ch5 直流-直流變流電路電力電子

1、第五章第五章 直流直流-直流變流電路直流變流電路12022-7-42022-7-42直流直流-直流變流電路直流變流電路 引言引言直流直流-直流變流電路（直流變流電路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流變流電路直接直流變流電路和和間接直流間接直流變流電路。變流電路。直接直流變流電路直接直流變流電路 也稱斬波電路也稱斬波電路（DC Chopper）。）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。

2、不隔離。間接直流變流電路間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直直交交直直電路。電路。2022-7-43直流直流-直流變流電路直流變流電路 內(nèi)容內(nèi)容n5.1 基本斬波電路基本斬波電路n5.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐穘5.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路2022-7-445.1 基本斬波電路基本斬波電路n5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路n5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路n

3、5.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路n5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路2022-7-455.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 降壓斬波電路（降壓斬波電路（Buck Chopper) 電路分析電路分析使用一個(gè)使用一個(gè)全控型器件全控型器件V，圖中為圖中為IGBT， 若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電斷的輔助電 路。路。設(shè)置了設(shè)置了續(xù)流二極管續(xù)流二極管VD，在在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，主要用于電子

4、電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況后兩種情況 下負(fù)載中下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中如圖中Em所示。所示。2022-7-465.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路c) 電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEmuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖 電路分析電路分析 t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，導(dǎo)通，電源電源E向負(fù)載供電，向負(fù)載供電，負(fù)載電壓負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流負(fù)載電流io按指數(shù)曲線按指數(shù)曲線上升

5、。上升。 t=t1時(shí)控制時(shí)控制V關(guān)斷，關(guān)斷，二極管二極管VD續(xù)流，負(fù)續(xù)流，負(fù)載電壓載電壓uo近似為零，近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。線下降。 通常通常串接較大電感串接較大電感L使負(fù)載使負(fù)載電流連續(xù)且電流連續(xù)且脈動(dòng)小。脈動(dòng)小。2022-7-475.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路基本的基本的數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù)時(shí)電流連續(xù)時(shí) 負(fù)載電壓的平均值為：負(fù)載電壓的平均值為：ttUEEEttTononoonoff式中：式中：ton 為為V處于通態(tài)的時(shí)間，處于通態(tài)的時(shí)間，toff 為為V處于斷態(tài)的時(shí)間，處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)為開關(guān)周期，周期，為導(dǎo)通為導(dǎo)通占空比，占空比，簡(jiǎn)稱占空比或

6、導(dǎo)通比。簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取ｋ娏鲾嗬m(xù)時(shí)，負(fù)載電壓電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo 平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。情況。負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流平均值為:mUEIRoo2022-7-485.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 斬波電路有三種控制方式斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）：）：T不變，改變不變，改變ton 。 頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：ton 不變，改變不變，改變T。 混合型：混合型：ton 和和T都可調(diào)，改變占空比。都可調(diào)，改變占空比。應(yīng)用最多應(yīng)用最多2022-7-495.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路對(duì)降壓斬波電路

7、進(jìn)行解析對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析 基于基于分時(shí)段線性電路分時(shí)段線性電路這一思想，按這一思想，按V處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài)兩個(gè)過(guò)程來(lái)分析，兩個(gè)過(guò)程來(lái)分析，初始條件分初始條件分電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)。 電流連續(xù)時(shí)得出電流連續(xù)時(shí)得出11/10/20/11111111tmTtmTEeEeEImeRReREeEeEImeRReR111020T/=T/TmtL RmEEtII，；和式中：式中：分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值最小值和和最大值。最大值。用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得：用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得：10200()m EIIIR平波電抗器平波電抗器L為無(wú)窮大，為無(wú)窮大，此時(shí)負(fù)載電

8、流此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。最大值、最小值均等于平均值。2022-7-4105.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析 從從能量傳遞關(guān)系能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得，一個(gè)周期中，簡(jiǎn)單地推得，一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，忽略電路中的損耗，則則電源提供電源提供的能量的能量與與負(fù)載消耗的能量相等，負(fù)載消耗的能量相等，即：即：2mEI tRI TE I To onoo則：則：mEEIRo假設(shè)假設(shè)電源電流平均值為電源電流平均值為I1 ，則有：，則有：1tIIITonoo其值小于等于負(fù)載電流其值小于等于負(fù)載電流Io ，由上式得：，由上式得：即即輸出功率等于輸

9、入功率，輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。直流降壓變壓器。1EIEIU Iooo2022-7-4115.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析 電流斷續(xù)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)I10=0，且且t=tx時(shí)，時(shí)，i2=0，可以得出：可以得出：1 (1)lnm etmx電流斷續(xù)時(shí)：電流斷續(xù)時(shí)：tx 1，輸出電壓高于電源電壓，輸出電壓高于電源電壓，故為故為升壓斬波電路。升壓斬波電路。 T/toff：升壓比；升壓比；升壓比的倒數(shù)記作升壓比的倒數(shù)記作b b ，即：即：offtTbb b 和和 的關(guān)系：的關(guān)系：1b2022-7-4145.1.

10、2 升壓斬波電路升壓斬波電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系11=1onoffooffoffttTUEEEEttb 輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因： 一是一是L儲(chǔ)能儲(chǔ)能之后具有使之后具有使電壓泵升電壓泵升的作用，的作用， 二是二是電容電容C可將輸出電壓可將輸出電壓保持穩(wěn)定保持穩(wěn)定。如果如果忽略電路中的損耗忽略電路中的損耗，則由，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗消耗，即，即 ：與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器直流變壓器。輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為：為：電源電流的平均值電

11、源電流的平均值I1為：為：1EIU Ioo1UEIRRboo121UEIIERboo2022-7-4155.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路典型應(yīng)用典型應(yīng)用 一是用于一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)； 二是用作二是用作單相功率因數(shù)校正單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路；）電路； 三是用于其他三是用于其他交直流電源交直流電源中。中。 以用于以用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)為例為例 在直流電動(dòng)機(jī)在直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。時(shí)把電能回饋給直流電源。 電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)。 直

12、流電源的直流電源的電壓基本是恒定電壓基本是恒定的，的， 不必并聯(lián)電容器。不必并聯(lián)電容器。2022-7-4165.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路a)tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20ttTEiOOb)i1i2I10I20I10tontoffuo用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖電路圖 b） 電流連續(xù)時(shí)電流連續(xù)時(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)2022-7-4175.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系當(dāng)當(dāng)V處于處于通態(tài)通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為電樞電流為i1，得下式：，得下式

13、：11mddiLRiEt當(dāng)當(dāng)V處于處于斷態(tài)斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為電樞電流為i2，得下式：，得下式：22ddmiLRiEEt當(dāng)當(dāng)電流連續(xù)電流連續(xù)時(shí)，考慮到初始條件，近似時(shí)，考慮到初始條件，近似L無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即：，即：moEEEImRRbb該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了可將直流電源電壓看作是被降低到了 。Eb2022-7-4185.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，可求得當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，可求得i2持續(xù)的持續(xù)的時(shí)間時(shí)間tx，即：，即：用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的

14、升壓用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形斬波電路及其波形mmett11lnonxbeem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20當(dāng)tx t0ff 時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)， tx t0ff是電流斷續(xù)的條件，即：是電流斷續(xù)的條件，即：2022-7-4195.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper)a)otb)oti1i2tontoffILIL升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形工作原理工作原理 V

15、導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，電源電源E經(jīng)經(jīng)V向向L供電使其貯能，供電使其貯能，此時(shí)電流為此時(shí)電流為i1 ，同時(shí)，同時(shí)C維持輸出電壓恒定并向維持輸出電壓恒定并向負(fù)載負(fù)載R供電。供電。 V關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，的能量向負(fù)載釋放， 電流為電流為i2 ，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極與電源電壓極性相反，性相反，該電路也稱作該電路也稱作反極性反極性 斬波電路。斬波電路。2022-7-4205.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感內(nèi)電感L兩端電壓兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，對(duì)時(shí)間

16、的積分為零，即即Ttu0L0d所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffonoV處于通態(tài)處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)處于斷態(tài)uL = - uoonooffE tU t2022-7-4215.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路1ononooffonttUEEEtTt改變導(dǎo)通比改變導(dǎo)通比 ，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)當(dāng)01/2時(shí)為降壓，當(dāng)時(shí)為降壓，當(dāng)1/21時(shí)為升壓，因此將該電路稱作時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓升降壓斬波電路。斬波電路。 電源電流電源電流i1和負(fù)載電流

17、和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和和I2，當(dāng)，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：有：12onofftIIt2111offontIIIt12EIU Io輸出功率和輸入功率相等，可看作輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。直流變壓器。2022-7-4225.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路Cuk斬波電路斬波電路Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路工作原理工作原理 V導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，EL1 V回路和回路和RL2 CV回路分別流過(guò)電流?；芈贩謩e流過(guò)電流。 V關(guān)斷時(shí)，關(guān)

18、斷時(shí)，EL1 CVD回路和回路和RL2 VD回路分別流過(guò)電流。回路分別流過(guò)電流。 輸出電壓的極性與電源電壓輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。極性相反。 電路相當(dāng)于開關(guān)電路相當(dāng)于開關(guān)S在在A、B兩點(diǎn)兩點(diǎn)之間之間交替切換。交替切換。2022-7-4235.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，即：的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，即：0d0Tit C與升降壓斬波電路相比，與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個(gè)明顯的斬波電路有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：其輸入電源電其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，

19、有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。 V處于處于通態(tài)的時(shí)間通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。 V處于處于斷態(tài)的時(shí)間斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得：由此可得：21onoffI tI t211offononontTtIItt由由L1 和和L2 的電壓平均值為零，可得出輸出電壓的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo 與電源電壓與電源電壓E的關(guān)系：的關(guān)系：1ononooffonttUEEEtTt2022-7-4245.1.4 Sepic

20、斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Sepic斬波電路斬波電路Sepic斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V通態(tài)，通態(tài)，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和和L2貯能。貯能。 V斷態(tài)，斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載負(fù)載回路及回路及L2VD負(fù)載負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移）。 輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系1ononooffonttUEEEtTt2022-7-4255.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電

21、路斬波電路Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路原理斬波電路原理 工作原理工作原理 V處于處于通態(tài)期間通態(tài)期間，電源，電源E經(jīng)開關(guān)經(jīng)開關(guān)V向電感向電感L1貯能。貯能。 V關(guān)斷后，關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路，構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部，能量全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移至C1上之后，上之后，VD關(guān)斷，關(guān)斷，C1經(jīng)經(jīng)L2向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。 輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系1UEo2022-7-4265.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路兩種電路具有兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系相同的輸入輸出關(guān)系 Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)載電流斷續(xù)，電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波有利于輸入濾波 Zeta電路的電源電流斷續(xù)而電路的電