电力电子技术第五版课件 第5章 直流直流变流电路

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 min
EI o t on = RI o2 T + E m I o T
(5-12)
则
Io =
假设电源电流平均值为I 假设电源电流平均值为I1，则有
αE E m
R
(5-13)
I1 =
ton I o = αI o T
(5-14)
其值小于等于负载电流I 其值小于等于负载电流 o，由上式得
EI 1 = αEI o = U o I o
5
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， 分时段线性电路这一思想 处于通态和处于断态两个过程来分析， ◆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， 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 断续。 电流连续和 初始条件分电流连续和断续。 ◆电流连续时得出
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
EI1 = U o I o
输出电流的平均值Io为 输出电流的平均值 电源电流I1为 电源电流
(5-24) (5-25)
Uo 1 E Io = = R β R
Uo 1 E I1 = Io = 2 E β R
(5-26)
13
5.1.2 升压斩波电路
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中， ■例5-3 在图 所示的升压斩波电路中 已知E=50V，L 值和C值极大 值极大， 采用脉宽调制控制方式， 值和 值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当 T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值 o，输出电 ， 时 计算输出电压平均值U 流平均值I 流平均值 o。 解：输出电压平均值为： 输出电压平均值为：
EI 1t on = (U o E )I 1t off
(5-20)
a)
iGE
0
io
I1
0
化简得
Uo = ton + toff toff T E= E toff
(5-21)
b)
上式中的 T / to形 a）电路图 b）波形 ） ） 12
5.1.2 升压斩波电路
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
(5-22)
α + β =1
式（5-21）可表示为 ）
Uo =
1
β
E=
1 E 1α
(5-23)
输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是 储能之后具有使电压泵升 的作用，二是电容C可将输出电压保持住 可将输出电压保持住。 的作用，二是电容 可将输出电压保持住。 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗 消耗， 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载 消耗，即
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)
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
2
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
3
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。
(5-10)
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，
ρ = T /τ， = Em / E，1 /τ = 1 = αρ，I10和I20分别是负 t m 式中， 式中， = L / R ， τ T τ
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
6
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， ◆(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 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)
7
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
(5-19)
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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=10 ，L 在图 所示的降压斩波电路中，已知 所示的降压斩波电路中 值极大， 计算输出电压平均值U 值极大，Em=30V，T=50s，ton=20s,计算输出电压平均值 o，输 计算输出电压平均值 出电流平均值I 出电流平均值 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
τ= =
当ton=5s时，有 时
L 0.001 = 0.002 R 0.5
ρ = = 0.01 τ αρ = 0.0025
T
由于
eαρ 1 e0.00251 = = 0.249> m eρ 1 e0.01 1
10
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
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=20s，当ton=5s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