第4章直流斩波..

第4章直流/直流变换－直流斩波器4.1直流降压斩波电路4.2直流升压斩波电路4.3直流升降压斩波电路4.4桥式直流斩波调压电路4.5斩波电路的驱动控制4.1直流降压斩波电路一电阻和电感负载t=0IGBT导通，ud＝E。t=toff,IGBT关断，电感L经二极管D续流,ud＝0，输出平均电压:EETTETTTUonoffonond式中：T为开关周期；TTon为占空比α≦1，Ud≦E，降压斩波。在IGBT导通区间有电流id,经E+→IGBT→L→R→E-,二极管D截止，列电路电压方程为：)3.4()1(2.4,)2.4(0101ttTddddeREeIiiLRIiRidtdiLE可得解方程，初始值为设当t=toff时id达到I20,同时IGBT关断。电感L经电流R和二极管D续流，可得这时的回路电压方程为：)5.4()4.4(02020onTtDddddeIiiIiRidtdiL解方程可得，初始值为以在I10＝I30，I20＝I40，电路进入稳定状态。一般PWM调制的斩波电路，脉冲频率都比较高，在占空比α较大时，较小的电感L就可以使电流连续,且电流电流连续时，电流的脉动很小，可以认为电流id不变。在占空比α较小时，电感储能不足，仍会出现电流断续（图4.1e,f）。如果在负载R上并联电容，则相当于增加了电容滤波。在电容很大时，负载侧电压可视为恒值，但实际电容都是有限制的，负载侧电压仍会有脉动。二反电动势负载T导通时的电路方程：)1()6.4(01tMtTdMddeREEeIiiERidtdiLET关断时：)9.4()1()8.4(02020ononTtMTtDddMddeREeIiiIiERidtdiL解方程可得，初始值为以在电流连续时忽略电流的脉动，则)10.4(REEIEUMdd式中：TTon＝在占空比较小时id会断续（图4.2c）。在电流断续时，负载侧电压ud=EM,显然电流断续后电枢侧平均电压较电流连续时抬高，机械特性上翘特性变软电流断续时理想空载转速,eCEn'0返回4.2直流升压斩波电路状态一开关管T导通时，电流经电感L、T流通，iL上升,电感储能。负载R由电容C提供电流，二极管的作用是阻断电容经开关管T放电的回路。开关管IGBT的导通时间为Ton010IitLTTon)12.4()11.4(010201TLEIItLEIiL设占空比为α则状态二T关断时，二极管D导通，电容C在电源E和电感反电动势eL的共同作用下充电，电感释放储能，电流iL下降，iL同时提供电容的充电电流和负载电流id。如果电容足够大，电容两端电压ud波动不大()，负载R的电流iR是连续的。dtdiLUELddcUu设，D导通时间为（t-Ton）,可得02IionTtL)14.4()1()13.4()(020102TLUEIITtLUEIidondL在电路稳定后，联解式4.12和式4.14，可得当占空比α越接近于1，Ud越高，因为在T关断区间，电容C在电源E和电感反电动势eL的共同作用下充电，，因此负载侧电压Ud可以大于E，电路起升压作用。1EUd如果是轻载状态，iR很小，电容充电电流大于放电电流，负载侧电压可以不断升到很高，这称为“泵升电压”，过高的电压将损坏电路元器件，因此升压电路不允许空载运行，并要注意采取过电压保护措施。(1)电流连续时(2)电流断续时返回4.3直流升降压斩波电路4.3.1Buck-Boost降压－升压斩波电路状态一开关T导通电流iT=iL由电源E经T和L,电流上升，电感L储能，如果电感电流是连续的，则电流从T导通时的I01上升，如果电流是断续的，电感电流则从0上升，终止电流I02同式4.12。在状态一时，二极管D受反向电压关断，负载R由电容C提供电流。状态二开关T关断开关T关断时，电感电流iL从T关断时的I02下降，并经C、R的并联电路，和二极管D流通，电感L释放储能，电容储能。而电感电流iL能否连续，则取决于电感的储能。如果在状态一时，电感储能不足，I02不够大，不能延续到下次T导通，电感电流就断续。如果电感和电容的储能足够大，或者尽管电感储能不足，但是电容储能足够大，则负载电流id是连续的，否则负载电流要断续。在电路稳定时如果电容储能足够大，负载电压不变ud=Ud，在T导通时（模式一），uL=E,iL的终止电流I02为；TLEII0102占空比TTon在T关断时（模式二），uL=Ud,iL的终止电流I02为；TLUIId)1(0201（4.16）（4.17）将式4.17代入式4.16，可得：EUd1当0≤α≤0.5时，UdE,在0.5≤α1时，UdE,因此调节占空比α，电路既可以降压也可以升压。图4.7直流升降压斩波电路工作状态和波形1.电感电流连续2.电感电流断续4.3.2Cuk升降压斩波电路Buck-Boost型斩波电路中，负载与电容并联，电容充放电过程的电压波动，引起负载电流的波动，因此Buck-Boost斩波电路输入和输出端的电流脉动量都较大。Cuk电路的特点是输入和输出端都串联了电感，减小了输入和输出电流的脉动，可以改善电路产生的电磁干扰问题。模式一开关T导通电源E经L1和开关T短路，iL1线性增加，L1储能电容C1经开关T对C2和负载R放电，并使电感L2电流增加，L2储能。在这阶段中，因为C1释放能量，二极管被反偏而处于截止状态。模式二开关T截止电流iL2连续电感电流iL1经二极管D续流，并且L1产生的电感电动势与电源E顺向串联，对电容C1充电，uC1可以大于E。L2经二极管D产生维持负载C2和R的电流。如果L2储能较大，L2的续流将维持到下一次T的导通电流iL2断续如果L2储能较小，续流在下一次T导通前就结束，电流iL2断续，负载R由电容C2放电维持电流在二极管D导通时，电容C1的平均电压EETTUonC1在D截止时ddoffCUUTTU)1(1因此有：（4.19）dUE)1(EUd14.4桥式直流斩波调压电路4.4.1半桥式电流可逆斩波电路一个开关管组成的直流斩波电路可以调节直流输出电压，但是输出电压和电流的方向不变，如果负载是直流电动机，电动机只能作单方向电动运行，如果电动机需要快速制动或可逆运行，要采用桥式斩波电路。一电动状态T1以PWM信号驱动T1导通时电流自电源E→T1→R→L→电动机。T1关断时电感储能经电动机和D2续流EUd二制动状态T2以PWM驱动信号T2导通时，电动机经电感L、T2形成回路，电感L电流上升。T2关断时，电动机反电动势EM，和电感电动势eL（左＋、右－）串联相加，产生电流，经D1将电能输入电源E（图4.9c）。调节T2驱动脉冲的占空比α可以调节Ud，控制制动电流。1MdEU4.4.2全桥式可逆斩波电路T1、T3导通，电流自电路A点经电动机流向B点，电动机正转；T2、T4导通时，电流自B点经电动机流向A点，电动机反转。桥式（H型）斩波电路驱动三种控制方式一双极式斩波控制模式1：T1、T3同时驱动导通（T2和T4关断），电流id1自E+→T1→R→L→EM→T3→E-,L电流上升，eL和EM极性如图。T1、T3和T2、T4成对作PWM控制，并且驱动脉冲互补。为避免“直通”现象，上下桥臂两个开关导通之间要留有一定的“死区”。模式2：T1、T3关断，T2、T4驱动，因为电感电流不能立即为0，电流id2的通路是E－→D4→R→L→EM→D2→E+,L电流下降。因为电感经D2、D4续流，短接T2和T4不能导通。AB间电压UdEETTETTTTTETTETTUonononoffond)12(12TTon＝式中：占空比在Ton＝T时，α＝1；在Ton＝0时，α＝－1，占空比的调节范围为－1≤α≤1。在－1≤α0时，Ud0,电动机反转在0α≤1时，Ud0,电动机正转模式3：－1≤α0,Ud0,即AB间电压反向模式4：在电动机反转状态，T2、T4关断T2、T4被驱动导通电流id3的流向：E+→T2→EM→L→R→T4→E-,L电流反向上升，电动机反转。L电流经D1和D3续流，id4的流向：E-→D3→EM→L→R→D2→E+,L电流反向下降。（a）正向电流（正转）（b）反向电流（反转）（c）零电流（停止）α从1→－1逐步变化，电动机电流id从正变到负在变化过程中电流始终连续。即使在α＝0时，Ud＝0，电动机不是完全静止不动，是在正反电流作用下微振。二单极式斩波控制正转时：T3门极给正信号（恒通），T2门极给负信号（恒关断）反转时：T2恒通，T3恒关断，减小T2、T3开关损耗和直通可能。T1、T4工作在互反的PWM状态（调压）以T2、T3控制电动机的转向正转T1导通时状态与双极式图4.11的模式1相同，反转T4导通时的工作状态和模式3相同。不同在T1或T4关断时，电感L的续流回路模式2和模式4。在D4续流时，尽管T4被驱动，但是有导通的D4短接，T4不会导通。但是电感续流结束后（负载较小情况），D4截止，T4导通，电动机反电动势EM将通过T4和D3形成回路（图4.13b），电流反向，电动机处于能耗制动阶段。模式2－1（a）模式2－1正转T1关断时，因为T3恒通，电感L经EM→T3→D4形成回路，电感能量消耗在电阻R上，ud=uAB=0。模式2－2模式2－2模式2－3T4关断时，电感L将经D1→E→D3放电（图4.13c），电动机处于回馈制动状态，ud=uAB=E。模式2－3电动机反转时的情况与正转相似，模式4有类似的变化。占空比EETTUond,TTon＝（4.21）Ton，在正转时是T1的导通时间，在反转时是T4的导通时间，Ud：正转时为“＋”，反转时应为“－”。三受限单极式斩波控制正转:T1受PWM控制,T3恒通；T4、T2恒关断反转:T4受PWM控制,T2恒通。T1、T3恒关断无论正转或反转，都只有一只开关管处于PWM方式（T1或T4），减小了开关损耗和桥臂直通可能。电流较小（轻载）时，没有反电动势EM经过T4的通路，因此id将断续，在断续区间ud=EM，平均电压Ud较电流连续时要抬高，即电动机轻载时转速提高，机械特性变软（图4.3）。电流连续时的工作状态与单极式控制相同返回4.5斩波电路的驱动控制PWM的驱动信号采用锯齿波或三角波与脉宽控制信号Uct比较产生。单极性调制：载波（锯齿波）没有负值，是单极性的。双极性调制：锯齿波有正负值，控制信号Uct可以是正负直流。集成模块，如SG1524/1527,TL494,MC34060,可编程UC1840等SG3525脉冲发生器电源UCC1为8～35V，片内基准电压用于产生5.1V片内电源。振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源和外接充放电电容CT组成。TTCRt7.01TTCRt32TDTCRRttT)37.0(21TDTSCRRf)37.0/(1锯齿波的上升时间为：锯齿波的周期为：振荡频率：式中：CT,RT,RD均为外接电容和电阻，且,RTRD锯齿波的下降时间为：PWM发生器由比较器组成。比较器输出PWM信号。比较器后的锁存器，锁存PWM信号，可以屏蔽环境干扰影响。振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源和外接充放电电容CT组成。误差放大器，可以通过9端和1端的外接电路组成比例或比例积分调节器。经2端外接电位器RP可以调节脉冲宽度。分相电路由Q触发器组成，其输入是振荡电路输出的时钟信号UK,并以UK的前沿触发，其输出是频率减半的互补信号。组合门电路A和B的输入是：PWM信号，分相信号，时钟信号和欠电压封锁信号，其输出是两列相位互补的正脉冲,用于控制后级的输出电路。输出级由两个NPN晶体管组成推挽电路。其电源电压UCC2一般为15V，输出正脉冲信号幅值15V，可输出100mA。SG