直流斩波电路基础与分析

单击此处编辑母版标题样式,3-,*,电力电子技术,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,1,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,。,2,3.1,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,3,3.1.1,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),4,3.1.1,降压斩波电路,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,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,。,5,3.1.1,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,）,t,on,V,通的时间,t,off,V,断的时间,a-,导通占空比,电流断续,，,U,o,被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,6,3.1.1,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，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,7,3.1.1,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，故负载电流维持为,I,o,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。,8,3.1.1,降压斩波电路,负载电流断续的情况：,I,10,=0，,且,t,=,t,x,时，,i,2,=0,式（,3-7,）,式（,3-6,）,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，上式可表示为,12,3.1.2,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：。,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：,电源电流的平均值,I,o,为：,13,3.1.2,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,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,14,3.1.2,升压斩波电路,数量关系,当,V,处于通态时，设电动机电枢电流为,i,1,，,得下式：,当,V,处于断态时，设电动机电枢电流为,i,2,，,得下式：,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,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 。,15,3.1.2,升压斩波电路,如图,3-3,c,，,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,16,3.1.,3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,升降压斩波电路(,buck-boost Chopper),电路结构,17,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,基本工作原理,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。,动画演示,18,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,数量关系,稳态时，一个周期,T,内电感,L,两端电压,u,L,对时间的积分为零，即,所以输出电压为：,V,处于通态,u,L,=,E,V,处于断态,u,L,=,-,u,o,19,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,图3-4,b,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：,由上式得：,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,。,20,3.1.3,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,21,3.1.3,升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,同理：,数量关系,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：,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。,22,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,电路结构,Speic,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：,23,3.1.4,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,Zeta,斩波电路,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。,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,25,3.2.1,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,26,3.2.1,电流,可逆,斩波,电路,电路结构,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（,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,27,3.2.2,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,保持通时，等效为,图3-7,a,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,。,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,29,3.2.3,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3-9 3相3,重斩波电路及其波形,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,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。,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。,32,