DC-DC电路转换原理含计算方式文档

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? ?? ?
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
3.1.1 降压斩波电路
? 斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机， 也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出 现反电动势，如图中E 所示 。
M
?降压斩波电路工作原理 ? 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时刻控制 V关断，负载电流经二极管 VD 续流，负载电压 uo近似为零，负载电流呈指 数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小 通常使串接的电感L值较大 。 ? 也称为Buck变换器
流—交流—直流。 ? 广泛应用于直流牵引的变速拖动（使用直流电源时）。
?直流斩波电路的种类：
? 三种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩 波电路；
? 复合斩波电路——不同基本斩波电路组合； ? 多相多重斩波电路 ——相同结构基本斩波电路的组合，可以工
作在两个或四个象限。
第三章 第 13 页
图3-1 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
第三章 第 18 页
3.1.1 降压斩波电路
即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态 时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。 由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出(主要是根据充放电曲线）：
L d i1 dt
?
Ri1
?
EM
?
E
（3-3）
图3-1 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）电流第断三续章时第的1波7 形页
3.1.1 降压斩波电路
设此阶段电流初值为I10，?=L/R，解上式得：
i1
?
-t
I10 e ?
?
E
- EM R
?
-t
??1 - e ?
?
??? ?
电源电流平均值为I ，则有 1
I1 ?
t on T
Io ? ? Io
（3-14）
其值小于等于负载电流Io，由上式得: EI1=U0I0
（3-15）
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。
第三章 第 20 页
3.1.1 降压斩波电路
m? EM / E
t1
/?
?
? ?
t1
?T
? ? ?
第三章 第 27 页
3.1.2 升压斩波电路
? 电路分析
V 处 于 通 态 时 ， 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i1， 得 下 式
L
d i1 dt
?
Ri 1
?
EM
（3-27）
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i1的初值为I10，解上式得
i1
?
-t
I10e ?
?
EM R
?
-t
??1- e ?
波形
uo R
t t
第三章 第 23 页
3.1.2 升压斩波电路
Uo
?
ton ? toff toff
E
?
T toff
E
（3-21）
称之T为/tobff oo≥st1变输换出器电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也
节中T介/to绍ff —的—改升变导压通比比，α调的节方其法大类小似即。可将改升变压U比o大的小倒，数调记节作方β ，法即与 3.1.1
?注 意 ： 直流电 源侧 电流不连续。
图3-1 降压斩波电 路的原理图及波形
a）电路图 b）输 出电流连续时的波 形 c）输出电流断
续时的波形
第三章 第 15 页
3.1.1 降压斩波电路
? 基本数量关系
? 电流连续时，负载电压平均值
Uo
?
ton ton ? toff
E?
ton T
E??E
（3-1）
I20
I10
a） 电路图 b） 电流连续时
O
ton
toff
t
c） 电流断续时
T b)
O
t
io
i1
i2
I20
O
ton
t1 tx t2
t
toff
T
c)
第三章 第 26 页
3.1.2 升压斩波电路
? 用于直流电动机传动时 ? 通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源； ? 实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电 路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态； ? 此时电机的反电动势相当于图 3-2电路中的电源，而此时的直流 电源相当于图 3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是 恒定的，因此不必并联电容器。
图3-1 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 第三章 第 14 页
?工作原理
?t=0 时刻驱动 V导通，
电源E向负载供电，负 载 流i电o按压指u数o=曲E，线负上载升电；
?t=t1时刻控制 V关断， 负载电流经二极管 VD 续流，负载电压 uo 近 似为零，负载电流呈 指数曲线下降。为了 使负载电流连续且脉 动小通常使串接的电 感L值较大。
? 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。
? 根 据 电 路 结 构 并 结 合 式 （ 3 - 2 3 ） 得 出 输 出 电 流 的 平 均 值 Io 为
Io
?
Uo R
?
1 ?
E R
（3-25)
? 由式（3-24）即可得出电源电流I1为：
I1
?
Uo E
Io
?
1
?2
E R
电力变换
常见的电力变换种类
第三章 第 1 页
CLASSIFY COMPARE
第三章 第 2 页
COMPARE
第三章 第 3 页
BUCK
第三章 第 4 页
BOOST
第三章 第 5 页
BUCK/BOOST
第三章 第 6 页
HALF-FORWARD
第三章 第 7 页
FLYBACK
第三章 第 8 页
第三章 第 24 页
3.1.2 升压斩波电路
? 以上分析中，认为 V通态期间因电容 C的作用使得输出电压 Uo不变，但 实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电， Uo必然会有所下降， 故实际输出电压会略低；
? 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，即
EI1 ? U o Io
（3-24）
? ? t off
T
。 β 和导通占空比α 有如下关系：
? ?? ?1
（3-22）
因此，式（3-21）可表示为
Uo ?
1E? 1 ? 1-?
E
（实际上，同学们只需记忆α即可）
? 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：
? 一是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。
（3-23）
o
o
设V通的时间为ton，此阶段
iG
a)
L上积蓄的能量为 EI1ton
? V断时，E和L共同向C充电 并向负载R供电。设V断的 时间为t ，则此期间电感L
off
释放能量为 ? ? U o - E I1toff
? 稳态时，一个周期T中L积蓄 能量与释放能量相等。
O io
I1 O
b)
图3-2 升压斩波电路及其工作
3.1.1 降压斩波电路
? 斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值 进行调制的方式不同而划分）
1. T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） 2. ton不变，变T —频率调制 3. ton和T都可调，改变占空比—混合型
? 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路 进行解析：
V通态期间，设负载电流为 i1，可列出如下 方程：
E?
T t off
E
（3-21）
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路
第三章 第 22 页
3.1.2 升压斩波电路
?工作原理 ? 假设L值很大，C值也很大 ；
L
VD
i1
io
? V通时，E向L充电，充电电 流恒为I ，同时C的电压向
1
负载供电，因C值很大，输
E
V
C
iG
出电压u 为恒值，记为U 。
（ ??T/?；?=L/R）
对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。
在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管 VD即 关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为：
Uo
?
tonE?
(T
-ton T
-tx )EM
?
????
?
??1?
ton ? T
tx
???m???E
（3-18）
I10
?
? ?? ?
et1 eT
/? /?
--11????
E R
-
EM R
?
????ee???
-1-1
? m???
E R
（3-9）
I 20
?
????11
-
e- t1 /? e-T /?
??? ?
E R
-
EM R
?
??? ?
1 - e-?? 1- e-?
-
m
??? ?
E R
（3-10）
式中: ? ?T/?
? 在整个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 ?RI o2T ? ? EMIoT ；