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第5章：直流直流变换装置

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电力电子装置及系统
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电力电子装置及系统
5.3具有高频环节的DC/DC变流器
电力电子与电力传动
（输入输出电压数值悬殊的DC/DC变换器）
5.3.1主电路和系统框图 5.3.2控制系统及电路设计 5.3.3驱动电路
具有恒压限流和恒流限压功能的DC/DC变换器
电力电子装置及系统
D4
(a)四象限直流-直流变换电路
T1
D1
Vd
A
T2
La
T3 断 Ra E a B
Vd
T1
A
断
T3
L a Ra E a
D3
B
I AB
D2
T4
通
I AB
T2 通
T4
D4
(b)第一、第二两象限变换电路
(c)第三、第四两象限变换电路
第三、四象限运行等效电路
T3
断
T3 La R a E a
Vd
T1
A
D3
B
电力电子与电力传动

锯齿波形成电路
电流软给定电路
电流PI调节器
记忆封锁
电流反馈 滞环限 流电路
PWM 形成
IGBT驱动
电流给定值采用软启动；电流调节器输出与固有频率
的三角波比较，产生PWM信号；
给定电流一般设为 2倍电动机额定电流 ，电磁转矩大
于负载转矩，转速上升，反电势增大，电流达不到给 定电流，最大占空比输出。
电力电子装置及系统
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5.1.2 四象限斩波调速
Ud
第二象限： 第一象限：
Ud>0, Id<0
Ud>0, Id>0
Id
第三象限：
Ud < 0, Id < 0
第四象限：
Ud < 0, Id>0
两象限、四象限直流—直流变换器
直流电动机的特性
• 直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速N的 乘积成正比： 转速高低由电枢电 Ea K e N 压的大小决定，转 速方向由电枢电压 电枢电压平衡方程为： 的方向决定。 Ea V AB Ra I AB V AB
0
1
0
0
1
0
1
1
21:46 0
电力电子装置及系统 < 0
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电力电子装置及系统
TL494组成的控制电路
电力电子与电力传动
+12V
14 1 2 3
+ -
Uf R1 R2 If
12 稳 +5V 压 电 路
13 8 ＋ Q e Q f Ta 9
锯齿波形成
d
A1 VD1 VD2 P
15 16
P
输出电压方向：
T1
正向

D1
输出电压大小： V AB 输出电流方向：
B
T V T
on S
D
Vd
A
La R a E a
i AB
正向
T2
D2
N
(b)降压变换电路
电机运行于正向电动状 态，能量由输入直流电源供 向负载。
第二象限工作（T2，D1）
工作模式： 升压（将负载的电压升 高后向Vd回馈电能）
P
T1
电力电子装置及系统
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2、无触点启动器
直流电动机无触点起动器基本原理
电力电子与电力传动
Ia M Ud VD HL C VT E La Ia检测 C 控制保护系统 + Vge _ Ig
VGE T Δ t1 Δ t2
0
t
ia
(a)
0
t
(b)
无触点起动器原理图 dia U d Ra ia La Ea dt
CK
- + 3 -
+
A2
振 荡 器
A
＋ g Tb 11 10
J R3
R4 + C1 D1
C2
0.7V b a c
5
R7
＋
R8
R6
6
-
环节 调节器和 PWM形成 保护和软起 动环节 死区时间设 置
驱动电路2
保护信号
4
+ 4
A
死区比较器
D 2 R5
电力电子装置及系统
0.12V 7
TL494
驱动电路1
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TL494组成的控制电路
电力电子与电力传动
+12V
14 1+ 2 3
-
锯齿波形成
13 8 ＋ Q e Q f Ta 9
Uf R1 R2 If
12 稳 +5V 压 电 路 CK
- + 3 -
环节
d
A1 VD1 VD2 P
15 16
+
A2
振 荡 器
A
＋ g Tb 11 10
J R3
R4 + C1 D1
N
(d)
四象限直流－直流变换器对直流电机电枢供电
两象限直流—直流变换器
P
T1
D1
工作状态：
UAB始终 大于零
B
iAB可正 可负
Vd
A
La Ra E a
i AB
T2
D2
电机转向 始终为正
电磁转矩 可正可负 电动 制动
N
(a)两象限直流-直流变换电路
第一象限工作（T1，D2）
工作模式： 降压（将Vd的电压降 低后送到负载）
RV
T2
IA
D2
TA2
M
T4
D4
控制系统
速度 给定
* Un
－ Un
速度 调节器
Ui*
Ui
电流 － 调节器
PWM 形成
逻辑 判断 及 脉冲 分配
驱动 电路
H桥 电路
电 动 机
电流反馈 速度反馈
电力电子装置及系统
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四象限斩波调速系统
控制系统
速度 给定
* Un
电力电子与电力传动
－ Un
速度 调节器
直通 过流 保护 保护 启动、保护电路
辅助电源
启动，停机信号
辅助电源，反馈电路，PWM控制电路，驱动电路，启 动保护电路，故障显示报警电路。
电力电子装置及系统
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闭环控制系统的控制图
电压给定 给定值 Ig
－ If
电力电子与电力传动
＋
Ug
－ Uf
PI调 节器1
脉宽调制 及驱动
IGBT逆 变电路 电压检测及反馈

Ea VAB Ra I AB VAB 所以N Ke K e K e

电机的转矩方程为：
Te KT I AB

转矩大小由电枢 电流的大小决定， 转矩方向由电枢 电流的方向决定。
转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态
直流电机的四象限运行
V A (V AB )
5.1应用直流斩波变换的调速系统 5.1.1直流电动机无触点起动器
电力电子与电力传动
1直流电动机启动过程 dia 电枢绕组电压平衡方程式： U d Ra ia La Ea
dt
忽略电枢电感压降：
U d k n ia Ra
全压启动时电枢电流为额定值的几十倍换向器易失火（限流） 启动方法：在电枢中串接电阻启动；改变外加电压（斩波）。

高频开关型直流电压变换器系统框图
直流 电压 输入 350～ 320 640V 620V 共 模 差 模 滤 波 20kHz 高频 逆变 器 高 频 降 压 变 压 器 整 共 模 差 模 滤 波 直流 输出 过 24V 压 保 护 电 流 反 馈 电 压 反 馈
电力电子与电力传动
流
驱动 故障显示报警 PWM 控制
C2
0.7V b a c
5
R7
＋
R8
1.1 f R6C2
R6
6
-
保护信号
4
+ 4
A
死区比较器
D 2 R5
0.12V 7
TL494
驱动电路1
驱动电路2
电力电子装置及系统
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TL494组成的控制电路
电力电子与电力传动
+12V
14 1+ 2 3
电力电子装置及系统
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无触点起动器控制系统框图
电力电子与电力传动
锯齿波形成电路 电流软给定电路
电流PI调节器
记忆封锁
电流反馈 滞环限 流电路
PWM 形成
IGBT驱动
滞环限流+记忆封锁（保护作用） 正常情况下采用 PWM 控制，当出现瞬时过流时采用
滞环控制，让系统躲过尖峰电流 , 不正常时间太长， 记忆封锁脉冲。
IBA 第二象限 +
A
E a
+
V V AB R a I AB AB N Ke Ke A 第一象限
I AB
Vd
Te
Vd
N
Vd-Ea ຫໍສະໝຸດ AB BIBATe
第三象限
B A V
d
T e
N
A
I AB Ea
I A (I AB ) Te KT I AB
第四象限
N
IBA
Ea
+
B
+
I AB
B
T e
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5.3.1主电路基本结构图
电力电子与电力传动

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第5章 直流-直流变换电路

第5章 直流-直流变换电路

Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。 斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。 斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
第五章直流交流(DCAC)变换.

第五章直流交流(DCAC)变换.

第五章直流一交流（DC—AC变换5.1 逆变电路概述5.1.1 晶闸管逆变电路的换流问题DC—AC变换原理可用图5-1所示单相逆变电路来说明，其中晶闸管元件VT1、VT4，VT2、VT3成对导通。

当VT、VT4导通时，直流电源E通过VT1、VE向负载送出电流，形成输出电压％左（+）、右（-），如图5-1 （a）所示。

当VT2、VT3导通时，设法将VT1、VT4关断，实现负载电流从VT1、VT4向VT a、VT3的转移，即换流。

换流完成后，由VT a、VT3向负载输出电流，形成左（-）、右（+）的输出电压％，如图5-1 （b）所示。

这两对晶闸管轮流切换导通，则负载上便可得到交流电压呦，如图5-1（c）波形所示。

控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，改变直流电压E的大小就可调节输出电压幅值。

输出电流的波形、相位则决定于交流负载的性质。

f；图5-1 DC —AC变换原理要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，器件，在承受正向电压条件下只要门极施加正向触发脉冲即可导通。

作用，只有使阳极电流衰减至维持电流以下才能关断。

常用的晶闸管换流方法有：（1）电网换流（2）负载谐振式换流（3）强迫换流即换流问题。

晶闸管为半控但导通后门极失去控制5.1.2 逆变电路的类型逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。

由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。

在交一直一交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。

根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：1.电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图电压源型逆变器有如下特点：1）直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。

第5章直流-直流变换电路习题

第5章直流-直流变换电路习题

一、问答题5-1、试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Buck ），升压斩波电路（Boost ），升-降压斩波电路（Buck-Boost ）和库克（Cuk ）斩波电路。

降压斩波电路是输出电压的平均值低于输入电压的变换电路。

它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。

升压斩波电路是输出电压的平均值高于输入电压的变换电路。

它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。

升-降压变换电路是输出电压的平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。

主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。

库克电路也属升-降压型直流变换电路，但输入端电流波纹小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。

5-2、简述图3-1基本降压斩波电路的工作原理。

输出电压电流波形。

答：0=t 时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压E u =0，负载电流0i 按指数曲线上升。

1t t =时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0u 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。

5-3、根据下图简述升压斩波电路的基本工作原理。

（图中设：电感L 、与电容C 足够大）输出电流波形答：当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，设充电电流为i 1，L 值很大，i 1基本恒定，同时电容C 向负载供电，C 很大，使电容器电压u 0基本不变，设V 处于通态的时间为t on ，在t on 时间内，电感L 上积蓄的能量为EI 1t on ；图3-2 基本升压斩波 图3-1基本降压斩波电路当V 处于断态时，E 与L 同时向电容充电，并向负载R 提供能量。

设V 处于断态的时间为t off ，在t off 时间内L 释放的能量为（U 0-E ）I 1t off ，在一周期内L 积蓄的能量与释放的能量相等。

可求得： E t T U off=0。

第5章 直流-直流开关型变换器 习题答案

第5章 直流-直流开关型变换器 习题答案

第5章 直流-直流开关型变换器 习题第1部分：简答题1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？答：导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即 onst D T， 直流－直流开关型变换器有三种控制方式：1）脉冲宽度调制PWM ，特点为：周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。

2）脉冲频率调制PFM ，特点为：导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。

3）混合型调制，特点为：导通时间和周期均可改变，来调节占空比。

其中PWM 最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。

2.画出带LC 滤波的BUCK 电路结构图。

并回答下列问题：实用的BUCK 电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？答：带LC 滤波的BUCK 电路结构图如下：1）实用Buck 电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。

2）续流二极管的作用是：当开关VT 断开时，构成续流回路，释放电感储能。

3）滤波器的转折频率fc 应远小于开关频率fs ，以滤除输出电压中的高次谐波。

3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。

答：BOOST电路结构图如下：二极管的作用：规定电流方向，隔离输出电压。

电容的作用：在开关断开期间，保持负载电压。

4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。

答：1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。

物理意义是: 稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。

2)稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。

物理意义是：稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零。

5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？答：1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在0～1和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。