第9章 直流斩波电路2精选PPT.ppt

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1、第第9章章 直流斩波电路直流斩波电路2第1页，本讲稿共46页引言引言直流斩波电路（直流斩波电路（DC Chopper）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。也称为也称为直流直流-直流直流变换器（变换器（DC/DC Converter）。）。一一般般指指直直接接将将直直流流电电变变为为另另一一直直流流电电，不不包包括括直直流流交流交流直流。直流。电路种类电路种类6种种基基本本斩斩波波电电路路：降降压压斩斩波波电电路路、升升压压斩斩波波电电路路、升升降降压压斩斩波波电电路路、Cuk斩斩波波电电路路、Sepic斩斩波波电电路路和和Zeta斩波电路。斩

2、波电路。复合斩波电路复合斩波电路不同结构不同结构基本斩波电路组合。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相同结构基本斩波电路组合基本斩波电路组合。第2页，本讲稿共46页9.1 基本斩波电路基本斩波电路9.1.1 降压斩波电路降压斩波电路9.1.2 升压斩波电路升压斩波电路9.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路第3页，本讲稿共46页9.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 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（Buck Chopper)第4页，本讲稿

3、共46页工作原理工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图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，负载电压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。第5页，本讲稿共46页数量关系数量关系电流连续输出电压平均值：tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 -导通占空比导通占空

4、比（1)电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：第6页，本讲稿共46页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都可调混合型。此种方式应用最多介绍过：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7页，本讲稿共46页降压斩波电路降压斩波电路l 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析V为通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得第8页，本讲稿共46页V为断态期间，设负载电流为i2

5、，可列出如下方程：设此阶段电流初值为I20，解上式得：降压斩波电路降压斩波电路式中:；)(2210=tiI)(1120=tiI此时，得出：第9页，本讲稿共46页用泰勒级数近似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。降压斩波电路降压斩波电路第10页，本讲稿共46页降压斩波电路降压斩波电路l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

6、能量相等第11页，本讲稿共46页降压斩波电路降压斩波电路l 负载电流断续的情况：I10=0，且t=tx时，i2=0txtoff电流断续的条件：负载电流平均值为：输出电压平均值为：第12页，本讲稿共46页 带带LC滤波的降压斩波电路滤波的降压斩波电路输出电压uc在稳态下近似无任何脉动，保持Uc不变。电感电流波形由原来的指数规律上升和下降，变为直线升降。无论是电流连续还是断续模式，在二极管VD导通续流期间，作用于电感L两端的电压为 Uc，电感电流iL以-Uc/L的负斜率直线减小。图9-3 采用LC滤波的降压斩波电路第13页，本讲稿共46页第14页，本讲稿共46页图9-3 采用LC滤波的降压斩波电路

7、第15页，本讲稿共46页第16页，本讲稿共46页在在电电流流断断续续模模式式对对应应的的波波形形中中，当当电电感感电电流流下下降降到到零零的的t t2 2时刻之后，二极管的端电压不再是时刻之后，二极管的端电压不再是E EMM而是等于而是等于U Uc c。电感端电压波形的正负变化决定了其电流的直线上升和下降。电感端电压波形的正负变化决定了其电流的直线上升和下降。第17页，本讲稿共46页9.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 升压斩波电路（升压斩波电路（Boost Chopper）保持输出保持输出电压电压储存电能 电路结构1)升压斩波电路的基本原理第18页，本讲稿共46页工作原理工作原理假设L和C值

8、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。0UGE0ioI1a)电路图b)波形第19页，本讲稿共46页数量关系数量关系Eton+(E-Uo)toff=0 E+(E-Uo)(1-)=0 Uo=E/(1-)电压变换比电压变换比:M=Uo/E=1/(1-)1（升压式）（升压式）第20页，本讲稿共46页2)电流断续工作模式电流断续工作模式。tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20第21页，本讲稿共46页第22页，本讲稿共46页9.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路

9、和Cuk斩波电路斩波电路 1）升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构V，L和VD三者之间的位置关系第23页，本讲稿共46页基本工作原理基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILILV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。动态演示。第24页，本讲稿共46页数量关系数量关系稳态时，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：V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo 第25页，

10、本讲稿共46页图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：由上式得：结论当0a 1/2时为降压，当1/2a 1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。otb)oti1i2tontoffILIL式（341）第26页，本讲稿共46页2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD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。第27页，本讲稿共46页稳态时，一个周

11、期内电容电流ic的平均值为零：数量关系数量关系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：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28页，本讲稿共46页第29页，本讲稿共46页单端间接直流变流电路单端间接直流变流电路采用这种结构的变换原因：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。交流环节采用较高的工作频率，工作频率高于20kHz可以可以进一步缩小变流装置的体积和重量。

12、变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直-交-直电路。第30页，本讲稿共46页第31页，本讲稿共46页 9.3 单端间接式直流变换电路单端间接式直流变换电路 间接直流变流电路中增加了交流环节，因此也称为直-交-直变换电路。采用直直交交直直变变换换结结构构的原因：输出端与输入端需要隔离；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；交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、电容的体积和重量。通常，工作频率应高于高于20kHz这一人耳的听觉极限。图 9-13 间接式直流变换电路的结构第32页

13、，本讲稿共46页间接直流变流电路分为单单端端(Single End)和和双双端端(Double End)电路电路两大类。在单端电路中，变压器中流过的是单单方方向向的的直直流流脉脉动动电电流流，而双端电路中，变压器中的电流为正正负对称的交流电流。负对称的交流电流。第33页，本讲稿共46页9.3.1 单端正激式直流变换电路单端正激式直流变换电路采用单开关构成的单端正激式直流变换器（Single-Ended Forword DC Converter）典型电路。第34页，本讲稿共46页 图 9-15 单端正激电路的理想化波形开关S开通后，变压器原边绕组两端的电压为上正下负，N2绕组两端的电压也是上正下

14、负。VD1和S同时导通，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长。S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，滤波器输入电压为零，L的电流逐渐下降。可见，副边绕组相当于联接了一个带LC滤波的降压式直流斩波电路。第35页，本讲稿共46页S关断后，变压器原边绕组N1的自感电势上负下正，从而N3绕组的感应电势上正下负，使变压器励磁电流经N3绕组和VD3流回电源。此时N1绕组两端自感电压uN1的大小由uN3决定，由于uN3=Ui，所以N1绕组的感应电势被箝位于 所以开关S两端承受的电压为 图 9-16 磁通复位过程+Ui第36页，本讲稿共46页 S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流及磁通降

15、回到零，磁磁通通复复位位，否则下一个开关周期中，激磁电流及磁通将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中依次累积起来，变得越来越大，从而导致变压器的铁芯饱和铁芯饱和。图 9-16 磁通复位过程+Ui第37页，本讲稿共46页在输出滤波电感电流连续的情况下，即每周期S开通时电感L的电流不为零，输出电压为 电压变换比：通常取N3=N1，不超过0.5，以保证铁芯能可靠地磁通复位。第38页，本讲稿共46页双管箝位双管箝位单端正激变换电路，亦称作混合桥单端正激变换电路（Hybrid-Bridge Single-Ended Forword Converter）在S1、S2同时导通期间，二极

16、管D3导通，向负载传递能量；在S1、S2同时关断期间，励磁电流经D1、D2流回电源，变压器原边电压被箝位于-Ui，使磁通复位。占空比不宜超过0.5。图9-17 双管箝位单端正激变换电路第39页，本讲稿共46页第40页，本讲稿共46页9.3.2 反激电路反激电路1)反激电路反激电路(Flyback)的工作过的工作过程：程：SuSiSiVDtontoffttttUiOOOOS开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。第41页，本讲稿共46页2）反激电路的工作模式：电流连续模式：当S开通时，W2绕组中

17、的电流尚未下降到零。输出电压关系：第42页，本讲稿共46页9.4 双端间接式直流变换电路双端间接式直流变换电路 单端间接电路中，变压器铁芯磁通是单方向脉动的，存在磁通复位问题。双端间接电路中，变压器铁芯磁通是对称交变的，不存在磁通复位问题。第43页，本讲稿共46页9.4.1 半桥直流变换电路半桥直流变换电路第44页，本讲稿共46页9.4.2 全桥直流变换电路全桥直流变换电路第45页，本讲稿共46页电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消 费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源各种不同的间接直流变流电路的比较第46页，本讲稿共46页