1、第第5 5章章 直流直流變流電路直流直流變流電路 5.1 基本斬波電路基本斬波電路 5.2 復合斬波電路和多相多重斬波電路復合斬波電路和多相多重斬波電路 5.3 帶隔離的直流直流變流電路帶隔離的直流直流變流電路 本章小結本章小結2/59引言引言直流直流-直流變流電路（直流變流電路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流直接直流變流電路變流電路和和間接直流變流電路間接直流變流電路。 直接直流變流電路直接直流變流電路 也稱也稱斬波電路（斬波電路（DC Chopper）。 功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。電。 一般是指直接將

2、直流電變為另一直流電，這種情況下一般是指直接將直流電變為另一直流電，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。輸入與輸出之間不隔離。 間接直流變流電路間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了在直流變流電路中增加了交流環節交流環節。 在交流環節中通常采用變壓器實現輸入輸出間的隔離，在交流環節中通常采用變壓器實現輸入輸出間的隔離，因此也稱為直因此也稱為直交交直電路。直電路。 3/595.1 基本斬波電路基本斬波電路 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 5.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 5.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta

3、斬波電路斬波電路T=Ton+ToffontddonkUUTtdtuTU00015.1 5.1 基本斬波電路基本斬波電路 5/595.1.1 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路( (一一) ) 工作電路工作電路IGBT,若為晶閘管，須有關斷輔若為晶閘管，須有關斷輔助電路助電路續流二極管續流二極管負載出負載出現的反現的反電動勢電動勢6/595.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路圖圖5-1 降壓斬波電路的原理圖及波形降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖）電路圖 b）電流連續時的波形）電流連續時的波形 c）電流斷續時的波形）電流斷續時的波形 降壓斬波電路（降壓斬波電路（Buck Chopper） 工作

4、原理工作原理 t=0時刻驅動時刻驅動V導通導通，電源，電源E向負載供電，負載電壓向負載供電，負載電壓uo=E，負載，負載電流電流io按指數曲線上升。按指數曲線上升。 t=t1時控制時控制V關斷關斷，二極管，二極管VD續流，負載電壓續流，負載電壓uo近似為零近似為零，負，負載電流呈指數曲線下降，通常串接載電流呈指數曲線下降，通常串接較大電感較大電感L使負載電流連續且脈動使負載電流連續且脈動小。小。 7/598/595.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路基本的數量關系基本的數量關系 電流連續時電流連續時 負載電壓的平均值為負載電壓的平均值為 EETtEtttUonoffonono負載電流平均值為負載

5、電流平均值為 式中，式中，ton為為V處于通態的時處于通態的時間，間，toff為為V處于斷態的時間，處于斷態的時間，T為開關周期，為開關周期， 為導通占為導通占空比，簡稱占空比或導通空比，簡稱占空比或導通比。比。 REUImoo9/595.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路電流斷續時，負載電壓電流斷續時，負載電壓uo平平均值會被抬高，一般不希望出均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續的情況?，F電流斷續的情況。 斬波電路有三種控制方式斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（PWM）：T不變，改變不變，改變ton。 頻率調制頻率調制：ton不變，改變不變，改變T。 混合型混合型：ton和和

6、T都可調，改都可調，改變占空比變占空比10/59負載電流維持為負載電流維持為I Io o不變不變電源只在電源只在V V處于通態時提供能量為處于通態時提供能量為: :EIEI0 0t tonon在整個周期在整個周期T T中，負載消耗的能量為中，負載消耗的能量為: :RIRI0 02 2T+ET+EM MI I0 0T T輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器壓變壓器一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等的能量相等數量關系分析從能量傳遞角度推導數量關系分析從能量傳遞角度推導

7、設設I I1 1為電源電流平均值為電源電流平均值U0電源側負載側11/595.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路例例5-1 在圖在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值值極大，極大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,計算輸出電壓平均值計算輸出電壓平均值Uo，輸出電，輸出電流平均值流平均值Io。 解：由于解：由于L值極大，故負載電流連續，于是輸出電壓平均值為值極大，故負載電流連續，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為輸出電流平均值為 )(805020020onVETtUo)( 5103080-moAREUIo12/595.1.2 升壓

8、斬波電路升壓斬波電路0iGE0ioI1a)b)圖圖5-2 升壓斬波電路及其工作波形升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 升壓斬波電路升壓斬波電路 工作原理工作原理 假設假設L和和C值很大。值很大。 V處于處于通態通態時，電源時，電源E向電感向電感L充電，電流恒定充電，電流恒定I1，電容，電容C向負載向負載R供電，輸出電壓供電，輸出電壓Uo恒定。恒定。 V處于處于斷態斷態時，電源時，電源E和電感和電感L同時向電容同時向電容C充電，并向負載提供能充電，并向負載提供能量。量。儲存電儲存電能能保持輸保持輸出電壓出電壓toff: V處于斷態，L L上釋放的能量為：上釋放的能量為：(

9、 (U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoff0iGE0ioI1tofftonton: V處于通態，L L上積蓄的能量為：上積蓄的能量為：EIEI1 1t tononV V通時，通時，E E向向L L充電，充電電流恒為充電，充電電流恒為I I1 1，同時同時C C的電壓的電壓向負載供電，因向負載供電，因C C值很大，輸出電壓值很大，輸出電壓u uo o為恒值，記為為恒值，記為U Uo o。設設V V通的時間為通的時間為t tonon，此階段此階段L L上積蓄的能量為：上積蓄的能量為：EIEI1 1t tonon數量關系數量關系(直接從能量角度分析）直接從能量角度分析） 穩態時，一個周

10、期穩態時，一個周期T T中中L L積蓄能量與釋放能量相積蓄能量與釋放能量相等：等： EIEI1 1t tonon= =( (U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoff EtTEtttUoffoffoffonoV V斷時，斷時，E E和和L L共同向共同向C C充電并向負載充電并向負載R R供電。設供電。設V V斷斷開的時間為開的時間為t toffoff，則此期間電感則此期間電感L L釋放能量為：釋放能量為：( (U U0 0-E)I-E)I1 1t toffoffT/tT/toffoff11，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路壓斬波電路

11、Ttoff1EEU111oEtTEtttUoffoffoffonoT/tT/toffoff升壓比；升壓比；升壓比的倒數記作升壓比的倒數記作 ，即即 和和 的關系：的關系：因此，因此，U U0 0可表示為可表示為v以上分析中，認為以上分析中，認為V V通態期間因電容通態期間因電容C C的作用使得輸的作用使得輸出電壓出電壓U Uo o不變，但實際不變，但實際C C值不可能無窮大，在此階段值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，其向負載放電，U Uo o必然會有所下降，故實際輸出電壓必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低。會略低。輸出電壓高于電源電壓，輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：關鍵有兩個原因

12、：一是一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容二是電容C可將輸出電壓保持住?？蓪⑤敵鲭妷罕３肿　?16/59根據電路結構分析輸出電流的平均值根據電路結構分析輸出電流的平均值I Io o為：為： oo1IUEI RERUI1ooREIEUI2oo11v如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載負載R R消耗，即消耗，即與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。直流變壓器。則電源電流的平均值則電源電流的平均值I I1 1為：為： 17/595.1.2 升壓斬波電

13、路升壓斬波電路例例5-3 在圖在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和值和C值極大，值極大，R=20 ，采用脈寬調制控制方式，當，采用脈寬調制控制方式，當T=40 s，ton=25 s時，計算輸出電壓平均值時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電，輸出電流平均值流平均值Io。 解：輸出電壓平均值為：解：輸出電壓平均值為： )( 3 ffVEtTUo輸出電流平均值為：輸出電流平均值為：)(667. 6203 .133oARUIo18/595.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotO

14、TOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形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）電路圖 b）電流連續時）電流連續時 c）電流斷續時）電流斷續時 典型應用典型應用 一是用于直流電動機傳一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數動，二是用作單相功率因數校正（校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三）電路，三是用于其他交直流電源中。是用于其他交直流電源中。 以用于直流電動機傳動以用于直流電動機傳動為例為例 在直流電動機在直流電動機再生制再生制動動時把電能回饋給直流電源。時

15、把電能回饋給直流電源。 電動機電樞電動機電樞電流連續電流連續和和斷續斷續兩種工作狀態。兩種工作狀態。 直流電源的電壓基本直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯電容器。是恒定的，不必并聯電容器。 19/59升壓斬波電路典型應用（直流電機傳動）升壓斬波電路典型應用（直流電機傳動）通常是用于直流電動機再生制動時把電能回饋給通常是用于直流電動機再生制動時把電能回饋給 直流電源直流電源實際電路中電感實際電路中電感L L值不可能為無窮大，因此也有電值不可能為無窮大，因此也有電流連續和斷續兩種工作狀態流連續和斷續兩種工作狀態此時電機的反電動勢相當于右圖中的電源，而此此時電機的反電動勢相當于右圖中的電源，而此時

16、的直流電源相當于右圖中的負載。由于直流電源時的直流電源相當于右圖中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯電容器。的電壓基本是恒定的，因此不必并聯電容器。20/595.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)圖圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形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）電路圖 b）電流連續時）電流連續時 c）電流斷續時）電流斷續時 V開通開通mERidtdiL11tmteREeIti1)(101 V斷開斷開EER

17、idtdiLm22111)(202ttmtteREEeIti21/595.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuoa)b)圖圖5-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形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）電路圖 b）電流連續時）電流連續時 c）電流斷續時）電流斷續時 電流連續時得電流連續時得L為無窮大時電樞為無窮大時電樞電流的平均值電流的平均值Io為為 REEREmImo(5-36)22/595.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路當電樞電流斷續時，可求得當電樞電流斷續時，可求得i2持續的時間持續的時間tx，即，即 m

18、metontx11ln當當txt0ff時，電路為電流斷續工作狀態，時，電路為電流斷續工作狀態，txt0ff是是電流斷續的條件，即電流斷續的條件，即 eem11tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20圖圖5-3 用于直流電動機回饋能用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形量的升壓斬波電路及其波形c）電流斷續時）電流斷續時(5-37)(5-38)23/59課程回顧課程回顧24/595.1.1 5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路( (一一) ) 工作電路工作電路續流二極管續流二極管負載出負載出現的反現的反電動勢電動勢課程回顧課程回顧IGBT25/59斬波電路有三種控制方

19、式斬波電路有三種控制方式 脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（PWM）：T不變，改變不變，改變ton。 頻率調制頻率調制：ton不變，改變不變，改變T。 混合型混合型：ton和和T都可調，改都可調，改變占空比變占空比課程回顧課程回顧( (二二) ) 數量關系數量關系EETtEtttUonoffononoREUImoo26/595.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路課程回顧課程回顧保持輸保持輸出電壓出電壓儲存電儲存電能能( (一一) ) 工作電路工作電路27/59課程回顧課程回顧0iGE0ioI1tofftonEtTEtttUoffoffoffono( (二二) ) 數量關系數量關系28/595.1.3

20、升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 一、一、工作原理工作原理 V導通導通時，電源時，電源E經經V向向L供供電使其貯能，此時電流為電使其貯能，此時電流為i1，同，同時時C維持輸出電壓恒定并向負維持輸出電壓恒定并向負載載R供電。供電。 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 V關斷關斷時，時，L的能量向負載的能量向負載釋放，電流為釋放，電流為i2，電壓極性上負，電壓極性上負下正，與電源電壓極性相反，下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。該電路也稱作反極性斬波電路。29/595.1

21、.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 二、二、基本的數量關系基本的數量關系 穩態時，一個周期穩態時，一個周期T內電內電感感L兩端電壓兩端電壓uL對時間的積分為對時間的積分為零，即零，即 TLtu00d當當V處于通態期間，處于通態期間，uL=E；當；當V處于斷態期間，處于斷態期間，uL=-uo。于是。于是根據積分得出：根據積分得出： (5-39)(5-40)offoontUtE30/595.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電

22、路所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttUononoffono1改變導通比改變導通比 ，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0 1/2時為降壓，當時為降壓，當1/2 1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。路。 電源電流電源電流i1和負載電流和負載電流i2的平均值分別為的平均值分別為I1和和I2，當電流脈動足夠小時，有，當電流脈動足夠小時，有 offonttII211121IIttIonoff如果如果V、VD為沒有損耗的理想開關時，則輸出功率和輸入功率相等，即為沒有損耗的理想開

23、關時，則輸出功率和輸入功率相等，即 21IUEIo(5-41)(5-42)(5-43)(5-44)31/595.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 Cuk斬波電路斬波電路一、工作原理一、工作原理32/595.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 一、一、工作原理工作原理 V導通時，導通時，EL1V回路和回路和RL2CV回路分別流回路分別流過電流

24、。過電流。 V關斷時，關斷時，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分別回路分別流過電流。流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓輸出電壓的極性與電源電壓極性相反極性相反。 33/595.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 由由(5-45)得得 從而可得從而可得112onononoffttTttII 由由L1和和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓與電源電壓E的關系的關系 EEtTtEttUononoffono1(5-46)(5-47)(5-48)ofont12ItITCti00d 二、二、基本的數量關系基本的數量關系 C

25、的電流在一周期內的平均值應為零，即的電流在一周期內的平均值應為零，即(5-45)34/595.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Sepic斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導通時，導通時，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關斷時，關斷時，EL1C1VD負載負載回路及回路及L2VD負載負載回路同時導電，回路同時導電，此階段此階段E和和L1既向負載供電，同時也向既向負載供電，同時也向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態時處于通態時向向L2轉移）轉移）。 輸入輸出關系輸入輸出關系 EEtTtEttU

26、ononoffono1圖圖5-6 a)Sepic斬波電路斬波電路 (5-49)35/595.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路斬波電路 工作原理工作原理 V導通時，電源導通時，電源E經開關經開關V向電感向電感L1貯能。貯能。 V關斷時，關斷時，L1VDC1構成構成振蕩回路振蕩回路， L1的能量轉移至的能量轉移至C1，能量全部，能量全部轉移至轉移至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。 輸入輸出關系為輸入輸出關系為 EUo1兩種電路具有相同的輸入輸出關系，兩種電路具有相同的輸入輸出關系，Sepic電路中，電源電流連續但

27、負載電電路中，電源電流連續但負載電流斷續，有利于輸入濾波，反之，流斷續，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續而負載電流連續；電路的電源電流斷續而負載電流連續；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。 圖圖5-6 b Zeta斬波電路斬波電路 (5-50)36/59課程回顧課程回顧a)圖圖5-4 升降壓斬波電路及其波形升降壓斬波電路及其波形a）電路圖）電路圖 b）波形）波形 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 37/59圖圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路 Cuk斬波電路斬波電路課程回顧課程回顧38/595.2

28、 復合斬波電路復合斬波電路 5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 5.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 39/595.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路概念概念 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降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成。成。 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 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電動運行，又可，又可再生制動再生制動，降壓斬波電路能使電動機工，降壓斬波電路能使電動機工作于第作于第1象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第象限，升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。

29、象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是合，此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第一種極性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。40/59電路結構電路結構V V1 1和和VDVD1 1構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第供電，電動機為電動運行，工作于第1 1象限象限分析：V V2 2和和VDVD2 2構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第工作于第2 2象限象限必須防止必須防止V1和和V2同時導通而導致的電源短路同時導通而導致的電源短路5.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路41/595.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路ttb)uoioiV1iD1iV