第2章PWM直流变换电路.ppt

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1、第 2 章 PWM 直流变换电路,2.1 概述 2.2 单象限无隔离电路 2.3 单象限隔离型电路 2.4 双象限电路 2.5 四象限电路 2.6 多相多重电路,2.1 概述,电力电子电路的分类,按电路作用：功率电路（主电路）、控制电路 按变换功能：交流变换电路、整流电路、直流变换电路、逆变电路 按构成器件：半控型电路、全控型电路 按电隔离能力：绝缘型、非绝缘型电路 按变换级数：直接变换、间接变换电路,2.1 概述,电力电子电路的分类,按控制方式：相控式、频控式、斩控式、组合式 按开关环境：硬开关电路、软开关电路 按电能流传方向：单向电路、双向电路 按输出电压：高压电路、低压电路 按电路构成：

2、基本电路、组合电路,2.1 概述,直流变换电路：变换直流电能参数的电路,直流变换电路的分类：,按输入输出电压：降压、升压、升降压电路 按工作范围：单象限、双象限、四象限电路 按变换级数：直接式、间接式电路 按入端滤波：电压源、电流源电路 按电路耦合：电耦合、磁耦合电路 按电路构成：基本电路、组合电路,2.1 概述,直流变换电路的基本用途： 直流调速电源 开关电源,一般应用结构,2.2.1 单象限降压斩波电路,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,L0和C0组成LPF,降压斩波电路（Buck Chopper),工作原理,当 时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,

3、向C0充电,当 时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持,假设:,1.T,D均为理想器件 2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻 3.直流输出电压U0为恒定 4.整个电路无功耗 5.电路已达稳态,2.2.1 单象限降压斩波电路,2.2.1 单象限降压斩波电路,电流连续状态 CCM,2.2.1 单象限降压斩波电路,电路分析,1.电感电流iL表达式,当,储能,当 时, 达到最大值,当 时,放能,当 时, 达到最小值,2.2.1 单象限降压斩波电路,伏秒平衡定律的证明：,电流增量：,即：,输出电压增益,输出电流平均值I0,2.2.1 单象限降压斩波电路,输出电压纹波分析,当 时

4、,电容充电,其电荷量为Q,实际上就是图 中的阴影部分的面积,在 时,阴影部分的面积为:,2.2 单象限降压斩波电路,输出电压纹波分析（续）,在 时,把 代入上式得:,所以当 与 给定后,当 最大时,用 , 的最大值 为,电压纹波,保持电流连续的临界电感值,由 的图形可知,当 时, 电流处于 临界连续状态,2.2 单象限降压斩波电路,临界电感值,电流断续状态（DCM）,2.2.1 单象限降压斩波电路,1.求Av,根据伏秒平衡律:,电流断续状态（DCM）,2.2.1 单象限降压斩波电路,2.求Dp,平均电流:,解得:,2.2.2 单象限升压型直流变换电路,电路,工作原理,2.2.2 单象限升压型直

5、流变换电路,连续模型分析,1.直流增益Av,根据伏秒平衡律:,2.电流增益,根据无耗网络的定义:,2.2.2 单象限升压型直流变换电路,连续模型分析,3、电流的波动,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,2.2.3单象限升/降压直流变换电路 (Buck-Boost),电路,输入和输出反相,工作原理:,在T导通时,D截止,电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变 在T/off时,D on,把存放在中的能量释放给负载和电容,2.2.3 单象限升/降压直流变换电路,连续模型的分析方法,1.电压增益,根据伏秒平衡律

6、:,1,1,1,2.2.3 单象限升/降压直流变换电路,输入电流脉动,输入电流增量: 输入电感电流的最大值:,由无耗性可知:,输出电压的脉动值,当VTon,VD off时,电容C0放电维持输出电压,2.2.4 Cuk电路,工作过程,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。,Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,2.2.4 Cuk电路,输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小 电压增益 开关晶体管发射极接地 输入输出电压反向,CUK电路

7、的特点:,电压增益,电流增益:,2.2.4 Cuk电路,输出，入端电流脉动,入端:,出端:,输入电流的最大值:,输出电流的最大值:,VT电流最大值,2.2.5 Sepic电路,电路结构,Speic电路原理 V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，EL1C1VD负载回路及L2VD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：,2.2.6 Zeta电路,Zeta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，L1VDC1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至

8、C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。 输入输出关系：,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。,2.3 单象限隔离型电路,隔离型电路：输入与输出间有电隔离的直流变换电路 隔离型电路的分类 按功率器件控制极信号来源：他励式、自励式 按变压器绕组极性：反激式、正激式 按电路结构不同：单端、推挽、桥式等,工作过程：,S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。,2.3.1 单端反激电路（Flyback

9、）,VT导通期间：,VT截止期间,2.3.1 单端反激电路,单端反激式变换器也有三种工作状态：,1 磁通临界连续的工作情况：,2 磁通不连续的工作状态,2.3.1 单端反激电路,3 磁通连续的工作状况,2.3.1 单端反激电路,2.3.1 单端反激电路,（3）输入电压Uin与导通比D的对应关系,即是输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。 因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。 运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。,2

10、.3.1 单端反激电路,（4）间歇振荡问题,当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制

11、电路振荡器的最小导通比决定的。,2.3.2 单端正激电路(Forward),原理电路图,等效电路,开关开通后，变压器绕组Np两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD2处于通态，VD3为断态，电感Lf的电流逐渐增长； S关断后，电感Lf通过VD3续流，VD2关断。变压器的励磁电流经Np绕组和VD1流回电源，所以S关断后承受的电压为 。,正激电路的工作过程,2.3.2 单端正激电路,正激电路的工作情况,2.3.2 单端正激电路,变压器的磁心复位,开关VT开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到VT关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在

12、VT关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位时间为,2.3.3 其它类型正激电路,单管正激式多重电路（P133 图2-22） 单管正、反激电路（P133 图2-23） 双管正激式电路（P133 图2-24） 双管正激组合电路（P133 图2-25）,双管正激变换器,T1和T2具有相同的占空比； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量；T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。 不需要专门的去磁绕组; 多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器。,2.3.3 其它类型正激电

13、路,2.4 双象限电路,分类：电流双象限电路、电压双象限电路,输出电流平均值I0极性可变电流双象限电路,原理,负载等效电压: 输出电压: 恒大于零,输出电流:,当,当,2.4.1 电流双象限电路,2.4.1 电流双象限电路,电路结构,V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。 V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。 必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。,2.4.1 电流双象限电路,工作过程 （三种工作方式),第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。 当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电

14、流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。 电路响应很快。,2.4.1 电流双象限电路,负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统,正转,(减速运行),正转制动力,应用:,负载为电池时,构成电流双向流动的不间断电源系统,正常情况下，给电池充电,断电时，由电池供电,2.4.2 电压双象限电路,输出电压U0极性可变电路电压双象限电路,原理:靠改变占空比改变U0的极性,应用：负载为电机时,构成可逆调速系统，如各式起重机的提升机构,正转,反转制动,2.4.2 电压双象限电路,典型电路和原理,两种工作情况,1、 时,V1保持导通，V2在（0,DT）时间内导通,当V1、V2导通时， 且线性上

15、升， 输出功率 ，负载从电源吸取能量,当V1导通时，V2截止时 ，V1和VD2 导通， 原先存储在L中的能量释放维持负载需要,输出电压平均值,2.4.2 电压双象限电路,2、 时,V1保持导通，V2在（DT，T）时间内导通,当V1、V2截止时，VD1和VD2 导通， 原先存储在L中的能量释放反馈回直流电源,当V2导通时，VD2截止 ，V2和VD1导通,输出电压平均值,概述,优点: 以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高,响应速度快 分类:,全桥电路,半桥电路,单极性电路,双极性电路,同频电路,倍频电路,2.5 四象限电路,半控型电路,全控型电路,硬PWM电路,软PWM电路,在

16、一个斩波周期内,输出电压 只有一个极性变换的电路,2.5 桥式四象限电路,双极性电路:,的平均值,由上式可知:U0的幅值和极性均取决于占空比D,特点: 电流脉动大,但不会出现断续情况,2.5 桥式四象限电路,单极性电路:,在一个斩波周期内,输出电压 仅有幅度变化而无极性变化,当,0,当,0,平均值:,特点: 电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况,2.5.1 双极性桥式四象限电路,桥式四象限电路两个电流双象限电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。,桥式四象限电路,使V3保持通时，等效为电流双象限电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V4保持通时，等效为又一

17、组电流双象限电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。,D0.5时, I00, D=0.5, I0=0, D0.5, I00,工作情况,2.5.1 双极性桥式四象限电路,控制信号与占空比D的关系,最大控制电压,工作过程分析,2.5.1 双极性桥式四象限电路,只讨论D=0.5,因为,off,而VD1与VD3 on,当,但,当,2.5.1 双极性桥式四象限电路,直流增益:,双极性桥式直流变换器,实质上是一个线性放大器,电流脉动计算,2.6 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

18、,负载电流脉波数,4.2.4 多相多重斩波电路,4相4重降压斩波电路,电路结构：相当于由4个降压斩波电路单元并联而成。,总输出电流为 4 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4倍，脉动频率也为4倍。 总的输出电流脉动幅值变得很小 。 所需平波电抗器总重量大为减轻。 总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。,图4-9 4相4重斩波电路及其波形,4.2.4 多相多重斩波电路,当上述电路电源公用而负载为4个独立负载时，则为4相1重斩波电路。 而当电源为4个独立电源，向一个负载供电时，则为1相4重斩波电路。 多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电

19、路单元可互为备用。,本章小结,本章介绍了单象限斩波电路、双象限斩波电路、四象限斩波电路及多相多重斩波电路。 本章的重点是，理解几种基本的斩波电路的电路结构、工作原理，输入输出关系、电路解析方法、工作特点等 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。,典型应用 开关电源,如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，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，体积和重量都远小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。,