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1、第2章直流变换电路本讲稿第一页，共五十七页2.1 概述概述电力电子电路的分类电力电子电路的分类按电路作用：功率电路（主电路）、控制电路按电路作用：功率电路（主电路）、控制电路按按变变换换功功能能：交交流流变变换换电电路路、整整流流电电路路、直直流流变变换电路、逆变电路换电路、逆变电路按构成器件：半控型电路、全控型电路按构成器件：半控型电路、全控型电路按电隔离能力：绝缘型、非绝缘型电路按电隔离能力：绝缘型、非绝缘型电路按变换级数：直接变换、间接变换电路按变换级数：直接变换、间接变换电路本讲稿第二页，共五十七页2.1 概述概述电力电子电路的分类电力电子电路的分类按按控控制制方方式式：相相控控式式、
2、频频控控式式、斩斩控控式式、组组合式合式按开关环境：硬开关电路、软开关电路按开关环境：硬开关电路、软开关电路按电能流传方向：单向电路、双向电路按电能流传方向：单向电路、双向电路按输出电压：高压电路、低压电路按输出电压：高压电路、低压电路按电路构成：基本电路、组合电路按电路构成：基本电路、组合电路本讲稿第三页，共五十七页2.1 概述概述直流变换电路：变换直流电能参数的电路直流变换电路：变换直流电能参数的电路直流变换电路的分类：直流变换电路的分类：按输入输出电压：降压、升压、升降压电路按输入输出电压：降压、升压、升降压电路按工作范围：单象限、双象限、四象限电路按工作范围：单象限、双象限、四象限电路
3、按变换级数：直接式、间接式电路按变换级数：直接式、间接式电路按入端滤波：电压源、电流源电路按入端滤波：电压源、电流源电路按电路耦合：电耦合、磁耦合电路按电路耦合：电耦合、磁耦合电路按电路构成：基本电路、组合电路按电路构成：基本电路、组合电路本讲稿第四页，共五十七页2.1 概述概述直流变换电路的基本用途：直流变换电路的基本用途：l直流调速电源直流调速电源l开关电源开关电源直流电源DC-DC主电路负载控制电路一般应用结构一般应用结构本讲稿第五页，共五十七页2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管L0和C0组成LPF 降压斩波电
4、路降压斩波电路（Buck Chopper)本讲稿第六页，共五十七页工作原理工作原理当当 时时,控制信号使得控制信号使得T导通导通,D截止截止,向向L0充磁充磁,向向C0充电充电当当 时时,T截止截止,D续流续流,U0靠靠C0放电和放电和L0中电流下降维持中电流下降维持假设假设:1.T,D均为理想器件2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路本讲稿第七页，共五十七页2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路电流连续状态电流连续状态CCM本讲稿第八页，共五十七页2.2.1 单单象限
5、象限降压斩波电路降压斩波电路电路分析电路分析1.电感电流电感电流iL表达式表达式当储能储能当 时,达到最大值,当 时,放能放能当 时,达到最小值本讲稿第九页，共五十七页2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路伏秒平衡定律的证明：伏秒平衡定律的证明：电流增量：即：输出电压增益输出电压增益输出电流平均值输出电流平均值I0输入功率输出电压输出电流本讲稿第十页，共五十七页2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路输出电压纹波分析输出电压纹波分析当 时,电容充电,其电荷量为Q实际上就是图 中的阴影部分的面积在 时,阴影部分的面积为:本讲稿第十一页，共五十七页2.2 单单象限象限降压斩波电路
6、降压斩波电路输出电压纹波分析（续）输出电压纹波分析（续）在 时把 代入上式得:所以当 与 给定后当 最大时,用 ,的最大值 为电压纹波电压纹波本讲稿第十二页，共五十七页保持电流连续的临界电感值保持电流连续的临界电感值由 的图形可知,当 时,电流处于临界连续状态2.2 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路临界电感值临界电感值本讲稿第十三页，共五十七页电流断续状态（电流断续状态（DCM）2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路1.求求Av根据伏秒平衡律:DTTDTDpT本讲稿第十四页，共五十七页电流断续状态（电流断续状态（DCM）2.2.1 单单象限象限降压斩波电路降压斩波电路2.求求Dp
7、平均电流:解得:本讲稿第十五页，共五十七页2.2.2 单象限升压型直流变换电路单象限升压型直流变换电路电路电路工作原理工作原理本讲稿第十六页，共五十七页2.2.2 单象限升压型直流变换电路单象限升压型直流变换电路连续模型分析连续模型分析1.直流增益直流增益Av根据伏秒平衡律:2.电流增益电流增益根据无耗网络的定义:本讲稿第十七页，共五十七页2.2.2 单象限升压型直流变换电路单象限升压型直流变换电路连续模型分析连续模型分析3、电流的波动、电流的波动升压斩波电路典型应用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本讲稿第十八页，共五十七
8、页2.2.3单象限升单象限升/降压直流变换电路降压直流变换电路(Buck-Boost)电路电路输入和输出反相工作原理工作原理:在T导通时,D截止,电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变 在T/off时,D on,把存放在中的能量释放给负载和电容本讲稿第十九页，共五十七页2.2.3 单象限升单象限升/降压直流变换电路降压直流变换电路连续模型的分析方法连续模型的分析方法1.电压增益根据伏秒平衡律:110.5时,I00,D=0.5,I0=0,D0.5,I00,工作情况工作情况2.5.1 双极性桥式四象限电路控制信号与占空比D的关系最大控制电压本讲稿第五十页，共五十七页工作过程分析工作
9、过程分析2.5.1 双极性桥式四象限电路只讨论D=0.5因为 off,而VD1与VD3 on,当但当本讲稿第五十一页，共五十七页2.5.1 双极性桥式四象限电路直流增益直流增益:双极性桥式直流变换器双极性桥式直流变换器,实质上是一个线性放大器实质上是一个线性放大器电流脉动计算电流脉动计算本讲稿第五十二页，共五十七页2.6 多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数本讲稿第五十三页，共五十七页4.2.4 多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u4uoi1i2i4io4相4重降压
10、斩波电路电路结构：相当于由4个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 4 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的4倍，脉动频率也为4倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。图4-9 4相4重斩波电路及其波形本讲稿第五十四页，共五十七页4.2.4 多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为4个独立负载时，则为4相相1重斩波电路重斩波电路。而当电源为4个独立电源，向一个负载供电时，则为1相相4重斩波电路重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。本讲稿第五十
11、五页，共五十七页 本章小结本章介绍了单象限斩波电路、双象限斩波电路、四象限斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重重点点是，理解几种基本的斩波电路的电路结构、工作原理，输入输出关系、电路解析方法、工作特点等直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开开关关电电源源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。本讲稿第五十六页，共五十七页典型应用典型应用 开关电源开关电源l如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，通常被称为开关电源。l由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。本讲稿第五十七页，共五十七页