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1、3 1 第3章直流斩波电路 3 1基本斩波电路3 2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结 3 2 第3章直流斩波电路 引言 直流斩波电路 DCChopper 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直流 直流变换器 DC DCConverter 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 电路种类6种基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路 Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 复合斩波电路 不同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合 3 3 3 1基本斩波电路 3 1 1降压斩波电路3 1 2升压斩波电路3
2、1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路3 1 4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 3 4 3 1 1降压斩波电路 电路结构 全控型器件若为晶闸管 须有辅助关断电路 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一是拖动直流电动机 也可带蓄电池负载 降压斩波电路 BuckChopper 3 5 3 1 1降压斩波电路 工作原理 图3 1降压斩波电路得原理图及波形 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 动画演示 3 6 3 1
3、1降压斩波电路 数量关系 电流连续 负载电压平均值 3 1 3 2 ton V通的时间toff V断的时间a 导通占空比 电流断续 Uo被抬高 一般不希望出现 负载电流平均值 3 7 3 1 1降压斩波电路 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 此种方式应用最多 第2章2 1节介绍过 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想 基于 分段线性 的思想 对降压斩波电路进行解析 分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续 3 8 3 1 1降压斩波电路 同样可以从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大
4、故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量 为 在整个周期T中 负载消耗的能量为 输出功率等于输入功率 可将降压斩波器看作直流降压变压器 一周期中 忽略损耗 则电源提供的能量与负载消耗的能量相等 3 9 3 1 1降压斩波电路 负载电流断续的情况 I10 0 且t tx时 i2 0 3 16 电流断续的条件 3 17 3 17 3 10 3 1 2升压斩波电路 升压斩波电路 BoostChopper 保持输出电压 储存电能 电路结构 1 升压斩波电路的基本原理 3 11 3 1 2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充电 电流恒定I1 电容C向负载
5、R供电 输出电压Uo恒定 V处于断态时 电源E和电感L同时向电容C充电 并向负载提供能量 动态演示 图3 2升压斩波电路及工组波形 a 电路图 b 波形 3 12 3 1 2升压斩波电路 数量关系 设V通态的时间为ton 此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff 则此期间电感L释放能量为稳态时 一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 3 21 3 20 化简得 T toff 1 输出电压高于电源电压 故为升压斩波电路 3 13 3 1 2升压斩波电路 电压升高得原因 电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住 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 3 24 与
6、降压斩波电路一样 升压斩波电路可看作直流变压器 输出电流的平均值Io为 3 25 电源电流的平均值Io为 3 26 3 14 3 1 2升压斩波电路 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 PFC 电路三是用于其他交直流电源中 t t T E i O O b a i 1 i 2 I 10 I 20 I 10 t on t off u o 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
7、画演示 3 15 3 1 2升压斩波电路 数量关系 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 3 16 3 1 2升压斩波电路 如图3 3c 当电枢电流断续时 当t 0时刻i1 I10 0 令式 3 31 中I10 0即可求出I20 进而可写出i2的表达式 另外 当t t2时 i2 0 可求得i2持续的时间tx 即 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 电流断续的条件 3 17 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路 buck boostChopper 电路结构 3 18 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 基本工作原理 a 图3
8、 4升降压斩波电路及其波形a 电路图b 波形 V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断时 L的能量向负载释放 电流为i2 负载电压极性为上负下正 与电源电压极性相反 该电路也称作反极性斩波电路 动态演示 3 19 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 数量关系 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 3 39 V处于通态uL E V处于断态uL uo 3 20 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 图3 4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形 设两者的平均值分别为I1和I2 当电流脉动足够小时 有 3 4
9、2 由上式得 3 43 结论 当0 a 1 2时为降压 当1 2 a 1时为升压 故称作升降压斩波电路 也有称之为buck boost变换器 其输出功率和输入功率相等 可看作直流变压器 3 44 3 21 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 2 Cuk斩波电路 V通时 E L1 V回路和R L2 C V回路有电流 V断时 E L1 C VD回路和R L2 VD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 5Cuk斩波电路及其等效电路a 电路图b 等效电路 3 22 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 同理 数量关系 3 45 3 46
10、 3 48 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 23 b Zeta斩波电路 3 1 4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a Sepic斩波电路 图3 6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 电路结构 Speic电路原理V通态 E L1 V回路和C1 V L2回路同时导电 L1和L2贮能 V断态 E L1 C1 VD 负载回路及L2 VD 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 3 49 3 24 3 1 4Sepic斩波电路和Zeta斩波电
11、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 L1 VD C1构成振荡回路 L1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 6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 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 25 3 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3 2 2桥式可逆斩波电路3 2 3多相多重斩波电路 3 26 3 2 1电流可逆斩波电路 复合斩波电路 降压斩
12、波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路 相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时 常要使电动机既可电动运行 又可再生制动 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限 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 但电压只能是一种极性 故其可工作于第1象限和第2象限 电流可逆斩波电路 3 27 3 2 1电流可逆斩波电路 电路结构 a 电路图 V1和VD1构成降压斩波电路 电动机为电动运行 工作于第1象限 V2和VD2构成升压斩波电路 电动机作再生制动运行 工作于第2象限 必须防止V1和V2同时导通而导
13、致的电源短路 工作过程 三种工作方式 第3种工作方式 一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作 当一种斩波电路电流断续而为零时 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流过 电路响应很快 图3 7电流可逆斩波电路及波形 3 28 3 2 2桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 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 图3 8桥式可逆斩波电路 使V4保持通时 等效为图3 7a所示的电流可逆斩波电路 提供正电压 可使电动机工作于第1 2象限 使V2保持通时 V3 VD3和V4 VD4等效为又一组电流可逆斩波电路 向电动机提供负电压 可使电动机
14、工作于第3 4象限 3 29 3 2 3多相多重斩波电路 基本概念 多相多重斩波电路 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 相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数 重数 负载电流脉波数 3 30 3 2 3多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路 电路结构 相当于由3个降压斩波电路单元并联而成 总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和 其平均值为单元输出电流平均值的3倍 脉动频率也为3倍 总的输出电流脉动幅值变得很小 所需平波电抗器总重量大为减轻 总输出电流最大脉动率 电流脉动幅值与电流平均值之比 与相数的平方成反比 图3 93相3重斩波电路及其波形 3 31 3 2 3多相多重斩波电路 当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时 则为3相1重斩波电路 而当电源为3个独立电源 向一个负载供电时 则为1相3重斩波电路 多相多重斩波电路还具有备用功能 各斩波电路单元可互为备用 3 32 本章小结 本章介绍了6种基本斩波电路 2种复合斩波电路及多相多重斩波电路 本章的重点是 理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理 掌握这两种电路的输入输出关系 电路解析方法 工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域 而开关电源则是斩波电路应用的新领域 前者的应用在逐渐萎缩 而后者的应用是电力电子领域的一大热点
