直流斩波电路分析课件

《直流斩波电路分析课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流斩波电路分析课件（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology,第十一讲 直流斩波电路分析,直流斩波电路（DC Chopper） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter） 一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流 习惯上，DCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况,直流斩波电路的种类 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，其中前两种是最基本的电路 复合斩波电路不同基本斩波电路组合 多相多重斩波电路相同结构基本斩波

2、电路组合,第十一讲 直流斩波电路分析,11.1 基本斩波电路 11.1.1 降压斩波电路 11.1.2 升压斩波电路 11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 11.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 11.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 11.2.1 电流可逆斩波电路 11.2.2 桥式可逆斩波电路 11.2.3多相多重斩波电路,11.1 基本斩波电路,重点介绍最基本的两种基本电路-降压斩波电路和升压斩波电路 11.1.1 降压斩波电路 11.1.2 升压斩波电路 11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 11.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,返回,11.

3、1.1 降压斩波电路,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,图3-1 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,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,返回,动画,11.1.1 降压斩波电路,数量关系 电流连续时，负载电压平均值 tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比

4、 Uo最大为E ，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。 负载电流平均值 电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现,（3-1）,（3-2）,11.1.1 降压斩波电路,斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分） 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 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行分析 V通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：,（3-3）,设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得 V断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为I20，解上式得： 当电流

5、连续时，有：,11.1.1 降压斩波电路,（3-5）,（3-4）,（3-6）,（3-7）,（3-8）,即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出： 式中: ； ； 。由图3-1b可知，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。,11.1.1 降压斩波电路,（3-9）,（3-10）,11.1.1 降压斩波电路,把式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似，可得 上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值

6、均等于平均值。,（3-11）,从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，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，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 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，即 则,11.1.1 降压斩波电路,（3-12）,（3-13）,11.1.1 降压斩波电路,在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有 其值小于等于负载电流Io，由上式得 即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。,（3-14）,（3-15）,负载电流断续的情况： I10=0，且t=t

7、x时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx为： 电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为： 对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。,11.1.1 降压斩波电路,（3-16）,（3-17）,11.1.1 降压斩波电路,在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为： Uo不仅和占空比a 有关，也和反电动势EM有关。 此时负载电流平均值为,（3-18）,（3-19）,11.1.2 升压斩波电路,1.升压斩波电路的基本原理 工作原理 假设L值很大，C值也很大 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电

8、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 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为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,图3-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形,（3-20）,返回,化简得： ，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也称之为boost变换器 升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与3.1.1节中介绍的改变导通比a的方法类似。将升压比的倒数记 作b ，即 。 b 和导通占空比a有如下关系： 因此，式（3-21）可表示为,11.1.

9、2 升压斩波电路,（3-21）,（3-22）,（3-23）,11.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住 以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低,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 该式表明，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。 根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为 由式（3-24）即可得出电源电流I1为：,11.1.2 升压斩波电

10、路,（3-24）,（3-25),（3-26）,2. 升压斩波电路的典型应用 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,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,11.1.2 升压斩波电路,用于直流电动机传动时 通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态 此时电机的反电动势相当于 图3-2电路 中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是

11、恒定的，因此不必并联电容器。,11.1.2 升压斩波电路,电路分析 V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。 设i1的初值为I10，解上式得 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： 设i2的初值为I20，解上式得：,11.1.2 升压斩波电路,（3-27）,(3-28),（3-29）,（3-30）,当电流连续时，从 图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得： 由以上两式求得：,11.1.2 升压斩波电路,（3-31）,（3-32）,（3-33）,（3-34）,与降压斩波电路一样，把上面

12、两式用泰勒级数线性近似，得 （3-35） 该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即 （3-36） 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了 。,11.1.2 升压斩波电路,当电枢电流断续时的波形如 图3-3c所示。 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 当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即 根据此式可对电路的工作状态作出判断。,11.1.2 升压斩波电路,（3-37）,（3-38）,11.1.3 升降压斩波电路和

13、Cuk斩波电路,1. 升降压斩波电路 设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。 基本工作原理 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,图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,返回,动画,11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,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 当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是： 所以输出电压

14、为：,（3-39）,（3-40）,（3-41）,改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter） 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,图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,（3-42）,动画,由上式可得： 如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则 其输出功率和输入功率相等，可

15、看作直流变压器。,11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,（3-44）,（3-43）,2. Cuk斩波电路 图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。 V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流 V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流 输出电压的极性与电源电压极性相反 等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即 在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得 从而可得,11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,（3-45）,（3-46）,（3-47）,当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，