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 將直流電變為另一固定或可調電壓的直流電。將直流電變為另一固定或可調電壓的直流電。 可以可以直接直接將直流電變為另一直流電（將直流電變為另一直流電（DC 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）。應用：應用：直流電動機調速直流電動機調速 、開關電源、功率因數校正、開關電源、功率因數校正優勢優勢（相對于可控整流）：（相對于可控整流）： 諧波含量減小，功率因數大幅提高諧波含量減小，功率因數大幅提高; 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 脈沖寬度調制脈沖寬度調制（PWM）。）。ton不變，變不變，變T 頻率調制。頻率調制。ton和和T都可調，改變占空比都可調，改變占空比混合型。混合型。此種方式應用最多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 電路結構 全控型器件全控型器件 若為晶閘管，須若為晶閘管，須有輔助關斷電路有輔助關斷電路。續流二極管續流二極管 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)在分析

3、在分析DC/DC電路和推導中常用到兩個重要的概念：電路和推導中常用到兩個重要的概念：在穩態條件下在穩態條件下電感兩端電壓電感兩端電壓在一個開關周期內的在一個開關周期內的平均值為零平均值為零，同時同時電容電流電容電流在一個開關周期內的在一個開關周期內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當t=0時時S導通，電源導通，電源Ud向電容充向電容充電，并給負載電，并給負載R供電，產生負載供電，產生負載電流電流io。同時，。同時，L儲能，儲能，iL上升，上升，uL極性為左正右負，極性為左正右負，VD處于斷態。處于斷態。t=t1時，時，S關斷，關斷，L通過通過VD續流

4、釋續流釋放能量，并給負載放能量，并給負載R供電，供電，iL不斷不斷減小。減小。uL極性為左負右正，極性為左負右正，VD導導通。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時刻時刻S再次開通時，再次開通時，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轉而上升。轉而上升。iL連續連續。3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路數量關系數量關系( )()LLsi ti tTuL在一個開關周期內的平均值在一個開關周期內的平均值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儲能使儲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僅由負載如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載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用升壓斬波電路典型應用圖5-5 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續時 c） 電流斷續時用于直流電動機和功用于直流電動機和功率因數校正中。率因數校正中。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，不必并聯電容器。并聯電容器。再生制動時把電能再生制動時把電能回饋給直流電源。回饋給直流電源。電動機電樞電流連電動機電樞電流連續和斷續兩種工作續和斷續兩種工作狀態。狀態。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，以電動機一側為基準看，可將直流電源電壓看該式表明，以電動機一側為基準看，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用升壓斬波電路典型應用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) 電路結構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，電

9、源通時，電源E經經V向向L供電使其供電使其貯能，此時電流為貯能，此時電流為iL增加。增加。 UL上上正下負，大小為正下負，大小為E。 同時，同時，C維持輸出電壓恒定并向維持輸出電壓恒定并向負載負載R供電。供電。V斷時，斷時，L的能量向負載釋放，的能量向負載釋放，電流電流iL減小。減小。UL上負下正，大小上負下正，大小為為Uo。負載電壓極性為上負下正，負載電壓極性為上負下正，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量關系穩態時，一個周期穩態時，一個周期T內電感

10、內電感L兩端電壓兩端電壓uL對時間的積分為零，即對時間的積分為零，即Ttu0L0d（5-59）所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EDDEtTtEttU1ononoffonoV處于通態處于通態uL = EV處于斷態處于斷態uL = - uooffoontUtE3.1.3 升降壓斬波電路升降壓斬波電路圖圖5-5b中給出了電流脈動足夠小時，電源電流中給出了電流脈動足夠小時，電源電流i1和負載電和負載電流流i2的波形，設兩者的平均值分別為的波形，設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 結論結論當當0D 1/2時為降壓，當時為

11、降壓，當1/2D 1時為升壓，故稱作時為升壓，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常用于電池供電設備產生負電源的電路，還用于各種直常用于電池供電設備產生負電源的電路，還用于各種直流開關穩壓器中流開關穩壓器中 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，斷時，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有電流。回路有電流。 V通時，通

12、時，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。電路相當于開關電路相當于開關S在在A、B兩點之間交替切換。兩點之間交替切換。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：數量關系數量關系Tti0C0d（5-55）V處于通態的時間處于通態的時間ton，則電容電流和時間的乘積為，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態的時間處于斷態的時間toff，則電容電流和時間的乘積為，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：由此可得：off1on2tItIDDtt

13、TttII112onononoffEDDEtTtEttU1ononoffono 優點優點（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載電流都是連續的，且脈動很輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進行電流濾波。小，有利于對輸入、輸出進行電流濾波。3.1.5 Sepic斬波電路斬波電路Speic電路原理電路原理V通態，通態，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時導電，回路同時導電，L1和和L2貯能。貯能。V斷態，斷態，EL1C1VD負載負載回路回路及及L2VD負載負載回路同時導電，此回路同時導電，此階段階段E和和L1既向負載供電，同時也

14、向既向負載供電，同時也向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態時向處于通態時向L2轉移轉移）。輸入輸出關系：輸入輸出關系：EDDEtTtEttU1ononoffono3.1.6 Zeta斬波電路斬波電路V處于通態期間，電源處于通態期間，電源E經開關經開關V向電感向電感L1貯能。貯能。V關斷后，關斷后，L1VDC1構成振構成振蕩回路，蕩回路， L1的能量轉移至的能量轉移至C1，能量全部轉移至能量全部轉移至C1上之后，上之后，VD關斷，關斷，C1經經L2向負載供電。向負載供電。輸入輸出關系：輸入輸出關系：EDDU1o相同的輸入輸出關系。相同的輸入輸出關系。Sepic電路的電源電流和

15、負載電流均電路的電源電流和負載電流均連續，連續，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續的。電路的輸入、輸出電流均是斷續的。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 復合斬波電路和復合斬波電路和多相多重斬波電路多相多重斬波電路復合斬波電路復合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成 多相多重斬波電路多相多重斬波電路相同結構的基本斬波電路組合構成相同結構的基本斬波電路組合構成 斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機

16、工作于第降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第升壓斬波電路能使電動機工作于第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。此電路電動機的電樞電流可。此電路電動機的電樞電流可正正可可負負，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構電流可逆斬波電路結構a) 電路圖V1和和VD1構成降壓斬波電路，電動機構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第為

17、電動運行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2構成升壓斬波電路，電動機構成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第作再生制動運行，工作于第2象限。象限。必須必須防止防止V1和和V2同時導通同時導通而導致的電而導致的電源短路。源短路。工作過程（工作過程（三種工作方式三種工作方式)第第5種工作方式：一個周期內種工作方式：一個周期內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。當一種斬波電路電流斷續而為零時，使另一個斬波電路工作，當一種斬波電路電流斷續而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。讓電流反方向流過，這樣電動

18、機電樞回路總有電流流過。電路響應很快。電路響應很快。3.1.7 復合斬波電路和復合斬波電路和多相多重斬波電路多相多重斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。起來，分別向電動機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，等效為圖保持通時，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，可使電動機工作于，可使電動機工作于第第1、2象限象限。使使V3保持通時，保持通時，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，向電動機提供可逆斬波電路，向電動機提供負電壓負電壓，可使電動機工，可使電動機工作于作于第第3、4象限象限 。3.1