第5章 直流斩波电路.pptx

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1、15.1 基本斩波电路5.1.15.1.1 降压斩波电路降压斩波电路5.1.25.1.2 升压斩波电路升压斩波电路5.1.35.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路5.1.45.1.4 Sepic Sepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路斩波电路 第1页/共43页25.1.1 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。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)第2页/共43页3c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOO

2、Ob)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图5.1.1 降压斩波电路工作原理图3-1 降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，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。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电流呈指数曲线下降，负载电压uo近似为零。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。第3页/共43页45.1.1 降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：（5-1）（5-2）tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比 电流断续

3、，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：第4页/共43页55.1.1 降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton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第5页/共43页6设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得：V:断态断态，设负载电流为i2，可列出如下方程：设此阶段电流初值为I20，解上式得：当电流连续时，有：图5-1 降压斩波电路的原理图及波形V:通态

4、通态，设负载电流为i1，可列出如下方程：电流连续(Continuous-Conduction-Mode)(CCM)即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图第6页/共43页7由式（5-4）、（5-6）、（5-7）、（5-8）得出(主要是根据充放电曲线）：（5-9）（5-10）式中:；。由图5-1

5、b可知，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似（即趋于零，L趋于无穷大，e用等价无穷小代替），可得 （5-11）上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。第7页/共43页8从能量传递关系出发进行的推导：从能量传递关系出发进行的推导：由于L为无穷大，故负载电流平直，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 一 直 在 消 耗 能 量，消 耗 的 能 量 为 ；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，即

6、 则 假设电源电流平均值为I1，则有 其值小于等于负载电流Io即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。第8页/共43页9v负载电流断续的情况：负载电流断续的情况：I10=0，且且t=tx时，时，i2=0，利用式（，利用式（3-7）和式（）和式（3-6）可求出可求出tx为：为：（3-16）电流断续时，电流断续时，tx0)：电源：电源E向电感向电感L充电，充电，I00，电流电流恒定恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，供电，输出电压输出电压Uo恒定恒定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向负充电，并向负载提供能量。载提供能量。0U

7、GE0ioI1图3-2 升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形5.1.2 升压斩波电路第12页/共43页135.1.2 升压斩波电路数量关系设设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稳态时，稳态时，一个周期一个周期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：（5-21）（5-20）化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 （5-23）（5-22）第13页/

8、共43页14 电压升高原因：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：.（5-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器直流变压器。输出电流的平均值Io为：(5-25)电源电流的平均值I1为：(5-26)5.1.2 升压斩波电路第14页/共43页155.1.2 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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20

9、I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图5-3 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。ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图5-3 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）电流断续时第15页/共43页165.1.2 升压斩波电路数量关系

10、当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：(5-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（5-29）当电流连续电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时可求出电枢电流的平均值Io，即（5-36）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 。第16页/共43页175.1.2 升压斩波电路如图如图5-3c，当电枢，当电枢电流断续电流断续时：时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（6-31）中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，即图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形-电

11、流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20第17页/共43页18 Buck-boost ChopperCircuit StructureV，L和VD三者之间的位置关系5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路第18页/共43页195.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构第19页/共43页205.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图5-4 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

12、，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。+-第20页/共43页21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（5-39）所以输出电压为：（5-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（5-40）第21页/共43页22图图5-4b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，当电流脉动足够小时(IL)，有：，有：（5-42）由上式得：（

13、5-43）结论结论当当0a 1/2时为降压，当时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作时为升压，故称作升降升降压斩波电路压斩波电路。也有称之为。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。（5-44）otb)oti1i2tontoffILIL式（541）（3-41）第22页/共43页23作业P138-2,4第23页/共43页24假设电路已处于稳态，L和C值很大，t=0时C上已建立左+右-电压。lV通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。E对L1充电,C对L2充电lV断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。C充电,L2放电输出电压的极性与电源

14、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5-5 Cuk斩波电路及其等效电路5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路+_第24页/共43页255.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系（5-45）V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I1 toff。由此可得：（5-46）（5-47）（5-48）优点优点（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。第25页/共43页26b)Zeta斩波电路5.1.4 Sepic斩波电路

15、和Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路图5-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理电路原理V通态，通态，EL1V回路和回路和C1VL2回路回路同时导电，同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V断态，断态，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮贮存的能量在存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移）转移）。电源电流连续，负载电流断续（电源电流连续，负载电流断续（有脉冲电有脉冲电流流）输入输出关系：输入输出关系：（3-49）第26页/共43页2

16、7Zeta斩波电路原理V处处于于通通态态期期间间，电电源源E经经开开关关V向向电电感感L1贮能贮能，E-C1-L2-负载负载形成回路。形成回路。V关关断断后后，L1VDC1构构成成振振荡荡回回路路，L1的的能能量量转转移移至至C1，能能量量全全部部转转移移至至C1上上之之后后，VD关关断断，C1经经L2向向负负载载供电供电。电源电流断续，负载电流连续电源电流断续，负载电流连续输入输出关系：输入输出关系：（5-50）两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。SepicSepic电路的电源电流，电路的电源电流，zetazeta电路负载电

17、流电路负载电流连续连续，分别有利，分别有利于输入输出进行滤波。于输入输出进行滤波。.b)Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路第27页/共43页285.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5.2.15.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 5.2.25.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路5.2.35.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路第28页/共43页295.2.1 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 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路

18、与与升压斩波电路组合升压斩波电路组合。V1和VD1构成降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。斩斩波波电电路路用用于于拖拖动动直直流流电电动动机机时时，常常要要使使电电动动机机既既可可电电动动运运行行，又又可再生制动可再生制动。此电路电动机的电枢电流可此电路电动机的电枢电流可正正可可负负，但电压只能是一种极性，故其，但电压只能是一种极性，故其可工作于第可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路第29页/共43页30必必须须防防止止V1和和V2同同时时导导通而导致的电源短路；通而导致的电源短路；l只只作作降降压压

19、斩斩波波器器运运行行时时，V2和和VD2总处于断态；总处于断态；l只只作作升升压压斩斩波波器器运运行行时时，则则V1和和VD1总处于断态；总处于断态；第30页/共43页31第第3种种工工作作方方式式：一一个个周周期期内内交交替替地地作作为为降降压压斩斩波波电路和升压斩波电路工作；电路和升压斩波电路工作；l当当降降压压斩斩波波电电路路或或升升压压斩斩波波电电路路的的电电流流断断续续而而为为零零时时，则则会会使使另另一一个个斩斩波波电电路路工工作作，电电流流反反方方向向流流过过。这这对对应应就就是是第第3种种工工作作方方式式。这这时时电电动动机机电电枢枢回回路路总有电流流过。总有电流流过。l在在一

20、一个个周周期期内内，电电枢枢电电流流沿沿正正、负负两两个个方方向向流流通通，电电流流不不断断，所所以以调调速的响应很快。速的响应很快。电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路中中电电枢枢电电流流可可逆逆，两两象象限限运运行行，但但电电压压极极性性是是单单向向的，即电机转向固定。的，即电机转向固定。第31页/共43页325.2.2 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5-8 桥式可逆斩波电路 使V4保持通时，等效为图5-7a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V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电

21、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。第32页/共43页335.2.3 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第33页/共43页345.2.3 多相多重斩波电路总输出电流为 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倍总的输出电压及电流脉动幅值变得很小；所需平波电抗器总重量大为减轻。3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路电路结构：相当于由：相当于由3个降压个降压斩波电路单元斩波电路单元并联并联而成。而成。tOttttttO

22、OOOOOu1u2u3i1i2i3io第34页/共43页355.2.3 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。第35页/共43页365.3 带隔离的直流直流变流电路图 5-10 间接直流变流电路的结构同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直交直电路。采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因 输出端与输入端需要隔离。某些应用中需要相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。交流环节采用

23、较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。第36页/共43页375.4 开关电源如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交直交直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。工作频率的提高还有利于控制

24、性能的提高。第37页/共43页38 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。第38页/共43页39使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第39页/共43页40使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第40页/共43页41使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第41页/共43页42作业P138-7,9第42页/共43页43感谢您的观看！第43页/共43页