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1、新直流直流变流电路第1页，共17页，编辑于2022年，星期六引言引言直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括）包括直接直流变流直接直流变流电路电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（斩波电路（DC Chopper）。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。之间不隔离。间接直流变流电路间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了在直
2、流变流电路中增加了交流环节交流环节。在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直也称为直交交直电路。直电路。第2页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper）电路分析电路分析 设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在，在V关断时给负关断时给负载中电感电流提供通道。载中电感电流提供通道。
3、主要用于电子电路的供电电源，也可拖动主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现载中均会出现反电动势反电动势，如图中，如图中Em所示。所示。工作原理工作原理 t=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电源，电源E向负载供电，向负载供电，负载电压负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数曲线上升。按指数曲线上升。t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续流，负续流，负载电压载电压uo近似为零近似为零，负载电流呈指数曲线下降，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小
4、。使负载电流连续且脉动小。第3页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路4第4页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton。频率调制频率调制：ton不变，改变不变，改变T。混合型混合型：ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比5第5页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 负载电流平均值为负载电
5、流平均值为 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开关周期，为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。为导通占空比，简称占空比或导通比。电流断续时，负载电压电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。现电流断续的情况。第6页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，值极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压
6、平均值计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io。解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为为 输出电流平均值为输出电流平均值为 第7页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路0iGE0ioI1a)b)图图5-2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 工作原理工作原理 假设假设L和和C值很大。值很大。V处于处于通态通态时，电源时，电源E向电感向电感L充电，电流充电，电流恒定恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，输出电压供电，输出电压Uo
7、恒定。恒定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向负载提供能量。充电，并向负载提供能量。基本的数量关系基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工作于稳态时，一个周期T中电感中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即积蓄的能量与释放的能量相等，即 化简得化简得 上式中的上式中的 第8页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路9第9页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路将升压比的倒数记作将升压比的倒数记作，即，即 ，则，则 和导通占空比和导通占空比 有如下关系有如下关系 则输出电压
8、高于电源电压，关键有两个原因：一是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容二是电容C可将输出电压保持住。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，即消耗，即 输出电流的平均值输出电流的平均值Io为为 电源电流电源电流I1为为 第10页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路例例5-3 在图在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值值极大，极大，R=20，采用脉宽调
9、制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为：输出电流平均值为：输出电流平均值为：第11页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路a)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 升降压斩波电路升降压斩波电路 工作原理工作原理 V导通导通时，电源时，电源E经经V向向L供电使其贮能，供电使其贮能，此时电流为此时电流为i1，同时，同时C维持
10、输出电压恒定并向负载维持输出电压恒定并向负载R供电。供电。V关断关断时，时，L的能量向负载释放，电流的能量向负载释放，电流为为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。性相反，该电路也称作反极性斩波电路。基本的数量关系基本的数量关系 稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对对时间的积分为零，即时间的积分为零，即 当当V处于通态期间，处于通态期间，uL=E；而当；而当V处于断态处于断态期间，期间，uL=-uo。于是：。于是：(5-39)(5-40)12第12页，共17页，编辑于2022年，星期
11、六5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路所以输出电压为：所以输出电压为：改变导通比改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，时为降压，当当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。电源电流电源电流i1和负载电流和负载电流i2的平均值分别为的平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有，当电流脉动足够小时，有 由上式可得由上式可得 如果如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即为没有损耗的理想开关时，
12、则输出功率和输入功率相等，即 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)13第13页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路 Cuk斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。V关断时，关断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分别流过电流。回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压输出电压的极性与电源电压极性相反极性相反。基本的数量关系基本的数量关系
13、C的电流在一周期内的平均值应为零，即的电流在一周期内的平均值应为零，即(5-45)14第14页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 由由(5-45)得得 从而可得从而可得 由由L1和和L2的电压平均值为零，可得出输出电压的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压与电源电压E的关系的关系 与升降压斩波电路相比，与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。流都是连续的，且脉动很小，有利于对
14、输入、输出进行滤波。(5-46)(5-47)(5-48)15第15页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移）转移）。输入输出关系输入输出关系 图图5-
15、6 a)Sepic斩波电路斩波电路(5-49)16第16页，共17页，编辑于2022年，星期六5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，电源导通时，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。V关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路，L1的能量转移至的能量转移至C1，能量全部转移至，能量全部转移至C1上之上之后，后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。输入输出关系为输入输出关系为 两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。路输出电压为正极性的。图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 (5-50)17第17页，共17页，编辑于2022年，星期六