直流斩波电路.ppt

第6章直流斩波电路6.1斩波电路的工作原理和控制方式6.2基本斩波电路6.3复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结直流斩波电路（DCChopper）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/DCConverter）。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。6.1斩波电路的工作原理和控制方式直流斩波电路的工作原理0uSUontofftT00tt0i+-1iS0iSU0uR(a)(b)图6.1斩波原理电路及波形(a)电路原理图(b)波形图001.ontonSSStUUdtUUTT式中Tton，称为导通占空比，简称为占空比或导通比。改变占空比，即可改变输出到负载R上的直流平均电压。斩波电路输出直流平均电压当斩波器带阻感性负载时0tttt00T00i1iVDi0tofft0u(b)+-SVDLR1i0iVDisU0U(a)图6.2R-L负载的斩波电路及波形（a)电路（b)电流、电压波形斩波电路的控制方式斩波电路的控制方式通常有三种。1、时间比例控制方式（1）定频调宽控制也称脉冲宽度调制（PWM）。此控制方式中，定频也就是指电力电子器件的通断频率（即开关周期T）一定，调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通时间来改变导通比，从而改变输出电压的平均值。0USU0TTtontontT=常值定频调宽控制（PWM）1、时间比例控制方式（2）定宽调频控制也称为脉冲频率控制（PFM）。此控制方式中定宽也就是指斩波电路的开关元件导通时间固定不变，调频是指通过改变开关元件的通断周期T来改变导通比，从而改变输出电压的平均值。0USU0tontont常值1T2T3T定宽调频控制（PFM）（3）调宽调频混合控制，此种方式是PWM方式和PFM方式的综合，是指在控制过程中，即既改变电力电子元件的开关周期T，又改变开关元件的导通时间。2、瞬时值和平均值控制方式（1）瞬时值控制方式此种控制方式是将输出电流（或电压）反馈的瞬时值，与预先设定电流（或电压）的上限值和下限值相比较，如果电流（或电压）的瞬时值小于电流（或电压）的下限值，就控制斩波电路的开关元件导通；如果电流（或电压）的瞬时值大于电流（或电压）的上限值就关断斩波电路的开关元件。此种控制方式具有瞬时响应快的特点，适宜采用开关频率高的全控型器件来作为斩波电路的主功率开关元件，并且电流脉动要求愈小，斩波电路的开关元件的开关频率要求就愈高。i0imaximin关断导通t0图6.4瞬时值控制方式波形2、瞬时值和平均值控制方式（2）平均值控制方式此种控制方式是将负载电流（或电压）反馈的平均值与预先设定电流（或电压）值相比较，用其偏差值去控制斩波电路开关元件的开通和关断。T开通关断ton△U0i0tt图6.5平均控制方式波形3、时间比与瞬时值混合控制方式此种控制方式是前面两种控制方式的结合，适用于要求电流（或电压）按时间比方式输出，同时又要求控制输出电流（或电压）瞬时值的场合。6.2基本斩波电路6.2.1降压斩波电路6.2.2升压斩波电路6.2.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路6.2.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路6.2.1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。续流二极管电路的工作情况可分为V导通、VD截止和V关断、VD导通及V和VD均关断三种工作状态。降压斩波电路（BuckChopper)电流连续时的工作原理t=0时刻驱动V导通，电源向负载供电，电感电流按指数规律上升。t=t1时刻，驱动V关断，在时间内，电路工作于模式2。VD承受正向电压而导通，电感L释放储能，电感电流经VD续流，并呈指数规律下降。电容C上的电流为电感电流与负载电流之差。如果L和C参数选择适当，负载R上的电流基本维持不变，0LSondiIUULLdtt0LondiIULLdtTt解析法：电流连续时的工作原理0LSondiIUULLdtt如果能保证在斩波电路的开关过程中，电感上的动态电流相等，则由已知的公式00()sononUUUItTtLLSSonUUTtU0电路具有降压斩波功能。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。0LondiIULLdtTt负载电流断续的情况：假如L值较小，则有可能出现电流断续的情况，此时电路有三种工作模式。在0~ontt期间，工作于模式1，V导通，VD关断'onofftt期间工作于模式2，V关断，VD导通在一个周期T的剩余时间工作于模式3，V和VD均关断，在此期间电感电流保持为零，负载由滤波电容C供电。负载电流断续的情况：电流断续时，续流二极管VD导通段0'LoffdiIULLdtt0LSondiIUULLdttV导通时'1offtT令'00sonoffUUUIttLL0011sOSUUULLUU'11offonttTT2RITo同样可以从能量传递关系出发进行推导由于L和C数值合适时，负载电流维持为Io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sUItoon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。2sUItRIToonosUIRoooon1IITtIs1UIUIUIooooSSonUUTtU06.2.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理保持输出电压工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。升压斩波电路及工组波形数量关系设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ontEI1EtTEtttUoffoffoffono11()onooffEItUEIt化简得：T/toff1，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off/tT1EEU111oTtoff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。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUI1oo电源电流的平均值Io为：REIEUI2oo11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。数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd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Io，即REEREmIoM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。E如图，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，I10=0即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett11lnonxeem11--------电流断续的条件txt0ff6.2.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理图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i1。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i2。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。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uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE升降压斩波电路和Cuk斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：offon21ttII由上式得：11onoff21IIttI结论当0a1/2时为降压，当1/2a1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。2o1IUEI升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V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6.10Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系Tti0C0dV处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：off1on2tItI1onononoff12ttTttIIEEtTtEttU1ononoffono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。b)Zeta斩波电路Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路图6-11Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：EEtTtEttU1ononoffonoSepic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L1贮能。V关断后，L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：图6-11Zeta斩波电路EU1o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。6.2复合斩波电路和多相多重斩波电路6.2.1电流可逆斩波电路6.2.2桥式可逆斩波电路6.2.3多相多重斩波电路6.2.1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（两象限DC/DC变换器）电路结构V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作