第3章 直流-直流变流电路

Cuk斩波电路
电路工作稳定条件下，S通时，Ud—L—S—Ud回路和C1—S—R— L1—C1回路有电流。
S断时，Ud—L—C1—VD—Ud回路和L1—VD—R—L1回路有电流。
输出电压的极性与电源电压极性相反。
L
iL Ud
C1
L1
iL1
L
iL
C1
L1
iL1
S
VD
C
Uo
R
Ud
S
VD
C
Uo
R
a)
b)
直流斩波电路种类
6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。
第3章 直流-直流变流电路· 引言
• 直流电源电压-脉冲电压
• 基本斩波电路不能实现幅值和极性变换 • 由电力电子开关和储能元件构成的斩波器可以实现上述 目标。 • 为了简化分析，斩波器元件具有理想特性，即储能元件 足够大（L、C）；电力电子开关元件为理想开关特性。
机车等。
采用DC/DC变换器，可实现无级调速，比变阻器调 速方式节省电能20-30％。
采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控
整流，以提高变流装置的输入功率因数、减少网侧 电流谐波并提高系统动态响应速度。
第3章 直流-直流变流电路· 引言
直流-直流变流电路（DC-DC Converter）
将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 包括直流--直流变换器（DC/DC Chopper，直流斩 波电路）和直流—交流—直流电路（直-交-直电路 或带隔离的直流-直流变流电路）。
iL
ton
toff
电感足够大时，负载电流波形平直，设 电源电流平均值为Id，负载电流平均值 为I0，则： t
0
I L Io DTS U d U o U o TS
Id
on
Ts
I 0 DI 0
0 uL 0
t
t
U d I d U d DI 0 U 0 I 0
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
di uL L L U d U o dt
1 D Uo I L U oTS D L Ud 电感电流临界连续时的电流均值为：
0 iL 0 uL 0
U d U o U o I L Io DTS TS
1 D IL U oTS 2L
t
t
电感电流连续的临界条件为： U 1 D Io o I L L RTS 图3- 降压电路电流临界连续工作 R 2 模式下的工作波形 判断降压型电路中电感电流连续与否的临界条件。
图3- 降压电路电流临界连续工作 模式下的工作波形
3.1.1
降压斩波电路
如何选择LC？
3.1.1
1 IL TS
降压斩波电路
电感电流断续工作模式：

TS
0
iL (t )dt
1 1 1 ( I LTS ) I L TS 2 2
U Uo I L d DTS L
Sg
ton toff
TS
t
t
U d U o
3.1.2
升压斩波电路
主电路 升压斩波电路板 PWM脉冲 产生电路
快恢复续流 二极管
MOSFE T 散热器
调节PWM占 空比
3.1.2
升压斩波电路
a≈0.1 a≈0.2
a≈0.4
a≈0.6
3.1.2 升压斩波电路
2) 升压斩波电路典型应用
一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正（PFC）电路
用于直流电动机传动
再生制动时把电能回馈 给直流电源。 电动机电枢电流连续和 断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是 恒定的，不必并联电容 器。 图5-3 动画演示。
a) uo E uo E
O i
t i1 I 10 i2
O io i1 i2 I 20 t1 t x toff c) t2
t
I 20
toff T b)
I 10 t O ton
O
t on
t
T
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 b） 电流连续时 c） 电流断续时
3.1.3升降压斩波电路
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构
利用“电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零” 的规律可得 输出与输入反极性 Uo D 0＜D＜1/2，降压 U d ton U otoff 1 T U L uL dt 0 Ud 1 D 0 Ts Ts 1/2＜D＜1，升压
3.1.2
升压斩波电路
升压斩波电路（Boost Chopper）
1) 升压斩波电路的基本原理
电路结构
iL
储存电能
L
id
Sg
VD
io
ton
toff
Ud
uS
S
C
Uo
0 uS
Uo
t t
R
0 iL 0 iS
t
t t
S导通时，L储能；电容给负载供电； 0 io S关断时，L释放能量，电源与uL一起给电容充电， 0 并给负载供电。 t t t
Uo D ，输出电压|Uo|＞DUd /(1-D)，产 Ud 1 D
生uL的时间<toff,且负载电流越小，| Uo |越高。输出空载时， | Uo |→∞，故Cuk型电路 不应空载，否则会产生很高的电压
而损坏电路中的元器件。
L
iL Ud uS
C1
VD
S
uS
C1
L1
iL1
S L1
iL1
C
Uo
电阻分压 缺点：电阻
损耗及发热
严重。
电力电子技术的方法： 有多种方案，其中最基 本的是降压斩波电路。
3.1.1
降压斩波电路
降压斩波电路（Buck Chopper)
用于将直流电源电压转换为低于其值的直流电压，并实现电能传递。 为实现电压变换和适应不同负载情况，在基本斩波电路之间加入电感L 全控型器件 和续流二极管VD，形成直流通道，起滤波作用。
图3-14 Cuk电路电流连续工作时的电路 状态 a) 电路状态1 (S通) b) 电路状态2 (S断)
3.1.4 Cuk斩波电路
数量关系
设两个电感电流都连续，分别计算电感L和L1的两端电 压在一个开关周期内的平均值为：
U L U d D (U d U C1 )(1 D) 0 U L1 (U C1 U o ) D U o (1 D) 0
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，又可再生制动。
降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。
Ud iL
L
id
VD
io
uS
S
C
Uo
R
Uo 1 Ud 1 D
U o D(1 D)TS I L L
2
Sg
ton toff
0
电感电流临界连续时VD的电流均值为：
iL
I L Io DTS
d
U D(1 D) TS 0 1 I L (1 D) o uL 2 2L U 0 电感电流连续的临界条件为： 2 Uo D (1 D ) Io ID L RTS R 2 判断升压型电路中电感电流连续与否的临界条件。 I D I L (1 D)
0
Uo 1 Ud 1 D
升压
升压斩波电路之所以能 io 够升压的原因：一是电 0 t t0 t1 t2 感L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。
3.1.2 升压斩波电路
3）电感电流断续工作模式：
二极管VD电流的开关周期平均值ID等于 负载电流平均值Io。
uL L diL I L L U d (电感电流上升段) dt DTS
3.1.1
数量关系
降压斩波电路
电流连续
ton ton Uo E E DE ton toff T
负载电流平均值：
U o EM Io R
负载电压平均值：
（5-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 D--导通占空比
（5-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
3.1.1
0 1 2
3.1.2 升压斩波电路
2) 升压斩波电路的输入输出关系
iL
L
id
VD
io
Sg
ton toff
Ud
uS
S
C
Uo
R
0 uS 0 iL 0 iS
Uo
t t
t
t
电感L在一个开关周期T上的平均感应电压为 0，因此： 0
1 UL TS

TS
0
uLU dtL
U d ton (U o U d )toff TS
第3章 直流-直流变流电路
3.1.1 基本斩波电路 3.1.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.2 带隔离的直流直流变流电路
第3章 直流-直流变换电路· 引言
直流-直流变换电路（DC-DC Converter）
将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。
广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电 源等方面。特别是在电力牵引方面，如地铁、电气
R
L
Ud
iL
VD
C
Uo
R
Sepic斩波电路
Zeta斩波电路
3.1.2复合斩波电路和多相多重斩波电路