电力电子技术-第5章直流直流变流电路

a)
V导通时，电源E经V向L供 电使其贮能，此时电流为i1，同 时C维持输出电压恒定并向负 载R供电。 V关断时，L的能量向负载 释放，电流为i2，电压极性上负 下正，与电源电压极性相反， 该电路也称作反极性斩波电路。
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 28/59
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
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
※与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是 直流变压器。

根据电路结构分析输出电流的平均值Io为：

则电源电流的平均值I1为：
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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=40s，ton=25s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：
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=20s,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
■升降压斩波电路
二、基本的数量关系
a)
稳态时，一个周期T内电 感L两端电压uL对时间的积分为 零，即

T
0
uL d t 0
(5-39)
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
当V处于通态期间，uL=E；当 V处于断态期间，uL=-uo。于是 根据积分得出：
E ton U o toff
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课程回顾
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课程回顾
5.1.1 降压斩波电路 (一) 工作电路
IGBT
负载出 现的反 电动势
续流二极管
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课程回顾
(二) 数量关系
t on t on Uo E E E t on t off T
Io U o Em R
◆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
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： EI1ton=(U0-E)I1toff
ton toff T Uo E E toff toff
ton toff T Uo E E toff toff
升压比的倒数记作 ，即
和的关系：
T/toff——升压比；
tof f T
GE o
a)
I1
b)
图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形 12/59
上积蓄的能量为： EI1ton
iGE
0
ton: V处于通态，L
上释放的能量为： (U0-E)I1toff
I1
toff: V处于断态，L
io
0
toff
ton
数量关系(直接从能量角度分析） V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压 向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为 Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为： EI1ton V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断 开的时间为toff，则此期间电感L释放能量为： (U0-E)I1toff
数量关系分析－从能量传递角度推导 负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量为:EI0ton
在整个周期T中，负载消耗的能量为:RI02T+EMI0T
一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗 U0 的能量相等
设I1为电源电流平均值
电源侧
负载侧
输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降 10/59 压变压器
ton
u
o
E
1 me t x ln 1 m
(5-37)
O i
o
t
i
1
i
2
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态，tx<t0ff是 电流断续的条件，即
I O t
on
20
t
1
t
x
t
2 off
t
t T
1 e m 1 e

c)
(5-38)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形 c）电流断续时
(5-40)
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5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
所以输出电压为：
Uo
t on t E on E E t off T t on 1
(5-41)
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 0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电 路。 ☞电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有
IGBT,若为晶闸管，须有关断辅 助电路 负载出 现的反 电动势
(一) 工作电路
续流二极管
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5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆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。
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( A) R 20
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5.1.2 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（Power Factor Correction—PFC）电路，三 是用于其他交直流电源中。 ◆以用于直流电动机传动 为例 ☞在直流电动机再生制 动时把电能回馈给直流电源。 ☞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。 18/59
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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动态演示
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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
t on t on Uo E E E t on t off T
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
i2 (t ) I 20 e
t t1
O
t
on
t
O
ton T
t
T
b)
c)

图5-3 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
E Em 1 e R
t t1


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5.1.2 升压斩波电路
☞电流连续时得L为无穷大时电枢 电流的平均值Io为
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课程回顾
5.1.2 升压斩波电路
(一) 工作电路
储存电 能 保持输 出电压
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课程回顾
(二) 数量关系
ton toff T Uo E E toff toff
iGE
0
io
I1
0
toff
ton
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5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
■升降压斩波电路
一、工作原理
U o Em Io R
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5.1.1 降压斩波电路
☞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
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5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路
一、工作原理 V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流 过电流。 V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别 流过电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。
a)
u
o
E Em E I o m R R
(5-36)
t
E
O i
i
Hale Waihona Puke 1i2 I20
I O
10
I t
off
10
t
on
t
T
b) 图5-3 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
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5.1.2 升压斩波电路
☞当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间tx，即
到方波电压。 U 1 ton u dt t on U kU 0 0 d d T 0 T 占空比k=ton/T 斩波电路三种控制方式 T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） ton不变，变T —频率调制 ton和T都可调，改变占空比—混合型 T=Ton+Toff
5.1.1 降压斩波电路
输出电流平均值为
Io
U o - Em 80 30 5( A) R 10
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5.1.2 升压斩波电路
储存电 能
保持输 出电压
■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 i 充电，电流恒定I1，电容C向负载R 供电，输出电压Uo恒定。 0 ☞ V处于断态时，电源E和电感L i 同时向电容C充电，并向负载提供能 0 量。