1、第第3章章 直流直流-直流變流電路直流變流電路引言引言直流直流-直流變流電路直流變流電路 將直流電變?yōu)榱硪还潭ɑ蚩烧{(diào)電壓的直流電。將直流電變?yōu)榱硪还潭ɑ蚩烧{(diào)電壓的直流電。 可以可以直接直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡▽⒅绷麟娮優(yōu)榱硪恢绷麟姡―C Chopper），也可以是直流），也可以是直流交流交流直流（變直流（變壓器耦合式）。壓器耦合式）。應(yīng)用：應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速 、開關(guān)電源、功率因數(shù)校正、開關(guān)電源、功率因數(shù)校正優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)（相對(duì)于可控整流）：（相對(duì)于可控整流）： 諧波含量減小，功率因數(shù)大幅提高諧波含量減小，功率因數(shù)大幅提高; 高頻，可減小濾波裝置的體積。高頻，可減小濾波裝置的體積。

2、斬波電路的基本原理和控制方式斬波電路的基本原理和控制方式 斬波電路的電路圖和輸出電壓波形DEETtEtttUonoffonono斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式T不變，變不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWM）。）。ton不變，變不變，變T 頻率調(diào)制。頻率調(diào)制。ton和和T都可調(diào)，改變占空比都可調(diào)，改變占空比混合型?；旌闲汀４朔N方式應(yīng)用最多3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件全控型器件 若為晶閘管，須若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管續(xù)流二極管 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)在分析

3、在分析DC/DC電路和推導(dǎo)中常用到兩個(gè)重要的概念：電路和推導(dǎo)中常用到兩個(gè)重要的概念：在穩(wěn)態(tài)條件下在穩(wěn)態(tài)條件下電感兩端電壓電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零平均值為零，同時(shí)同時(shí)電容電流電容電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零平均值為零。3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理當(dāng)當(dāng)t=0時(shí)時(shí)S導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源Ud向電容充向電容充電，并給負(fù)載電，并給負(fù)載R供電，產(chǎn)生負(fù)載供電，產(chǎn)生負(fù)載電流電流io。同時(shí)，。同時(shí)，L儲(chǔ)能，儲(chǔ)能，iL上升，上升，uL極性為左正右負(fù)，極性為左正右負(fù)，VD處于斷態(tài)。處于斷態(tài)。t=t1時(shí)，時(shí)，S關(guān)斷，關(guān)斷，L通過(guò)通過(guò)VD續(xù)流

4、釋續(xù)流釋放能量，并給負(fù)載放能量，并給負(fù)載R供電，供電，iL不斷不斷減小。減小。uL極性為左負(fù)右正，極性為左負(fù)右正，VD導(dǎo)導(dǎo)通。通。 通常串接較大電感通常串接較大電感L， iL減小緩減小緩慢，直到慢，直到t2時(shí)刻時(shí)刻S再次開通時(shí)，再次開通時(shí)，iL仍未減小到零。隨著仍未減小到零。隨著S的再次開通，的再次開通， iL轉(zhuǎn)而上升。轉(zhuǎn)而上升。iL連續(xù)連續(xù)。3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系( )()LLsi ti tTuL在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值UL為為0 000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtT

5、TdtLLdi ti TiTT000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtTTdtLLdi ti TiTT000( )11( )1( )( ()(0)0SSSTTLLLSSTLLSLSSdi tUut dtLdtTTdtLLdi ti TiTT0()10STdoono offLLSSUUtU tUu dtTT0()10STdoono offLLSSUUtU tUu dtTTTS =ton+toffoondSUtDUTddsonoDUUTtU0D1，輸出電壓高于電源電壓，故為，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路升壓斬波電路。0)(

6、0TtEuEtUoffonLoffontEuEt)(0電壓升高得原因電壓升高得原因：電感：電感L儲(chǔ)能使儲(chǔ)能使電壓泵升電壓泵升的作用的作用 電容電容C可將輸出電壓可將輸出電壓保持保持住住3.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器直流變壓器。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即消耗，即 ： 。ooIUEI 1輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為：為：REDRUI11oo電源電流的平均值電源電流的平均值I1為：為：REDIEUI21)1 (1ooED

7、EtTEtttU11offoffoffono3.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路升壓斬波電路典型應(yīng)用升壓斬波電路典型應(yīng)用圖5-5 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí)用于直流電動(dòng)機(jī)和功用于直流電動(dòng)機(jī)和功率因數(shù)校正中。率因數(shù)校正中。直流電源的電壓基直流電源的電壓基本是恒定的，不必本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器。再生制動(dòng)時(shí)把電能再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。回饋給直流電源。電動(dòng)機(jī)電樞電流連電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。狀態(tài)。ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoi

8、oi1i2t1t2txtontoffI20uo升壓斬波電路升壓斬波電路3.1.23.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了作是被降低到了 。ED)1 ( 1MREI RED升壓斬波電路典型應(yīng)用升壓斬波電路典型應(yīng)用EDEM)1 ( MEDEtTE11off3.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)3.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路基本工作原理a)圖5-5 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形V通時(shí)，電

9、源通時(shí)，電源E經(jīng)經(jīng)V向向L供電使其供電使其貯能，此時(shí)電流為貯能，此時(shí)電流為iL增加。增加。 UL上上正下負(fù)，大小為正下負(fù)，大小為E。 同時(shí)，同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向維持輸出電壓恒定并向負(fù)載負(fù)載R供電。供電。V斷時(shí)，斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，的能量向負(fù)載釋放，電流電流iL減小。減小。UL上負(fù)下正，大小上負(fù)下正，大小為為Uo。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。與電源電壓極性相反。該電路也稱作該電路也稱作反極性斬波電路反極性斬波電路。Sg000iLULEtttoUontofft3.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感

10、內(nèi)電感L兩端電壓兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即對(duì)時(shí)間的積分為零，即Ttu0L0d（5-59）所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EDDEtTtEttU1ononoffonoV處于通態(tài)處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE3.1.3 升降壓斬波電路升降壓斬波電路圖圖5-5b中給出了電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，電源電流中給出了電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，電源電流i1和負(fù)載電和負(fù)載電流流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和和I2，有：，有：offon21ttII由上式得：由上式得：1121IDDIttIonoff 結(jié)論結(jié)論當(dāng)當(dāng)0D 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)時(shí)為

11、降壓，當(dāng)1/2D 1時(shí)為升壓，故稱作時(shí)為升壓，故稱作升升降壓斬波電路降壓斬波電路。也有稱之為。也有稱之為buck-boost 變換器變換器。其輸出功率和輸入功率相等，可看作其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器直流變壓器。2o1IUEI otb)oti1i2tontoffILILEDDU1o常用于電池供電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)電源的電路，還用于各種直常用于電池供電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)電源的電路，還用于各種直流開關(guān)穩(wěn)壓器中流開關(guān)穩(wěn)壓器中 升降壓斬波電路升降壓斬波電路3.1.33.1.4 Cuk斬波電路斬波電路Cuk斬波電路斬波電路V斷時(shí)，斷時(shí)，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有電流。回路有電流。 V通時(shí)，通

12、時(shí)，EL1V回路和回路和RL2CV回路有電流。回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開關(guān)電路相當(dāng)于開關(guān)S在在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。兩點(diǎn)之間交替切換。Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路3.1.4 Cuk斬波電路斬波電路同理：同理：數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系Tti0C0d（5-55）V處于通態(tài)的時(shí)間處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時(shí)間處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得：由此可得：off1on2tItIDDtt

13、TttII112onononoffEDDEtTtEttU1ononoffono 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很 小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行電流濾波。小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行電流濾波。3.1.5 Sepic斬波電路斬波電路Speic電路原理電路原理V通態(tài)，通態(tài)，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和和L2貯能。貯能。V斷態(tài)，斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載負(fù)載回路回路及及L2VD負(fù)載負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段階段E和和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也

14、向既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移）。輸入輸出關(guān)系：輸入輸出關(guān)系：EDDEtTtEttU1ononoffono3.1.6 Zeta斬波電路斬波電路V處于通態(tài)期間，電源處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)經(jīng)開關(guān)V向電感向電感L1貯能。貯能。V關(guān)斷后，關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振構(gòu)成振蕩回路，蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，上之后，VD關(guān)斷，關(guān)斷，C1經(jīng)經(jīng)L2向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。輸入輸出關(guān)系：輸入輸出關(guān)系：EDDU1o相同的輸入輸出關(guān)系。相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和

15、負(fù)載電流均電路的電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，連續(xù)，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。兩種電路輸出電壓為正極性的。兩種電路輸出電壓為正極性的。 3.1.7 復(fù)合斬波電路和復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐窂?fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)

16、工作于第降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。象限。升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第2象限。象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路與與升壓斬波電路組升壓斬波電路組合合。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正正可可負(fù)負(fù)，但電壓只能，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第是一種極性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2電流可逆斬波電路結(jié)構(gòu)電流可逆斬波電路結(jié)構(gòu)a) 電路圖V1和和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)構(gòu)成降壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第為

17、電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。象限。必須必須防止防止V1和和V2同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電而導(dǎo)致的電源短路。源短路。工作過(guò)程（工作過(guò)程（三種工作方式三種工作方式)第第5種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交替交替地作為降壓斬波電路和升壓地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。斬波電路工作。當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)

18、機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。電路響應(yīng)很快。電路響應(yīng)很快。3.1.7 復(fù)合斬波電路和復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐窐蚴娇赡鏀夭娐窐蚴娇赡鏀夭娐穬蓚€(gè)電流可逆斬波電路組合兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。圖5-8 橋式可逆斬波電路 使使V4保持通時(shí)，等效為圖保持通時(shí)，等效為圖5-7a所示的電流可逆斬波電所示的電流可逆斬波電路，提供路，提供正電壓正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于，可使電動(dòng)機(jī)工作于第第1、2象限象限。使使V3保持通時(shí)，保持通時(shí)，V1、VD1和和V2、VD2等效為又一組電流等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工，可使電動(dòng)機(jī)工作于作于第第3、4象限象限 。3.1