直流斩波电路资料

第4章直流斩波电路DCtoDCConverters(DCChoppers)本章主要内容非隔离型斩波电路BUCK电路，BOOST电路，BUCK-BOOST电路，CUK电路。隔离型斩波电路正激变换电路，反激变换电路，推挽式变换电路，半桥变换电路，全桥逆变电路。DCtoDCConverters按主电路器件：半控型/全控型直流变换器的分类：按输入输出电压：降压式/升压式/升－降压式按工作范围：单象限/双象限/四象限按电路结构：单元电路/多元电路（单重、多重）按输入输出电隔离：非隔离/隔离(正激、反激、自激）按输入滤波结构：电流源/电压源按器件开关方式：硬开关电路/软开关电路DCtoDCConverters4.1概述DC/DC直流降压电路4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案一:电阻降压4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案二:串联晶体管4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗4.1.1直流斩波的基本工作原理DTosDDVdttvTVs00)(1开关周期开关占空比sTD4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗串联LC，滤出谐波,，滤波器的截止频率开关频率4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗BUCK电路增加控制回路4.1.1直流斩波的基本工作原理直流－直流变换方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗定频调宽控制(PulseWidthModulation)实现：保持斩波周期不变，只改变开关导通时间，输出电压脉冲宽度随之改变。特点：电路基本工作频率固定，滤除输出电压中高次谐波的滤波器设计较容易。4.1.2直流斩波电路的基本控制方式定宽调频控制(PulseFrequencyModulation，简称PFM)实现：保持导通时间不变，改变斩波周期，即改变脉冲频率，达到改变占空比的目的，从而改变电路输出电压平均值。特点：斩波电路和控制电路简单，但电路的控制频率是变化的，输出滤波器设计较困难。4.1.2直流斩波电路的基本控制方式调频调宽控制实现：同时改变斩波电路的工作周期和开关的导通时间，所以也称为混合控制（MixedControl）。特点是：可大幅度改变输出电压大小，但也存在着由于频率变化所引起的滤波器设计较困难的问题。4.1.2直流斩波电路的基本控制方式4.2非隔离型斩波电路电路结构全控型器件若为晶闸管，需有辅助关断电路续流二极管，在V关断期间续流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，大多数情况为反电动势负载4.2.1降压斩波电路的结构及工作原理工作原理开关V有驱动信号时，导通，则VD截止。L储存能量，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。4.2.1降压斩波电路的结构及工作原理工作原理控制V关断后，VD导通续流。uo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。4.2.1降压斩波电路的结构及工作原理电感足够大，电流连续。则电路稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等负载电压平均值：tUEDETono输出负载电压平均值最大为E，改变占空比可改变输出电压大小，所以此电路为降压斩波电路。4.2.1降压斩波电路的结构及工作原理应用：降压型直流开关电源稳压器，不可逆直流调速系统。不考虑元件损耗，电路输入功率与输出功率相等。4.2.1降压斩波电路的结构及工作原理iEIUIoo1oioIEIUD储存电能电路结构保持输出电压4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理此电路为降压电路不考虑开关极性情况下，逆时针方向旋转90°工作原理V导通时，VD截止，电源向电感提供能量，负载消耗能量由电容提供。负载电压等于电容电压。电感、电容足够大，可认为负载电压和电源电流恒定。4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理工作原理V关断时，VD导通，电源和电感同时向负载供电，电容充电。负载电压高于电源电压。4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理工作原理4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI111ttTUEEEttDonoffooffoff11()onooffEItUEIt化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理电压升高的原因：电感L储能使电压泵升；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：升压斩波电路也可看作为直流变压器注意：升压斩波电路输出电压不可能低于输入电压。占空比不要接近为1，以免电路损耗。oo1IUEI4.2.2升压斩波电路的结构及工作原理电路结构4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理基本工作原理V导通时，VD截止，电源向电感提供能量，电感储能；负载能量由电容提供。电容电压极性下正上负，与电源极性相反。4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理基本工作原理V关断时，电感释放能量，同时提供给负载和向电容充电。电容电压极性下正上负，与电源极性相反。4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即所以输出电压为：1ttDUEEEtTtDononooffon()0EtUtonooff4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理000ononTtTLLLtudtudtudt结论改变占空比，改变输出电压大小。当0D1/2时为降压，当1/2D1时为升压，故称作降升压斩波电路，也称之为buck-boost变换器。1DUEDo4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理设电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII其输出功率和输入功率相等，可看作为一升降压直流变压器。电路特点：负载与电容并联，电容不是无穷大，则电容电压有波动，负载电流也波动；输入电流断续。由于输入和输出电流波动，对电源和负载都产生电磁干扰。2o1IUEI4.2.3升降压斩波电路的结构及工作原理电路结构升压斩波电路和降压斩波电路串联而成。两个电感为储能电感，电容为传递能量的耦合电容。4.2.4Cuk电路的结构及工作原理V导通时，VD截止。电源向电感L1提供能量，负载能量由电容提供，电感L2储能。负载电压极性下正上负。4.2.4Cuk电路的结构及工作原理V关断时，电感L1释放能量，VD导通。电源和电感L1同时向电容充电。负载由电感L2供电。一周期中，V关断时，C吸收能量；V导通时，C释放能量，从而将能量从输入端传递到输出端，起到了传递能量的作用。4.2.4Cuk电路的结构及工作原理数量关系对电感L1，一周期内电压积分值为零，有4.2.4Cuk电路的结构及工作原理1100onontTLLtudtudt开关导通期间开关关断期间1LuE1LCuEU()0onCoffEtEUt1CoffETEUtD数量关系对电感L2，一周期内电压积分值为零，有4.2.4Cuk电路的结构及工作原理2200onontTLLtudtudt开关导通期间开关关断期间1CoffETEUtD2LCouUU2LouU()()0CoonooffUUtUt1CooonTUUUtD又有1oDUED结论：Cuk电路输出与输入电压关系与升降压电路相同，也是反极性。但输入和输出电流均连续，且脉动小，减小了电路的电磁干扰。4.2.4Cuk电路的结构及工作原理1oDUED4.3隔离型斩波电路概述■直—交—直电路。■电路特点：◆输出与输入隔离。◆需要相互隔离的多路输出。◆输出电压与输入电压比远小于1或远大于1。◆交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。概述■分类：单端电路变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。双端电路。变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。4.3.1正激变换电路的结构及工作原理电路结构：降压型斩波电路加变压器。变压器有直流磁化问题，加磁芯复位电路。4.3.1正激变换电路的结构及工作原理工作过程S开通，变压器感应电动势，VD1导通，电源向负载提供能量，电感上电流逐渐增大。4.3.1正激变换电路的结构及工作原理工作过程S关断，VD1截止，VD2导通，电感释放能量，电感电流逐渐减小。◆变压器的磁心复位☞S开通后，变压器激磁电流增大，直到S关断，下一周期则在上一周期结束时的电流值上增加，导致变压器激磁电感饱和，损坏开关器件。☞须使激磁电流在S关断后到下一次再开通时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。4.3.1正激变换电路的结构及工作原理◆变压器的磁心复位过程W3与VD3组成磁心复位电路。S关断后，W3绕组感应电势极性为上正下负，使VD3导通，磁场能量回馈给电源，回路电流逐渐减小为零。S关断期间，开关承受的电压高于电源电压，为：4.3.1正激变换电路的结构及工作原理1i3(1)SNuUN◆☞磁心复位所需的时间为on13rsttNNt4.3.1正激变换电路的结构及工作原理13ionirstNUtUtN◆输出电压☞输出滤波电感电流连续时oon22i11UtNNDUNTN4.3.1正激变换电路的结构及工作原理◆结论：正激变换电路可看作为具有隔离变压器的降压斩波电路。◆电路结构与升降压电路比较，用变压器代替储能电感，所以变压器不仅起隔离作用，还起储能电感作用。4.3.2反激变换电路的结构及工作原理SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆稳态工作过程☞S开通，VD截止，W1电流线性增长，电感储能增加。负载由电容供电。☞S关断，W1电流被切断，变压器磁场能量通过W2和VD向输出端释放，提供负载能量，电容充电。反激：电源能量是在开关关断期间传递到负载侧的。4.3.2反激变换电路的结构及工作原理SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆稳态工作过程☞开关器件承受的电压为uUNNUSio124.3.2反激变换电路的结构及工作原理SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆工作模式☞S开通时，W2中电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为offon12iottNNUU4.3.2反激变换电路的结构及工作原理注意：电路一般工作在电流断续模式，否则会使变压器铁心利用率下降。但是负载为零的极限情况下，，所以应该避免负载开路状态。SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆工作模式☞S开通前，W2中电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式。Uo4.3.2反激变换电路的结构及工作原理◆电路特点结构简单，元器件数量少，成本低，小功率开关电源中应用。尤其是多电源输出时。变压器利用率低，开关器件承受的电流峰值大，不适用于较大功率的开关电源。4.3.2反激变换电路的结构及工作原理◆电路结构特点变压器有中心抽头。二极管既做整流，又做续流。可看作为两个单端正激组合而成，常用于多端输出电路。4.3.3推挽型变换电路的结构及工作原理◆工作过程两个开关交替导通。S1导通时，VD1也导通，L电流逐渐上升。S2导通时，VD2处于通态，L电流也逐渐上升。4.3.3推挽型变换电路的结构及工作原理当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。开关断开时，承受2倍电源电压。☞S1和S2同时导通，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免，每个开关占空比不能超过50%，还要留有死区。◆输出电压☞当滤波电感L的电流连续时TtNNUUon12io2☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高