《部分直流斩波电路》ppt课件

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1、电力电子技术 电子教案,第3章 直流斩波电路,2019/1/14,2,目 录,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 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 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 本章小结,2019/1/14,3,第三章 直流斩波电路,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

2、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电路组合,2019/1/14,4,3.1 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,2019/1/14,5,3.1.1 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

3、 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,2019/1/14,6,3.1.1 降压斩波电路,数量关系 电流连续时，负载电压平均值 （3-1） tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比 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 （3-2） 电流断续时，Uo被抬

4、高，一般不希望出现,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,2019/1/14,7,3.1.1 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,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,基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析 V通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程： （3-3）,2019/1/14,8,设此阶段电流初值为I10，=L/R

5、，解上式得 V断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： （3-5） 设此阶段电流初值为I20，解上式得： 当电流连续时，有：,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,3.1.1 降压斩波电路,2019/1/14,9,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： （3-9） （3-10） 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。 把式（3-9）和式（3-10）

6、用泰勒级数近似，可得 （3-11） 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、最小值均等于平均值。,3.1.1 降压斩波电路,2019/1/14,10,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 （3-12） 则 （3-13） 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 （3-14） 其值小于等于负载电流Io，由上式得

7、（3-15） 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。,3.1.1 降压斩波电路,2019/1/14,11,负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx为： （3-16） 电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为： （3-17） 对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。 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： （3-18） 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 （3-19）,3.1.1 降压斩波电路,2

8、019/1/14,12,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量 相等 （3-20） 化简得： （3-21） T/toff1，_输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路,3.1.2 升压斩波电路,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,图3-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形,2019/1/14,13,3.1.2 升压斩波电路,1.升压斩

9、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 （3-20）,图3-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形,2019/1/14,14,化简得： （3-21） ，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

10、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： （3-22） 因此，式（3-21）可表示为 （3-23） 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,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,15,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 （3-24） 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

11、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 （3-25) 由式（3-24）即可得出电源电流I1为： （3-26）,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,16,2. 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,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,17,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

12、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恒定的，因此不必并联电容器。,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,18,电路分析 V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 （3-27） 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 (3-28) 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： （3-29） 设i2的初值为I20，解上式得： （3-30）,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,19,当电流连续时，从图3-3b的电流波

13、形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得： （3-31） （3-32） 由以上两式求得： （3-33） （3-34）,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,20,与降压斩波电路一样，把上面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 。,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,21,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，

14、当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 （3-37） 当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即 （3-38） 根据此式可对电路的工作状态作出判断。,3.1.2 升压斩波电路,2019/1/14,22,3.1.3 升降压斩波电路和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。,图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,2019/1/14,23,升降压斩波电路,V断时

15、，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 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） 当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是： （3-40） 所以输出电压为： （3-41）,2019/1/14,24,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 （3-42）,图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,升降压斩波电路,2019/1/14,25,由上式可得： （3-43） 如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则 （3-44） 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,升降压斩波电路,2019/1/14,26,2. Cuk斩波电路 图3-5所示为Cuk斩