《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版第5-7章_直流直流变

第5章 直流直流变流电路5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 本章小结

引言■直流-直流变流电路(DC/DC Converter)包括直接直流 变流电路和间接直流变流电路。■直接直流变流电路 ◆也称斩波电路(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。 ◆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。 ■间接直流变流电路 ◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离， 因此也称为直—交—直电路。2/44

5.1 基本斩波电路

5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

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5.1.1 降压斩波电路■降压斩波电路(Buck Chopper) ◆电路分析 使用一个全控型器件V,图中为IGBT, 若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电 路。 设置了续流二极管VD,在V关断时给负 载中电感电流提供通道。 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 下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。 ◆工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电， 负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升。 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负 载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降， 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。图5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a)电路图 b)电流连续时的波形 c)电流断续时的波形

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5.1.1 降压斩波电路◆基本的数量关系 电流连续时 √负载电压的平均值为

Uo

t on t E on E E t on t off T

(5-1)

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为 U Em (5-2) Io o R 电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的 情况。 ◆斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制(PWM):T不变，改变ton。 频率调制：ton不变，改变T。 混合型：ton和T都可调，改变占空比5/44

5.1.1 降压斩波电路■对降压斩波电路进行解析 ◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析， 初始条件分电流连续和断续。 ◆电流连续时得出

I 10 I 20

e t1 / 1 E Em e 1 E T / m R R R e 1 e 1 t1 / 1 e E Em 1 e E m T / R 1 e R R 1

e

(5-9)

(5-10)

t T t L / R , T / , Em / E ,1 / 1 ,I10和I20分别是负 m 式中， T 载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式(5-9)和式(5-10)用泰勒级数近似，可得

I10 I 20

m E IR

o

(5-11)

平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。6/44

5.1.1 降压斩波电路◆(3-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路 中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即2 EI o t on RI o T Em I oT

(5-12)

则

Io 假设电源电流平均值为I1,则有

E EmR

(5-13)

I1

ton I o I o T

(5-14)

其值小于等于负载电流Io,由上式得

EI1 EI o U o I o即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。

(5-15)

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5.1.1 降压斩波电路◆电流断续时有I10=0,且t=ton+tx时，i2=0,可以得出

1 (1 m)e t x ln m 电流断续时，tx<toff,由此得出电流断续的条件为

(5-16)

e 1 m e 1输出电压平均值为

(5-17)

Uo

t on E (T t on t x ) Em t on t x 1 m E T T

(5-18)

负载电流平均值为t on t x 1 t on t t E U Em I o i1 d t i2 d t on x m o t on T 0 T R R

(5-19)8/44

5.1.1 降压斩波电路■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V,R=10Ω,L值 极大，Em=30V,T=50μs,ton=20 s,计算输出电压平均值Uo,输出电 流平均值Io。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50输出电流平均值为

Io

U o - Em 80 30 5( A) R 10

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5.1.1 降压斩波电路■例5-2 在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V, L=1mH,R=0.5Ω, Em=10V,采用脉宽调制控制方式，T=20 s,当ton=5 s时，计算输出电压平均 值Uo,输出电流平均值Io,计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电 流是否连续。 解：由题目已知条件可得：m EM 10 0.1 E 100

当ton=5 s时，有

L 0.001 0.002 R 0.5

T 0.01 0.0025

由于

e 1 e0.0025 1 0.01 0.249 m e 1 e 110/44

所以输出电流连续。

5.1.1 降压斩波电路此时输出平均电压为 t 100 5 U o on E 25(V ) T 20 输出平均电流为U o - EM 25 10 30( A) R 0.5 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为 Io

E 1 e 0.0025 100 1 e I max m 0.1 1 e R 1

e 0.01 0.5 30.19( A)

E e0.0025 1 100 e 1 0.01 I min e 1 m R e 1 0.1 0.5 29.81( A)

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5.1.2 升压斩波电路■升压斩波电路 ◆工作原理 假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感L充电，电流 恒定I1,电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容 C充电，并向负载提供能量。 ◆基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等，即EI1t on U o E I1t off(5-20)

a)

iGE0

ioI10

化简得Uo t on t off t off T E E t off(5-21)

b)

上式中的 T / toff

1

图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a)电路图 b)波形

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5.1.2 升压斩波电路 将升压比的倒数记作β,即 t off T

,则 和导通占空比 有如下关系(5-22)

1

式(5-21)可表示为

Uo

1

E

1 E 1

(5-23)

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，二是电容C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R消耗，即

EI1 U o I o 输出电流的平均值Io为

(5-24) (5-25)

Io

Uo 1 E R R

电源电流I1为

Uo 1 E I1 Io 2 E R

(5-26)13/44

5.1.2 升压斩波电路■例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V,L 值和C值极大，R=20 ,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Uo,输出电 流平均值Io。 解：输出电压平均值为：Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25

输出电流平均值为：Io U o 133.3 6.667 …… 此处隐藏：2225字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……