电力电子技术5 直流-直流变流电路1
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5.1.1 降压斩波电路（Buck Chopper）
主电路由全控型开关管V、 二极管VD和电感L组成 对开关管V施加驱动信号ug， 进行高频周期性的通－断 控制。 ug 开关周期为T，开关 频率 f = 1/T 导通占空比（简称占 u VD 空比）a=ton /T 输出电压
U o = uVD ton = E =aE T
uVD
V E VD
L
iL
uVD
uo
C
R
•
•
E iL Io uL E - Uo
Uo t iLmax iLmin t t -Uo
ton T
toff
10
降压斩波电路的控制方式
电感电流连续时，已知输出电压的大小为 ton t Uo = E = on E = aE ton toff T 只要改变开关管在一个周期中的导通占空比，就可改 变输出电压。 控制方式按调制的方式不同而划分 1. 保持T不变，调节ton — 脉冲宽度调制（PWM）－ －－最常用！！ 2. 保持ton不变，调节T — 频率调制 3. ton和T都可调，改变占空比 — 混合型
T 0
t
电感电流断续时输出电压为 t t U o = on E on E ton t x T
tx
降压斩波电路的应用举例
斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄 电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图 中EM所示
V E iG L io R
+
VD uo M EM
-
13
uL
E
Uo t
E - Uo -Uo ton T
8
t
toff
电感电流连续时的数量分析
•
电感电流连续时降压斩波电路的 输出电压为
V E VD
L
iL
uVD
uo
C
R
uL dt = 0
T 0
0on ( E U o )dt ton (U o )dt = 0 ( E U o )ton U o (T ton ) = 0 ton Uo = E = a E T
V E ug L io R
+
VD uo M EM
-
解： 由于L值极大，故负载电流连续，
输出电压平均值为 U o =
ton 20 200 E= = 80V T 50
输出电流平均值为 I o = U o - Em = 80 30 = 5A R 10
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例5-2 在降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5Ω， Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20ms，当ton=5ms 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 L R i V 续。
+
VD uo M EM
-
ug O io t on T i1 I10 O uo
Uo最大为E，减小占空 比a，Uo随之减小。
负载电流平均值
t off t i2 I 20 t1 t2 t
U o EM Io = R
E
O
15
t
降压斩波电路拖动直流电动机（电流连续）
V通态期间，设负载电流为 i1，可列出如下方程：
第5章 直流-直流变流电路
丘东元
导 言
DC－DC变换器（DC/DC Converter） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 DC-DC变换输出的直流电压有两类不同的应用领域 一是要求输出电压可在一定范围内调节控制，即要 求DC－DC变换器输出可变的直流电压，例如负载 为直流电动机，要求可变的直流电压供电以改变其 转速。 另一类负载则要求DC-DC变换器的输出电压无论 在电源电压变化或负载变化时都能维持恒定不变， 如直流开关稳压电源要求输出恒定的直流电压。
t
T
uVD
E
Uo t
uL
E - Uo -Uo ton T toff
9
t
电感电流连续时的数量分析
•
V导通时（ton期间），uL>0，iL 线性上升 V关断时（toff期间）， uL<0，iL 线性下降 若假定该变换器无损耗，输入功 率等于输出功率，那么输出平均 电流Io与输入平均电流I1的关系 为
I1 EI1 = U o I o = a Io
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电感电流断续时的数量分析
当电感L较小，不能维持电感 电流连续时，降压斩波电路出 现第三种开关模态。 T-ton-tx期间，V和VD均截止， iL为零，电感电压也为零。
iL t uL E - Uo -Uo ton T
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V E VD
L
iL
uVD
uo
C
R
uL dt = 0 ( E U o )ton U o t x = 0
Uo = ton E (T ton tx ) EM T t t = a 1 on x m E T
V E ug
L
io
R
+
VD uo M EM
-
ug O io O uo O t on Tt i1 E t1
x
t off t i2 I20 t2 E t
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本章安排
5.1 六种基本斩波电路－－直接直流变流电路，无变压 器隔离 降压斩波电路（最基本的电路之一） 升压斩波电路（最基本的电路之二） 升降压斩波电路 Cuk斩波电路 Sepic斩波电路 Zeta斩波电路 5.2 复合斩波电路 — 不同基本斩波电路组合 5.2 多相多重斩波电路 — 相同结构基本斩波电路组合 5.3 间接直流变流电路 — 逆变电路、整流电路及中间 变压器
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导 言
DC－DC变换器常按输入与输出间是否有变压器隔离分 为两类 直接直流变流电路 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。 也称斩波电路（DC Chopper）。 间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节（DC-ACDC）。 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。
V E ug L io R
+
VD uo M EM
d i1 L Ri1 EM = E dt 设此阶段电流初值为I10， = L/R，解上式得
i1 = I10e
t
-
ug O io t on T i1 I10 O uo
t off t i2 I 20 t1 t2 t
E EM R
1 e
t
1 e E EM 1 e E I 20 = = m T / R 1 e R R 1 e
t
式中 = T / ， m = EM / E ，
t1 T t1 / = = a T
ug O io t on T i1 I10 O uo i2 I 20 t1 E t2 t off
-
解得
I10 e t1 / 1 E EM ea 1 E = T / = m R e 1 R R e 1
t1 / a
O
t
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降压斩波电路拖动直流电动机（电流断续）
假如负载中L值较小， 则有可能出现负载电流 断续的情况。 负载电流断续的情况： I10 = 0，且t = ton+tx时， i2 = 0，tx为
ug O io O uo O t on Tt i1 E t1
x
V E ug
L
io
R
+
VD uo M EM
i2 = I 20e
t
E M R
1 e
t
E
O
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t
降压斩波电路拖动直流电动机（电流连续）
当电流连续时，I10和I20分别 是负载电流瞬时值的最小值和 最大值，满足
I10 = i2 (t2 )
V E ug
L
io
R
+
VD uo M EM
I 20 = i1 (t1 )
V E ug
L
io
R
+
VD uo M EM
-
ug O io t on T i1 I10 O uo
t off t i2 I 20 t1 t2 t
t
E
O
t
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降压斩波电路拖动直流电动机（电流连续）
电流连续时的数量关系
V E ug L io R
负载电压平均值
ton ton Uo = E= E =aE ton toff T
降压斩波电路拖动直流电动机
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（二极管电压） uo=E，负载电流io按指数 曲线上升。 = t1时刻，控制V关断， 负载电流经二极管VD续 流，负载电压uo近似为 零，负载电流呈指数曲 线下降。为了使负载电 流连续且脉动小通常使 串接的电感L值较大。
V E uVD
L VD
iL uo C R
uVD
E
Uo t
uL
E - Uo -Uo ton T
7
t
toff
降压斩波电路的基本原理
V E uVD
L VD
iL uo C R
V 关 断 时（ toff 期 间） ， iL 通过二极管VD续流
uVD = 0
uVD
此时加在电感 L 上的电压 为 di uL = L L = U o dt
