电力电子技术第5章---直流斩波电路课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,3,章 直流斩波电路,引言,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。,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,。,1,第3章 直流斩波电路引言直流斩波电路（DC Chop,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,2,3.1 基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路2,3.1.1,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（,Buck Chopper),3,3.1.1 降压斩波电路 电路结构 全控型器件续流二,3.1.1,降压斩波电路,工作原理,c),电流断续时的波形,E,V,+,-,M,R,L,VD,i,o,E,M,u,o,i,G,t,t,t,O,O,O,b),电流连续时的波形,T,E,i,G,t,on,t,off,i,o,i,1,i,2,I,10,I,20,t,1,u,o,O,O,O,t,t,t,T,E,E,i,G,i,G,t,on,t,off,i,o,t,x,i,1,i,2,I,20,t,1,t,2,u,o,E,M,a),电路图,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,u,o,=,E,，负载电流,i,o,按指数曲线上升。,t,=,t,1,时控制,V,关断，二极管,VD,续流，负载电压,u,o,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,。,4,3.1.1 降压斩波电路工作原理c) 电流断续时的,3.1.1,降压斩波电路,数量关系,电流连续,输出电压平均值：,（,3-1,）,（,3-2,）,t,on,V,通的时间,t,off,V,断的时间,a,-,导通占空比,（,a,1),电流断续,，,U,o,被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,5,3.1.1 降压斩波电路数量关系电流连续输出电压平均,3.1.1,降压斩波电路,斩波电路三种控制方式,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制,（,PWM,）。,t,on,不变，变,T,频率调制。,t,on,和,T,都可调,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,6,3.1.1 降压斩波电路斩波电路三种控制方式此种方式,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,假定,L,为无穷大，负载电流,I,o,维持不变（详见,P101,102,）,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。,I,1,为电源电流平均值,7,3.1.1 降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进,3.1.1,降压斩波电路,负载电流断续的情况,（,L,值较小时）,I,10,=0,，且,t,=,t,x,时，,i,2,=0,式（,3-7,）,式（,3-6,）,（,3-16,）,t,x,1,，输出电压高于电源电压，故为,升压,斩波电路,。,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,（,3-23,）,（,3-22,）,11,3.1.2 升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton,3.1.2,升压斩波电路,电压升高的原因,：,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,I,o,为：,(3-25),电源电流的平均值,I,1,为：,(3-26),12,3.1.2 升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能使电,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,t,O,T,O,E,t,c),u,o,i,o,i,1,i,2,t,1,t,2,t,x,t,on,t,off,I,20,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。,动画演示,。,13,3.1.2 升压斩波电路2) 升压斩波电路典型应用一,3.1.2,升压斩波电路,数量关系,当,V,处于,断态,时，设电动机电枢电流为,i,2,，得下式：,（,3-29,）,当,电流连续,时，考虑到初始条件，近似,L,无穷大时电枢电流的平均值,I,o,，即,（,3-36,）,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 。,当,V,处于,通态,时，设电动机电枢电流为,i,1,，得下式：,(,3-27),式中,R,为电机电枢电阻与线路电阻之和。,14,3.1.2 升压斩波电路数量关系当V处于断态时，设电动,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,i,1,=,I,10,=0,，令式（,3-31,）中,I,10,=0,即可求出,I,20,，进而可写出,i,2,的表达式。,另外，当,t,=,t,2,时，,i,2,=0,，可求得,i,2,持续的时间,t,x,，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,t,x,t,0ff,t,O,T,O,E,t,c),u,o,i,o,i,1,i,2,t,1,t,2,t,x,t,on,t,off,I,20,15,3.1.2 升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,1,）升降压斩波电路,(buck -boost Chopper),电路结构,V,，,L,和,VD,三者之间的位置关系,16,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 1）升降压斩,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,基本工作原理,a),o,t,b),o,t,i,1,i,2,t,on,t,off,I,L,I,L,图,3-4,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,i,1,。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,i,2,。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,。,17,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)ot,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,u,L,对时间的积分为零，即,（,3-39,）,所以输出电压为：,（,3-41,）,V,处于通态,u,L,=,E,V,处于断态,u,L,=,-,u,o,（,3-40,）,18,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个,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,i,1,和负载电流,i,2,的波形，设两者的平均值分别为,I,1,和,I,2,，当电流脉动足够小时，有：,（,3-42,）,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,）,o,t,b),o,t,i,1,i,2,t,on,t,off,I,L,I,L,式（,3,41,）,19,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图3-4b中给出了电,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，,EL,1,V,回路和,RL,2,C,V,回路有电流。,V断时，,EL,1,C,VD,回路和,RL,2,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,3-5 Cuk,斩波电路及其等效电路,a,） 电路图,b,） 等效电路,20,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2) Cuk斩波电,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,稳态时，一个周期内电容电流,ic,的平均值为零：,数量关系,（,3-45,）,V,处于通态的时间,t,on,，则电容电流和时间的乘积为,I,2,t,on,。,V,处于断态的时间,t,off,，则电容电流和时间的乘积为,I,1,t,off,。由此可得：,（,3-46,）,（,3-46,）,（,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。,21,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路稳态时，一个周期内电,b),Zeta,斩波电路,3.1.4,Sepic,斩波电路和,Zeta,斩波电路,a),Sepic,斩波电路,图,3-6 Sepic,斩波电路和,Zeta,斩波电路,Sepic,电路原理,V,通态，,E,L,1,V,回路和,C,1,V,L,2,回路同时导电，,L,1,和,L,2,贮能。,V,断态，,E,L,1,C,1,VD,负载,回路及,L,2,VD,负载,回路同时导电，此阶段,E,和,L,1,既向负载供电，同时也向,C,1,充电（,C,1,贮存的能量在,V,处于通态时向,L,2,转移,）,。,输入输出关系：,（,3-49,）,电源电压与输出电压极性相同,22,b) Zeta斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Ze,3.1.4,Sepic,斩波电路和,Zeta,斩波电路,Zeta,斩波电路原理,V,处于通态期间，电源,E,经开关,V,向电感,L,1,贮能。,V,关断后，,L,1,VD,C,1,构成振荡回路，,L,1,的能量转移至,C,1,，能量全部转移至,C,1,上之后，,VD,关断，,C,1,经,L,2,向负载供电。,输入输出关系：,图,3-6 Sepic,斩波电路和,Zeta,斩波电路,（,3-50,）,两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。,Sepic,电路的电源电流和负载电流均,连续,，有利于输入输出滤波。,b),Zeta,斩波电路,23,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩,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,24,3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路3.2.1 电流可逆斩,3.2.1,电流可逆斩波电路,复合斩波电路,降压斩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,25,3.2.1 电流可逆斩波电路复合斩波电路降压斩波电路,3.2.1,电流可逆斩波电路,电路结构,a),电路图,V,1,和,VD,1,构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第,1,象限。,V,2,和,VD,2,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,V,1,和,V,2,同时导通,而导致的电源短路。,工作过程,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，电流连续。,电路响应很快。,图,3-7,电流可逆斩波电路及波形,26,3.2.1 电流可逆斩波电路电路结构a) 电路图V1和V,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,V,4,保持通态时，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,V,2,保持通,态,时，,V,3,、,VD,3,和,V,4,、,VD,4,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,。,27,3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路两个,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,28,3.2.3 多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在,3.2.3,多相多重斩波电路,t,O,t,t,t,t,t,t,O,O,O,O,O,O,1,u,2,u,3,i,1,i,2,i,3,i,o,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,3-9 3,相,3,重斩波电路及其波形,29,3.2.3 多相多重斩波电路tOttttttOOOOO,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。,30,3.2.3 多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为,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。,31,本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电,