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1、3-1第第3章章 DC/DC变换电路变换电路引言引言DC/DC变换电路（DC/DC Converter）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。两类：按输入与输出间是否有电气隔离非隔离DC/DC变换电路（不带隔离变压器)，也称直流斩波电路。隔离DC/DC变换电路（带隔离变压器)3-23.1 直流斩波电路直流斩波电路 6种基本斩波电路：降压（降压（Buck）斩波电）斩波电路路、升压（升压（Boost）斩波电路）斩波电路、升降压（Buck-Boost）斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。3-33.1.1 斩波电路
2、的基本控制方式斩波电路的基本控制方式 DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小。如果开关S导通时间为 ton，关断时间为toff，则在输入电压 E 恒定条件下，控制开关的通、断时间ton、toff的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。3-4一、一、时间比控制时间比控制 通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小。即 （3-1）式中T=ton+toff=1/f 为斩波周期
3、；f 为斩波频率；为导通比。可以看出，改变导通比 即可改变输出电压平均值U0，而 的变化又是通过对T、ton 控制实现的。时间比控制又有以下几种实现方式：3-5（1）脉宽控制）脉宽控制 斩波频率固定（即T不变），改变导通时间ton实现 变化、控制输出电压U0 大小，常称定频调宽，或脉宽调制（直流PWM）。图3-2 脉宽控制方式（a）原理电路；（b）控制波形3-6 图（a）为一电压比较器，UT为频率固定的锯齿波或三角波电压，Uc为直流电平控制信号，其大小代表期望的斩波器输出电压平均值U0。当Uc UT，比较器输出UPWM=“1”（高）；当Uc 0时，有关波形及VT导通、关断两工作模式下的等效电路
4、。3-17Boost变换器的输入、输出电压关系为 因为 ，故为升压变换关系。变换器的输入、输出电流关系为 因此电流连续时Boost变换器相当一个升压的“直流”变压器。3-182、电流断续时 随着负载的减小，电感电流iL 将减小。当VT关断结束时（或导通开始时）iL=0，则进入电流连续与否的临界状态，其电感电压uL 、电感电流iL波形如下。3-19例例3-2 在在3.1.3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值极大，值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，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
5、Uo，输出电，输出电流平均值流平均值Io。解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为：)(3.13350254040offVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667.6203.133oARUIo3-203、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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电
6、源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。3-213.1.3 升压斩波电路升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL(3-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd（3-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIoM（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。E3-223.1.4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 1）升降压斩波电路）升降压斩波电路 (buc
7、k-boost Chopper)电路结构3-233-24 输入、输出关系输入、输出关系 Buck-Boost变换器的输入、输出电压关系为 此式说明，当导通比 0.5，|U0|0.5，|U0|E|，升压，且输出电压与输入电压反极性。同样在忽略变换损耗条件下，根据输入、输出功率相等关系，可导出变换器的输入、输出电流平均值间关系 3-253.1.4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2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图3-5
8、 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路3-263.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路同理：数量关系Tti0C0d（3-45）V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-46）EEtTtEttU1ononoffono（3-48）优点优点（与升降压斩波电路相比）：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。3-27b)Zeta斩波电路3.1.4 Sepic
9、斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路a)Sepic斩波电路图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载负载回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）3-283.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1VDC1构成振荡回路，L1
10、的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路EU1o（3-50）相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。b)Zeta斩波电路3-293-30电路类型主要特点输入-输出电压关系应用场合Buck型只能降压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单降压型开关稳压器Boost型只能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，结构简单升压型开关稳压器，功率因数校正电路（PFC）Bu
11、ck-Boost型能降压也能升压，输入-输出电压极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单升降压型开关稳压器Cuk型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入输出电流脉动小，结构复杂对输入输出脉动要求较高的升降压型开关稳压器Zeta型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构复杂对输出脉动要求较高的升降压型开关稳压器Sepic型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，结构复杂升压型功率因数校正电路（PFC）0UE01UE011UE01UE01UE01UE3-313.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.2.1 电流可逆斩波电路电
12、流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路3-323.2.1 电流可逆斩波电路概念概念 复合斩波电路复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。构成。多相多重斩波电路多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合相同结构的基本斩波电路组合构成构成 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可可电动运行电动运行，又可，又可再生制动再生制动，降压斩波电路能使电动，降压斩波电路能使电动机工作于第机工作于第1象限，升压斩波电路
13、能使电动机工作于第象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只组合，此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第能是一种极性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。3-333.2.1 电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)图图3-7 电流可逆斩波电路及其波形电流可逆斩波电路及其波形a）电路图电路图 b）波形波形 电路结构电路结构 V1和和VD1构成构成降压斩波电路降压斩波电路，电动机为，电动机为电动运行
14、，工作于第电动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成构成升压斩波电路升压斩波电路，电动机作，电动机作再生制动运行，工作于第再生制动运行，工作于第2象限。象限。必须防止必须防止V1和和V2同时导通而同时导通而导致电源短导致电源短路。路。工作过程工作过程 两种工作情况：只作降压斩波器运行和两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。只作升压斩波器运行。第第3种工作方式种工作方式：一个周期内：一个周期内交替交替地作为地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。降压斩波电路和升压斩波电路工作。第第3种工作方式下，当一种斩波电路电流种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电
15、路工作，让断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电流流过。一个周期内，电流不断，响应很快。一个周期内，电流不断，响应很快。3-343.2.2 桥式可逆斩波电路图图3-8 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以使电动机可以4象限象限运行。运行。工作过程工作过程 V4导通时，等效为图导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供所示的电流可
16、逆斩波电路，提供正电压正电压，可使，可使电动机工作于电动机工作于第第1、2象限象限。V2导通时，导通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供动机提供负电压负电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第3、4象限象限。3-353.2.3 多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图图3-9 多相多重斩波电路及其波形多相多重斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间接入多个结构相是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的。同的基本斩波电路而构成的。相数相数:一个控制周期中电源侧的电流一个控制周期中电源侧的电流脉波数。脉波数。重数重数：负载电流脉波数。：负载电流脉波数。3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3个降压斩波电路单元个降压斩波电路单元并并联联而成。而成。总输出电流为总输出电流为 3 个斩波电路单元输个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流出电
