电力电子技术第五版-第5章 直流直流变流电路

(5-9)
(5-10)பைடு நூலகம்
T τ 载电流瞬时值的最小值和最大值。 载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（ ）和式（ 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 ）用泰勒级数近似，
t T t τ = L / R ，ρ = T /τ， = Em / E，1 /τ = 1 ⋅ = αρ，I10和I20分别是负 m 式中， 式中，
U o - E M 25 − 10 = = 30( A) R 0.5 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为 Io =
I max
E 1 − e −0.0025 100 1 − e −αρ = − m = − 0.1 1 − e− ρ R 1 − e − 0.01 0.5 = 30.19( A)
I 10 I 20
e t1 / τ − 1 E E m e αρ − 1 E − = T /τ = ρ − m e −1 R e R −1 R 1 − e −t1 / τ E E m 1 − e −αρ E − = = − m −T / τ −ρ R R R 1− e 1− e
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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 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 斩波电路和 斩波电路
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5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper） 降压斩波电路（ ） ◆电路分析 使用一个全控型器件 全控型器件V，图中为IGBT， ☞使用一个全控型器件 ，图中为 ， 若采用晶闸管， 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 续流二极管VD， ☞设置了续流二极管 ，在V关断时给负 关断时给负 载中电感电流提供通道。 载中电感电流提供通道。 主要用于电子电路的供电电源， ☞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， 动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况 反电动势， 下负载中均会出现反电动势 如图中E 所示。 下负载中均会出现反电动势，如图中 m所示。 ◆工作原理 时刻驱动V导通 向负载供电， ☞ t=0时刻驱动 导通，电源 向负载供电， 时刻驱动 导通，电源E向负载供电 负载电压u 负载电压 o=E，负载电流 o按指数曲线上升。 ，负载电流i 按指数曲线上升。 时控制V关断 二极管VD续流 关断， 续流， ☞ t=t1时控制 关断，二极管 续流，负 载电压u 近似为零，负载电流呈指数曲线下降， 载电压 o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 使负载电流连续且脉动小。 通常串接较大电感 使负载电流连续且脉动小。
电流断续时， 电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为
(5-16)
eαρ − 1 m> ρ e −1
输出电压平均值为
(5-17)
Uo =
t on E + (T − t on − t x ) Em t on + t x = α + 1 − m E T T
I10 ≈ I 20 ≈
(α − m)E = I
R
o
(5-11)
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。 平波电抗器 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
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5.1.1 降压斩波电路
所示的关系还可从能量传递关系简单地推得， ◆(5-11)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 所示的关系还可从能量传递关系简单地推得 一个周期中， 中的损耗， 电源提供的能量与负载消耗的能量相等， 中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即
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。 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。
(5-15)
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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 电流断续时有 ， ，
1 − (1 − m )e −αρ t x = τ ln m
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
直流变流电路（ ■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流 直流 直流变流电路 ）包括直接直流 变流电路和间接直流变流电路。 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 斩波电路（ ◆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， ◆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。 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 交流环节。 ◆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， ◆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 直电路。 因此也称为直 交—直电路。
τ= =
当ton=5µs时，有 时
L 0.001 = 0.002 R 0.5
ρ = = 0.01 τ αρ = 0.0025
T
由于
eαρ −1 e0.0025−1 = = 0.249> m eρ −1 e0.01 −1
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所以输出电流连续。 所以输出电流连续。
5.1.1 降压斩波电路
此时输出平均电压为 t 100 × 5 U o = on E = = 25 (V ) T 20 输出平均电流为
(5-18)
负载电流平均值为
t on + t x 1 t on t + t E U − Em I o = ∫ i1 d t + ∫ i2 d t = α − on x m = o t on T 0 T R R
(5-19)
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5.1.1 降压斩波电路
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， ■例5-1 在图 所示的降压斩波电路中 已知E=200V，R=10 ，L值 值 极大， 计算输出电压平均值U 极大，Em=30V，T=50µs，ton=20µs,计算输出电压平均值 o，输出电 计算输出电压平均值 流平均值I 流平均值 o。 由于L值极大 故负载电流连续， 值极大， 解：由于 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
式中， 处于通态的时间， 处于断态的时间， 为开关周期 为开关周期， 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， 处于通态的时间 处于断态的时间 α为导通占空比，简称占空比或导通比。 为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为 负载电流平均值为 U o − Em (5-2) Io = R 电流断续时，负载电压u 平均值会被抬高， ☞电流断续时，负载电压 o平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的 情况。 情况。 ◆斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（ 不变， ☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变 on。 ） 不变 改变t 频率调制： 不变，改变T。 ☞频率调制：ton不变，改变 。 混合型： 都可调， ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比 都可调
ton 20 × 200 Uo = E= = 80(V ) T 50
输出电流平均值为
Io =
U o - E m 80 − 30 = = 5( A) R 10
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5.1.1 降压斩波电路
在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5 ， 所示的降压斩波电路中， ■例5-2 在图 所示的降压斩波电路中 Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20µs，当ton=5µs时，计算输出电压平均 采用脉宽调制控制方式， 时 输出电流平均值I 值Uo，输出电流平均值 o，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。 流是否连续。 由题目已知条件可得： 解：由题目已知条件可得： E 10 m= M = = 0.1 E 100
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 ）
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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 负载电压的平均值为
Uo =
t on t E = on E = α E t on + t off T
(5-1)
I min
E e0.0025 − 1 100 eαρ − 1 = ρ − m = 0.01 − 0.1 e −1 R e −1 0.5 = 29.81( A)
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5.1.2 升压斩波电路
■升压斩波电路 ◆工作原理 假设L和 值很大 值很大。 ☞假设 和C值很大。 处于通态 向电感L充电 ☞ V处于通态时，电源 向电感 充电，电流 处于通态时 电源E向电感 充电， 恒定I 电容C向负载 供电，输出电压U 恒定。 向负载R供电 恒定 1，电容 向负载 供电，输出电压 o恒定。 处于断态 和电感L同时向电容 ☞ V处于断态时，电源 和电感 同时向电容 处于断态时 电源E和电感 C充电，并向负载提供能量。 充电， 充电 并向负载提供能量。 ◆基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期T中电感 中电感L ☞当电路工作于稳态时，一个周期 中电感 积蓄的能量与释放的能量相等， 积蓄的能量与释放的能量相等，即
将升压比的倒数记作β， ☞将升压比的倒数记作 ，即 β =
t off T
，则β和导通占空比α有如下关系