电力电子技术第五章

- eL +
a) 电路图
b)电流连续时的波形
降压斩波电路的原理图及波形
c) 电流断续时的波形
■ 数量关系（电流连续时） ◆负载电压的平均值为
t on t on Uo E E E t on t off T
◆负载电流平均值： I U o E m o R
ton I1 I o I o T
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 n 1. 电流可逆斩波电路 第II象限 正向制动 反向电动 第III象限 直流发电机—电动机系统 直流电机四象限运行 第I象限 正向电动 Id 反向制动 第IV象限
I min
E e0.0025 1 100 e 1 m 0 . 1 e 1 R e0.01 1 0.5 29.81( A)
5.1.2 升压斩波电路
1.升压斩波电路的结构 升压变换电路的设计思路
■ 升压斩波器的电路结构 储存电能 规定电能传 递的方向
Io Vo 1 V S R R
■ 电源电流的平均值IL为：
Vo 1 VS IL Io 2 E R
■ 例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L 值和C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Uo，输出电流 平均值Io。 解：输出电压平均值为：
电力电子技术 Power Electronics
苏鹭梅 sulumei@xmut.edu.cn 教3#，202室
第5章 直流-直流变流电路
■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 ◆包括直接直流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（DC Chopper）。 ◆直接将直流电变为另一直流电，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。 ◆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。
例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输 出电压平均值Uo，输出电流平均值Io 。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均 值为 ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50 输出电流平均值为
■直流变流电路的种类 ◆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 ◆组合斩波电路——不同（相同）结构基本斩波电路组合 ◆带隔离变压器的直流—直流变换器(开关电源的基础)。 ■学习方法 ◆电路构成的思路，工作原理和波形，数量关系和计算
Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25
输出电流平均值为：
U o 133.3 Io 6.667( A) R 20
4.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 ■三是用于其他交直流电源中。 ■ 以用于直流电动机传动为例 ◆ 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。
负载出 现的反 电动势
续流二极管 ■ 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
2.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时控制V关断，电感上产生 的自感电势eL>EM,使二极管VD导 通续流，负载电压uo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。 ■电感作用：在V关断时利用其储 存的电能维持负载电流的连续。
◆ 当0<α <1/2时为降压，当1/2<α <1时为升压
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 n 1. 电流可逆斩波电路 第II象限 正向制动 反向电动 第III象限 直流发电机—电动机系统 直流电机四象限运行 第I象限 正向电动 Te 反向制动 第IV象限
E E m 1 e m R R 1 e
其中 L / R T / m Em / E I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 ■电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为 e 1 m e 1
ton——V通态的时间，toff——V断态的时间，b)电流连续时的波形 ——导通占空比，
L为无穷大时，负载电流维持为Io不变
EI 1 EI o U o I o
◆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。 ` ◆变压比： M U o E ■ 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
I o m E E E m R R
◆ 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压 源自文库作是被降低到了 βE。
5. 其它基本斩波电路 升降压斩波电路 (Buck -Boost) Cuk斩波电路(Boost－Buck)
t on t on U E E E 输出电压为： o t T t on 1 off
反向电动 直流发电机—电动机系统
直流电机四象限运行
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 n 1. 电流可逆斩波电路 第II象限 EG < EM P 升压电路 正向制动 第I象限 正向电动 Id 反向制动 第IV象限 第III象限
反向电动 直流发电机—电动机系统
直流电机四象限运行
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 1. 电流可逆斩波电路 ◆ 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。 ◆ 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 n 1. 电流可逆斩波电路 第II象限 EG >EM P 降压电路 正向制动 第I象限 正向电动 Id 反向制动 第IV象限 第III象限
u
a)
o
E
u
o
E
O i i
1
O i i
2 o
t
t
i I I O
10 20
1
i I
20
2
I t
off
10
t
O
on
b)
T
t
t
on
t T
1
t
x
t
off
2
t
t
c)
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
■ 数量关系 ◆ 当电流连续，且L无穷大时，电枢电流的平均值Io
VS I L t on (Vo VS ) I L t off
化简得： Vo
t on t off t off
T VS VS t off
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
Vo
■ 升压比 升压比
t on t off t off
T VS VS t off
5.1.1 降压斩波电路
1.降压斩波电路的电路结构 ■降压电路的设计思路
(1)电阻分压
(2)晶体管放大电路调压
缺点：分压电阻上损耗大， 电阻值调节不方便
缺点：晶体管上损耗大， 电路效率低。
优点：变换效率高， 附加电感，减小负载电 流脉动 二极管作用：提供电感 中电流的续流回路
■ 降压斩波电路电路结构（Buck Chopper) 全控型器件
保持输出电压
2.升压斩波电路工作原理
T处于通态时，电源VS向电感L充电， 电容C向负载R供电。
T处于断态时，电源VS和电感L同时向 电容C充电，并向负载提供能量。 理想Boost变换器的开关状态和工作波形 (e)电感电流连续时波形图
3. 升压斩波电路的基本数量关系 ■ 输出电压 ◆ 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 VS I L t on ◆ 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 (Vo VS ) I L t off ◆ 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
t on t on Uo E E E t on t off T
■斩波电路有三种控制方式 ◆ 脉冲宽度调制（PWM）：T 不变，改变ton 。 ◆ 频率调制：ton 不变，改变T。 ◆ 混合型：ton 和T 都可调，改变占空比。 PWM（脉冲宽度调制）控制是DC/DC电路中最常用的控制方法
Io U o - E m 80 30 5( A) R 10
■ 例 5-2 在 图 5-1a 所 示 的 降 压 斩 波 电 路 中 ， E=100V ， L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式， T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电 流平均值Io，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。 解：由题目已知条件可得：
M T / t off
升压比的倒数记作β ，即
t off T
t on β 和α 的关系 T
1
1
1 VS 因此，输出电压可表示为 Vo VS 1
■ 电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C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，即 ： VS I L Vo I o 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流升压变压器。 ■ 输出电流的平均值Io为：
EM 10 0.1 E 100 L 0.001 0.002 R 0.5 m
当ton=5s时，有
T
e 1 e0.00251 0.01 0.249 m 由于 e 1 e 1
所以输出电流连续。

0.01 0.0025
此时输出平均电压为
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
■ 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 （包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路） ■ 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 1. 电流可逆斩波电路
P
P
■ 电路结构 ◆ V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作 于第1象限。 ◆ V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行， 工作于第2象限。 ◆ 必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。
Uo t on 100 5 E 25 (V ) T 20
输出平均电流为
U o - E M 25 10 Io 30( A) R 0 .5
输出电流的最大和最小值瞬时值分别为
I max E 1 e 0.0025 100 1 e m 0 . 1 1 e R 1 e 0.01 0.5 30.19( A)
■ 电流连续时得出
I 10
I 20
e t1 / 1 E eT / 1 R 1 e t1 / E 1 e T / R
E E m e 1 m R R e 1