44 电力电子技术

5/44 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 E E T t E t t t U on on off on o = = + = √负载电流平均值为 式中，ton为V处于通态的时间，toff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。 R U E I o m o − = ☞电流断续时，负载电压uo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ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比 (5-1) (5-2)

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 10 E Em eap-1 E -m (5-9) R R ep-1 R 1-e1 E Em 1-e E 10 1-e-TI R R I-e-p (5-10) R 式中UR,日=EE,4:-（)引-m,1和分别是负 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 (5-11) R 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。 机械电气工程学院电气教研室 6/44 电力电子技术

6/44 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 R E m e e R E R E e e I m T t         − − − − =         − − = 1 1 1 1 / / 10 1     R E m e e R E R E e e I m T t         − − − − =         − − = − − − −     1 1 1 1 / / 20 1 式中， ， ， ， ，I10和I20分别是负 载电流瞬时值的最小值和最大值。  = T / m = Em / E      =            = T T t t 1 1 / 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 ( ) o I R m E I I = −    10 20 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)  = L/ R

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 EI。ton=RIT+EnmI。T (5-12) 则 1。= aE-Em (5-13) R 假设电源电流平均值为L,则有 tan1。=l。 (5-14 其值小于等于负载电流L,由上式得 EL1=aEI。=UI。 5-15) 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。 机械电气工程学院电气教研室 7/44 电力电子技术

7/44 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 EIo t o n = RIo T + Em I o T 2 则 R E E I m o − =  假设电源电流平均值为I1，则有 o o on I I T t I 1 = = 其值小于等于负载电流Io，由上式得 o o o EI =EI = U I 1 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)

5.1.1降压斩波电路 ◆电流断续时有I1o0,且tm+t时，2-O,可以得出 1-(1-m)e (5-16) m 电流断续时，t (5-17 ep 输出电压平均值为 U。 E+-4,)E= m E 5-18) T 负载电流平均值为 。=70d+d-a- E U。-Em (5-19) T R R 机械电气工程学院电气教研室 8/44 电力电子技术

8/44 5.1.1 降压斩波电路 ◆电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出       − − = − m m e t x   1 (1 ) ln 电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为 1 1 − −    e e m 输出电压平均值为 m E T t t T t E T t t E U on on x m on x o             + = + − + − − = 1 ( )  负载电流平均值为 R U E R E m T t t i t i t T I o n x o m t t t t o o n o n x o n −  =      +  = −      = +   +  0 1 d 2 d 1 (5-16) (5-17) (5-18) (5-19)

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=102,L值 极大，Em=30V,，T=50,s,tom=20s,计算输出电压平均值Uo,输出电 流平均值I。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 U。=mE= 20×200 =80(V) T 50 输出电流平均值为 80-30 5(A) R 10 机械电气工程学院电气教研室 9/44 电力电子技术

9/44 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=10Ω，L值 极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电 流平均值Io。 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 80( ) 50 o n 20 200 E V T t Uo =  = = 5( ) 10 o - m 80 30 A R U E I o = − = =

5.1.1降压斩波电路 ■例5-2在图5-1a所示的降压新波电路中，E=100V,L=1mlH,R=0.52, Em=10V,采用脉宽调制控制方式，T=20μs,当t=5s时，计算输出电压平均 值U。,输出电流平均值I。,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： EM 10 m= =0.1 E 100 L0.001 T 0.002 R 0.5 当tom=5s时，有 T p==0.01 T p=0.0025 由于 e即-1 e025-1 =0.249>m ep-1 e0.01-1 所以输出电流连续。 机械电气工程学院电气教研室 10/44 电力电子技术

10/44 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=0.5Ω， Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均 值Uo，输出电流平均值Io，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： 0.1 100 10 M = = = E E m 0.002 0.5 0.001 = = = R L  当ton=5s时，有 = = 0.01   T  = 0.0025 由于 m e e e e =  − − = − − 0.249 1 1 1 1 0.01 0.0025   所以输出电流连续