第5章_DC-DC變換技術(shù)

1、1第第5章章 DC-DCDC-DC變換技術(shù)變換技術(shù)將直流電變換成另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電對應(yīng)電路稱為將直流電變換成另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電對應(yīng)電路稱為直流斬直流斬波電路波電路（DC Chopper） ，又稱又稱直流直流-直流直流變換電路（變換電路（DC/DC Converter），），實現(xiàn)實現(xiàn) DC/DC變換變換。圖5-1 直流斬波器的工作原理 ETtdtETUontoon01（5-1） 根據(jù)根據(jù)改變輸出電壓大小的方法可以分為三種：改變輸出電壓大小的方法可以分為三種： 定頻調(diào)寬定頻調(diào)寬：改變改變ton而保持通斷周期而保持通斷周期T不變，又稱脈沖寬度不變，又稱脈沖寬度 調(diào)制調(diào)制（PW

2、MPulse Width Modulation）。）。 定寬調(diào)頻定寬調(diào)頻：保持：保持ton不變而改變通斷周期不變而改變通斷周期T，又稱脈沖頻率調(diào)制，又稱脈沖頻率調(diào)制（PFM）。）。 調(diào)頻調(diào)寬混合調(diào)制調(diào)頻調(diào)寬混合調(diào)制：對脈沖頻率與寬度綜合調(diào)制，即同時改：對脈沖頻率與寬度綜合調(diào)制，即同時改變變ton和和T，稱為混合調(diào)制。，稱為混合調(diào)制。 根據(jù)輸出電壓與輸入電壓大小關(guān)系，可以分為根據(jù)輸出電壓與輸入電壓大小關(guān)系，可以分為降壓型降壓型（Buck）、）、 升壓型升壓型（Boost）和和升降壓型（升降壓型（ Buck- Boost）三種三種基本類型?；绢愋?。 降壓型降壓型：UoE。 升壓型升壓型：Uo E

3、。 升降壓型升降壓型： Uo E、 Uo E 或或Uo = E 。 圖5-2 降壓斬波電路的原理圖及波形（Buck Chopper）電路構(gòu)成電路構(gòu)成 使用一個使用一個全控型器件全控型器件V，圖，圖中為中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。 設(shè)置了設(shè)置了續(xù)流二極管續(xù)流二極管VD，在，在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道。道。 主要用于電子電路的供電電主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機(jī)或帶蓄源，也可拖動直流電動機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)中均會出現(xiàn)反

4、電動勢反電動勢，如圖中，如圖中EM所示。所示。 圖5-2 降壓斬波電路的原理圖及波形（Buck Chopper）工作原理工作原理電流連續(xù)工作狀態(tài)（電流連續(xù)工作狀態(tài)（電感電感L足夠大足夠大，圖，圖5-2b） ton期間期間 :V導(dǎo)通導(dǎo)通 , VD截止截止 ，uo=E，負(fù)載電，負(fù)載電流流io按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。 toff期間期間 : V關(guān)斷關(guān)斷，VD續(xù)流續(xù)流，uo=0 ，負(fù)載，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。電流呈指數(shù)曲線下降。電流斷續(xù)工作狀態(tài)（電流斷續(xù)工作狀態(tài)（ txtoff ，圖，圖5-2c） 如果如果L值較小或開關(guān)周期值較小或開關(guān)周期T較大，當(dāng)負(fù)載電較大，當(dāng)負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律下降到流按指

5、數(shù)規(guī)律下降到tx時，負(fù)載電流已衰減到時，負(fù)載電流已衰減到零。零。 ton期間期間 :V導(dǎo)通導(dǎo)通 , VD截止截止 ，uo=E，負(fù)載電，負(fù)載電流流io按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。 tx期間期間 : V關(guān)斷關(guān)斷，VD導(dǎo)通續(xù)流導(dǎo)通續(xù)流，uo=0 ，負(fù)，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。載電流呈指數(shù)曲線下降。 toff -tx期間期間 ： V關(guān)斷關(guān)斷, VD截止截止 ，uo=EM，負(fù)載電流負(fù)載電流io=0。（Buck Chopper）基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù)時電流連續(xù)時 負(fù)載電壓的平均值為負(fù)載電壓的平均值為 EETtEtttUonoffonono(5-2)式中，式中， 為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比

6、或?qū)ū?。為?dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流平均值為REUIMoo(5-3)可見：斬波電路有三種控制方式（常用的為第可見：斬波電路有三種控制方式（常用的為第1種）種） （1）脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變不變，改變ton。 （2）脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制：ton不變，改變不變，改變T。 （3）混合調(diào)制混合調(diào)制：ton和和T都可調(diào)，改變占空比。都可調(diào)，改變占空比。REmeeREREeeIDDMTton1111/10REmeeREREeeIDDMTton1111/20式中，式中， ， ， ，/TDEEmM/DTTttonon /把式（把式（5-10）和

7、式（）和式（5-11）用泰勒級數(shù)近似，可得）用泰勒級數(shù)近似，可得 oIREmII2010平波電抗器平波電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。 (5-10)(5-11)(5-12)RL /負(fù)載電流最小值與最大值為負(fù)載電流最小值與最大值為（Buck Chopper）電流斷續(xù)時有電流斷續(xù)時有I10=0，且，且t=ton+tx時，時，i2=0，可以得出，可以得出 memtDx)1 (1ln電流斷續(xù)時，電流斷續(xù)時，txtoff，由此得出電流斷續(xù)的條件為，由此得出電流斷續(xù)的條件為 11DDeem輸出電壓平均值為輸出電壓平均值為 EmTt

8、tTEttTEtUxonMxonono1)(負(fù)載電流平均值為負(fù)載電流平均值為 REUREmTtttitiTIMoxonttttoonxonon021dd1(5-17)(5-18)(5-19)(5-20)（Buck Chopper）基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期期T中電感中電感L積蓄的能量與釋放的能量積蓄的能量與釋放的能量相等，即相等，即 offoontIEUtEI11化簡得化簡得 EtTEtttUoffoffoffono上式中的上式中的 升壓型升壓型1/offtT(5-21)(5-22)工作原理工作原理 假設(shè)假設(shè)L和和C值很大。值很大。 V

9、處于處于通態(tài)通態(tài)時，電源時，電源E向電感向電感L充電，充電，電流恒定電流恒定I1，電容，電容C向負(fù)載向負(fù)載R供電，輸出電供電，輸出電壓壓Uo恒定。恒定。 V處于處于斷態(tài)斷態(tài)時，電源時，電源E和電感和電感L同時同時向電容向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。充電，并向負(fù)載提供能量。（Boost Chopper）圖5-3 升壓斬波電路及其工作波形將升壓比的倒數(shù)記作將升壓比的倒數(shù)記作，即，即 ，則，則 和導(dǎo)通占空比和導(dǎo)通占空比 有如下關(guān)系有如下關(guān)系 Ttoff1式（式（5-22）可表示為）可表示為 EEUo111如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)

10、載R消耗，即消耗，即 ooiIUEI 輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為為 RERUIoo1電源電流電源電流Ii為為 REIEUIooi21(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)(5-27)（Boost Chopper）ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)典型應(yīng)用典型應(yīng)用 一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三是用于其他）電路，三是用于其他交直流電源中。交直流電源中

11、。 以用于直流電動機(jī)傳動為例以用于直流電動機(jī)傳動為例 在直流電動機(jī)在直流電動機(jī)再生制動再生制動時把電能回時把電能回饋給直流電源。饋給直流電源。 電動機(jī)電樞電動機(jī)電樞電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)兩種工兩種工作狀態(tài)。作狀態(tài)。 電樞電樞電流連續(xù)時電流連續(xù)時 REEREmIMoEETtUoffo（Boost Chopper）圖5-4 用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形(5-37)電樞電流斷續(xù)時，可求得電樞電流斷續(xù)時，可求得i2持續(xù)的時間持續(xù)的時間tx，即，即 mmetontx11ln當(dāng)當(dāng)txt0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)， txt0ff是電流斷續(xù)的條件，即是電

12、流斷續(xù)的條件，即 DDeem11(5-37)(5-38)（Boost Chopper）REeemREeeREIDDTtMoff111110REeeemREeeeREIDDDTTtMon1120負(fù)載電流最小值與最大值為負(fù)載電流最小值與最大值為(5-34)(5-35)otb)oti1i2tontoffILILa)圖5-5 升降壓斬波電路及其波形圖升降壓斬波電路升降壓斬波電路 又稱作反極性斬波電路又稱作反極性斬波電路工作原理工作原理 V導(dǎo)通導(dǎo)通時，電源時，電源E經(jīng)經(jīng)V向向L供電使其供電使其貯能，此時電流為貯能，此時電流為i1，同時，同時C維持輸出電維持輸出電壓恒定并向負(fù)載壓恒定并向負(fù)載R供電供電，u

13、L=E 。 V關(guān)斷關(guān)斷時，時，L的能量向負(fù)載釋放，的能量向負(fù)載釋放，電流為電流為i2， ，uL=-Uo?；镜臄?shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 穩(wěn)態(tài)時，一個周期穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感內(nèi)電感L兩端電兩端電壓壓uL對時間的積分為零，即對時間的積分為零，即 可推得：可推得：TLtu00doffoontUtE(5-40)(5-41)（Boost- Buck Chopper）所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttUononoffono1改變導(dǎo)通比改變導(dǎo)通比 ，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0 1/2時為降壓，當(dāng)時為降壓，當(dāng)1/2

14、1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。 電源電流電源電流i1和負(fù)載電流和負(fù)載電流i2的平均值分別為的平均值分別為I1和和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有，當(dāng)電流脈動足夠小時，有 offonttII21由上式可得由上式可得 1121IIttIonoff如果如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即為沒有損耗的理想開關(guān)時，則輸出功率和輸入功率相等，即 21IUEIo(5-42)(5-43)(5-44)(5-45)（Boost- Buck Chopper）5.3.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路概念概念 復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路：

15、降壓斬波電路和升壓斬波電路組合降壓斬波電路和升壓斬波電路組合 構(gòu)成。構(gòu)成。 多相多重斬波電路多相多重斬波電路：相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合 構(gòu)成。構(gòu)成。 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，常要使電動機(jī)既斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，常要使電動機(jī)既可可電動運行電動運行，又可，又可再生制動再生制動，降壓斬波電路能使電動機(jī)工，降壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第作于第1 1象限，升壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第象限，升壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第2 2象限。象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組

16、合，此電路電動機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是組合，此電路電動機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第一種極性，故其可工作于第1 1象限和第象限和第2 2象限。象限。ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)圖圖5-8 電流可逆斬波電路及其波形電流可逆斬波電路及其波形a） 電路圖電路圖 b） 波形波形 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) V V1 1和和VDVD1 1構(gòu)成構(gòu)成降壓斬波電路降壓斬波電路，電動機(jī)為，電動機(jī)為電動運行，工作于第電動運行，工作于第1 1象限。象限。 V V2 2和和VDVD2 2構(gòu)成構(gòu)成升壓斬波電路升壓斬波電路，電動機(jī)作，電動機(jī)作再生制動運行，工作于第再生制動運行，

17、工作于第2 2象限。象限。 必須防止必須防止V V1 1和和V V2 2同時導(dǎo)通而同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電源導(dǎo)致電源短路。短路。工作過程工作過程 兩種工作情況：只作降壓斬波器運行兩種工作情況：只作降壓斬波器運行和只作升壓斬波器運行。和只作升壓斬波器運行。 第第3 3種工作方式種工作方式：一個周期內(nèi)：一個周期內(nèi)交替交替地作地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。 第第3 3種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電種工作方式下，當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)電樞回路總讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)

18、電樞回路總有電流流過。有電流流過。 一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。一個周期內(nèi)，電流不斷，響應(yīng)很快。 5.3.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機(jī)提供正向和反將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機(jī)提供正向和反向電壓，使電動機(jī)可以向電壓，使電動機(jī)可以4 4象限象限運行。運行。 工作過程工作過程 V V4 4導(dǎo)通時，等效為圖導(dǎo)通時，等效為圖5-85-8所示的電流可逆斬波電路，提供所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓正電壓，可使電動機(jī)工作于可使電動機(jī)工作于第第1 1、2 2象限象限。 V V2 2導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，V V

19、3 3、VDVD3 3和和V V4 4、VDVD4 4等效為又一組電流可逆斬波電路，向等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供電動機(jī)提供負(fù)電壓負(fù)電壓，可使電動機(jī)工作于，可使電動機(jī)工作于第第3 3、4 4象限象限。5.3.2 橋式橋式可逆斬波電路可逆斬波電路圖圖7-4 7-4 全橋式直流斬波電路全橋式直流斬波電路5.3.2 橋式橋式可逆斬波電路可逆斬波電路圖圖7-5 雙極性雙極性PWM控制方式工作波形控制方式工作波形 在雙極性控制方式中，在雙極性控制方式中，開關(guān)管開關(guān)管VT1VT1、VT4VT4和和VT2VT2、VT3VT3被當(dāng)作兩對開關(guān)管對待，被當(dāng)作兩對開關(guān)管對待，即：即： ug1=ug4

20、ug1=ug4，ug2=ug3ug2=ug3。所以每對開關(guān)管都是同時所以每對開關(guān)管都是同時導(dǎo)通或斷開的。同一橋臂導(dǎo)通或斷開的。同一橋臂的兩個開關(guān)管中，總有一的兩個開關(guān)管中，總有一個是開通的。個是開通的。雙極性雙極性PWMPWM控制方式控制方式 5.3.2 橋式橋式可逆斬波電路可逆斬波電路圖圖7-6 單極性單極性PWM控制方式工作波形控制方式工作波形 在單極性在單極性PWMPWM控制方控制方式中，每個橋臂的開關(guān)管式中，每個橋臂的開關(guān)管是單獨控制的，且橋臂是單獨控制的，且橋臂A A的的ug1=-ug2ug1=-ug2，橋臂，橋臂B B的的ug3=-ug4ug3=-ug4。單極性單極性PWMPWM控

21、制方式控制方式5.3.3 多相多重多相多重斬波電路斬波電路 圖圖5-10 35-10 3相相3 3重斬波電路及其波形重斬波電路及其波形多相多重斬波電路多相多重斬波電路 是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。 相數(shù)相數(shù): :一個控制周期中電源側(cè)的電一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。流脈波數(shù)。 重數(shù)重數(shù)：負(fù)載電流脈波數(shù)。：負(fù)載電流脈波數(shù)。3 3相相3 3重降壓斬波電路重降壓斬波電路 電路及波形分析電路及波形分析 相當(dāng)于由相當(dāng)于由3 3個降壓斬波電路單元個降壓斬波電路單元并并聯(lián)聯(lián)而成。而成。 總輸出電流為總輸出電流為 3 3 個斬波電路單元個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的流平均值的3 3倍，脈動頻率也為倍，脈動頻率也為3 3倍。倍。 總輸出電流總輸出電流最大脈動率最大脈動率（電流脈（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)