第03章直流斩波电路.ppt

1第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路2第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流也称为直流-直流变换器（直流变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。一般指直接将直流电变为另一直流电，一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流不包括直流交流交流直流。直流。6 6种基本斩波电路（种基本斩波电路（chopperchopper）：）：BuckBuck、BoostBoost、Boost-BuckBoost-Buck、CukCuk、SepicSepic和和Zeta chopperZeta chopper。复合斩波电路复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。相同结构基本斩波电路组合。3第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言斩波输出直流平均电压：斩波输出直流平均电压：Uo=a aUs斩波电路输出功率：斩波电路输出功率：Po=UoIo斩波电路输入功率：斩波电路输入功率：Ps=UsI1忽略其他损耗，可看作直流变压器：忽略其他损耗，可看作直流变压器：UoIo=UsI143.1 3.1 基本斩波电路基本斩波电路5 电路结构 全控型器件，全控型器件，多为多为IGBTIGBT续流二极管续流二极管负载出现负载出现的反电动的反电动势势 典型用途之一是典型用途之一是拖动直流电动机拖动直流电动机，也可带，也可带蓄电池负载蓄电池负载。降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper)i16工作原理工作原理t=0时刻驱动时刻驱动V V导通导通，电，电源源E向负载供电，负载电向负载供电，负载电压压uo=E，负载，负载电流电流io按按指数曲线上升指数曲线上升。t=t1时控制时控制V V关断关断，二极，二极管管VD续流，负载电压续流，负载电压uo近似为零，近似为零，负载电流呈负载电流呈指数曲线下降指数曲线下降。通常通常串接较大电感串接较大电感L L使负使负载电流连续且脉动小。载电流连续且脉动小。c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuotttooob)电流连续时的波形TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uooootttTEEuGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图图3-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形7数量关系数量关系电流连续电流连续负载电压平均值：负载电压平均值：EETtEtttUa a onoffonono（3-1）REUIMoo （3-2）tonV通的时间通的时间toffV断的时间断的时间a a 导通占空比导通占空比 电流断续电流断续，U Uo o 被抬高，一般不希望出现。被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：负载电流平均值：8斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）。）。ton不变，变不变，变T 频率调制。频率调制。ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。基于基于“分段线性分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解的思想，对降压斩波电路进行解析析 分分V处于处于通态通态和处于和处于断态断态 初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续9 TIETRIoM2o 同样可以从同样可以从能量传递关系能量传递关系出发进行的推导出发进行的推导 由于由于L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为Io不变不变 电源只在电源只在V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为 在整个周期在整个周期T中，负载消耗的能量为中，负载消耗的能量为onotEI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。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。TIETRItEIoM2oono REEIMo a aooo1IUEIEI a aooon1IITtIa a 10升压斩波电路（升压斩波电路（Boost ChopperBoost Chopper）保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结构电路结构1)1)升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理11工作原理工作原理假设假设L和和C值很大。值很大。V处于处于通态通态时，电源时，电源E向电向电感感L充电，电流恒定充电，电流恒定I1，电，电容容C向负载向负载R供电，输出电供电，输出电压压Uo恒定。恒定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电和电感感L同时向电容同时向电容C充电，并充电，并向负载提供能量。向负载提供能量。0uGE0ioI1图图3-2 升压斩波电路及工组波形升压斩波电路及工组波形a)电路图电路图b)波形波形12数量关系数量关系设设V通态的时间为通态的时间为 ton，此阶段，此阶段L上积蓄的能量为上积蓄的能量为 EI1ton设设V断态的时间为断态的时间为 toff，则此期间电感，则此期间电感L释放能量为释放能量为(Uo-E)I1toff稳态时，一个周期稳态时，一个周期T中中L积蓄能量与释放能量相等：积蓄能量与释放能量相等：EEEtTEtttUa a 111offoffoffonooffoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。，故为升压斩波电路。T/toff1升压比；升压比的倒数记作升压比；升压比的倒数记作 ，即，即 =toff/T。和和a a的关系：的关系：a a+=113电压升高的原因：电感电压升高的原因：电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用 电容电容C可将输出电压可将输出电压保持保持住住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载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，即消耗，即：EI1=UoIo。与降压斩波电路一样，与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：RERUI 1oo 电源电流的平均值电源电流的平均值I1为：为：REIEUI2oo11 142)2)升压斩波电路典型应用升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动一是用于直流电动机传动二是用作二是用作单相功率因数校正单相功率因数校正电路电路三是用于其他交直流电源中三是用于其他交直流电源中ttTEioob)电流连续时a)电路图i1i2I10I20I10tontofftoToEtc)电流断续时uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图图3-3 用于直流电动用于直流电动机回馈能量的升压斩机回馈能量的升压斩波电路及其波形波电路及其波形用于直流电动机传动用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。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。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。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。15数量关系数量关系当当V处于通态时，设电动机电枢电流为处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：，得下式：M11ddERitiL 当当V处于断态时，设电动机电枢电流为处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：，得下式：EERitiL M22dd当电流连续时，考虑到初始条件，近似当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢无穷大时电枢电流的平均值电流的平均值 Io，即，即 REEREmIIIo M2010该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电该式表明，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压看作是被降低到了 E 。m=EM/E16 当电枢电流断续时：当电枢电流断续时：可求得可求得 i2 持续的时间持续的时间 tx，即，即mmett 11lnonx eem11电流断续电流断续的条件的条件toToEtc)电流断续时电流断续时uoioi1i2t1t2txtontoffI20171）升降压斩波电路）升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构电路结构18基本工作原理基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电源通时，电源E经经V向向L供电使供电使其贮能，此时电流为其贮能，此时电流为i1。同时，。同时，C维持输出电压恒定并向负载维持输出电压恒定并向负载R供电。供电。V断时，断时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流为电流为i2。负载电压极性为上。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反，该电路也称作反极性斩反极性斩波电路波电路。19数量关系数量关系稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：EEtTtEttUa aa a 1ononoffonoV处于通态处于通态uL=EV处于断态处于断态uL=-uooffoontUtE 20图图3-4b中给出了电源电流中给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设两者的的波形，设两者的平均值分别为平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有：，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII 11onoff21IIttIa aa a 当当0a 1/2时为降压，当时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI otb)oti1i2tontoffILIL212)Cuk斩波电路斩波电路V通时，通时，E-L1-V回路和回路和R-L2-C-V回路有电流。回路有电流。V断时，断时，E-L1-C-VD回路和回路和R-L2-VD回路有电流。回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换。两点之间交替切换。图图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路22数量关系数量关系 Tti0C0dV通态时间通态时间ton，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为 I2ton。V断态时间断态时间toff，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为 I1toff。由此可得：由此可得：I2 ton=I1 toffa aa a 1onononoff12ttTttIIEEtTtEttUa aa a 1ononoffono 优点（与升降压斩波电路相比）：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。小，有利于对输入、输出进行滤波。233.2 3.2 复合斩波电路复合斩波电路24降压斩波电路能使电动机工作于第降压斩波电路能使电动机工作于第1 1象限。象限。升压斩波电路能使电动机工作于第升压斩波电路能使电动机工作于第2 2象限。象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组电流可逆斩波电路：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，故其可工作于第是一种极性，故其可工作于第1 1象限和第象限和第2 2象限。象限。25 电路结构电路结构V1和和VD1构成降压斩波电路，电动机为构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第电动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成升压斩波电构成升压斩波电路，电动机作再生制动路，电动机作再生制动运行，工作于第运行，工作于第2象限。象限。必须防止必须防止V1和和V2同时导同时导通而导致的电源短路。通而导致的电源