《电力电子应用技术 第4版 教学课件 ppt 作者 王楠 第3章 直流斩波电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子应用技术 第4版 教学课件 ppt 作者 王楠 第3章 直流斩波电路（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、直流-直流变换电路,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 也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter） 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,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,第3章,斩波电路的工作原理,3.1,图中的S为理想开关， 当S在ton期间闭合时， 输出电压uo=E； 当S在toff期间断开时， 输出电压uo
2、=0。,负载电压的平均值为：,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,斩波电路的工作原理,3.1,式中，ton为S导通的时间；toff为S关断的时间；T为开关周期T=ton+toff；,称为占空比。,此种方式应用最多,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 -升压斩波电路,3.2,降压斩波电路,原理图：,全控型器件 图中为IGBT 若为晶闸管，须 有关断辅助电路,续流二极管,负载出现的反电动势,动态演示,3.2.1,降压斩波电路,3.2.1,降压斩波电路,3.2.1,工作原理 t=0时刻
3、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,数量关系 电流连续时，,降压斩波电路,3.2.1,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比,电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现,负载电压平均值：,负载电流平均值：,降压斩波电路,V为断态期间，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：,降压斩波电路,3.2.1,由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出：,；,用泰勒
4、级数近似,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。,降压斩波电路,3.2.1,降压斩波电路,3.2.1,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,升压斩波电路,原理图：,保持输出电压,3.2.2,动态演示,储存电能,升压斩波电路,3.2.2,3.2.2 升压斩波电路 数量关系,V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，
5、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,化简得： T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路,数量关系,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,升压斩波电路,3.2.2,=,升压比； 升压比的倒数记作b ，即 b和a的关系： 因此，式（3-21）可表示为,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
6、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：,升压斩波电路,3.2.2,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,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,升压斩波电路,3.1.2,动画演示,升压斩波电路,3.2.2,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
7、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恒定的，因此不必并 联电容器。,升压斩波电路,3.2.2,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1. 升降压斩波电路,原理图：,3.2.3,动态演示,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,基本工作原理,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
8、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,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,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）,所以输出电压为：,（3-40）,（3-41）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,数量关系,V处于通态期间 uL = E,V处于断态期间 uL = - uo,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,由上式可得：,（3-43）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,结论,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。
9、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,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,2. Cuk斩波电路,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,Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,2. Cuk斩波电路,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,Cuk斩波电路在一个工作
10、周期中，电容C在开关关断期间吸收能量，在开关导通期间释放能量，从而将能量从输入端传向输出端，起到了传递能量的作用,稳态时，忽略电路的损耗，假设电容C和电感L足够大，一个周期内电感L储存的能量等于释放的能量，故平均电压等于零，即,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,对电感L1有,对电感L2有,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,升降压斩波电
11、路和Cuk斩波电路,3.2.3,同理可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.2.3,上述输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。,优点（Cuk VS 升降压）： 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。,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路,3.2.4,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3.2.4,Sepic斩波电路的基本工作原理：,当V处于通态时，EL1V回路和C1VL2回路同 时
12、导电，L1和L2贮能。,V处于断态时，EL1C1VD负载（C2和R）回路及L2VD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。,Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：,（3-49）,Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3.2.4,Zeta斩波电路的输入输出关系为：,两种
13、电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。 另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的。,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3.2.4,其他直流斩波电路,3.3,3.3.1 双向DC-DC变换电路,复合斩波电路,名词解释,降压斩波电路和升压斩波电路的组合构成,多相多重斩波电路,相同结构的基本斩波电路组合构成,3.3,其他直流斩波电路,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 降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动机工作于第
14、1象限 升压斩波电路，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，拖动直流电动机时，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,3.3.1,双向DC-DC变换电路,原理图：,3.3.1,V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限,分析：,V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限,必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路,双向DC-DC变换电路,在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通， 电流不断，所以响应很快。,第3
15、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,当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为 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。以下图 为例说明。,只作降压斩波器运行时，则V2和VD2总处于断态； 只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态；,3.3.1,双向DC-DC变换电路,电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的 当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合（即四象限运行），须将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，成为桥式可逆斩波电路,3.3.1,双向DC-DC变换电路,
16、使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态 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，可使电动机工作于第3、4象限,桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路,3.2.2,名词解释,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,多相多重斩波电路,3.3.3,多相多重斩波电路,3.3.3,示例：3相3重降压斩波电路,多相多重斩波电路,3.3.3,分析：,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
