第5章斩波电路2012.ppt

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1、1,5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 5.4 不可逆直流PWM系统（补充） 5.5 可逆直流PWM系统（补充）,第5章 直流-直流斩波电路,2,直流直流变换器作用：固定直流可控直流。 变换器中的功率器件工作于开关状态。 应用：直流开关电源，直流电机驱动。,直流直流变换器的系统组成,第5章 直流-直流斩波电路,3,间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。,第5章 直流-直流斩波电路,直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路

2、和间接直流变流电路。,直接直流变流电路 也称斩波电路（DC Chopper）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。输入与输出之间不隔离。,隔离，能量变换？,4,第5章 直流-直流斩波电路,直流直流变换器的主要种类： 基本结构： 降压变换器（Buck converter) 升压变换器（Boost converter) 复合结构：升降压变换器（BuckBoost converter) 全桥变换器（full bridge converter),5,控制输出电压vo 平均值的方法：控制开关通断时间。,直流直流变换器又称斩波器，开关器件应为全控型。,5.1.1 降压斩波电路,6,直流直流

3、变换器的三种控制方式 （改变占空比的方式） 脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation） 周期不变，通过导通时间的改变，控制输出电压。 脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation） 导通时间不变，改变导通的周期来改变输出电压。 混合型调制：ton和Ts都可调，以改变占空比。,PWM（脉冲宽度调制）是直流直流变换器中最常用的控制方法。,5.1.1 降压斩波电路,7,脉冲宽度调制电路,5.1.1 降压斩波电路,8,平均输出电压,1.基本的降压变换电路,假定：恒定的输入电压、理想的开关、纯电阻负载,5.1.1 降压斩波电路,9,基本电路的缺陷 实际

4、的负载应为感性。即使是阻性负载，负载回路中仍会存在分布电感。开关断开时，必须有吸收电感储能的回路，否则开关会因过压而损坏。 输出电压波动太大（0或Vd）,解决方法 增加二极管，形成续流回路，吸收电感储能。 负载侧接入低通滤波器（由电感和电容构成），减小输出电压的波动。,5.1.1 降压斩波电路,10,低通 滤波器,续流 二极管,滤波器输入电压,2.实用的降压变换电路,变换器输出电压,11,低通滤波器的作用,滤波器输入电压包含直流分量Vo和谐波分量,谐波分量的频率为开关频率的整数倍,滤波器的转折频率fc远小于开关频率fs，可滤除输出电压中的谐波,12,续流二极管的作用,续流 二极管,开关闭合时，

5、二极管反向截止，Vd通过电感向负载提供电流。 开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负载释放电感中的储能。,采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？,13,稳态的含义：电压、电流为重复的周期波。,电感电流,稳态时电感电流,稳态时电感电压在一个周期内的平均值为零。,面积A面积B,3. 稳态电路中电感上电压、电流的特点,L伏秒平衡原则,14,电容电压,稳态时电容电压,稳态时电容电流在一个周期内的平均值为零。,面积A面积B,4. 稳态电路中电容上电压、电流的特点,C安秒平衡原则,15,电感中的平均电流等于平均输出电流Io。（因为稳态时电容上的平均电流是零）,假设滤波电容非常大，则近似认

6、为输出电压恒定。,电感电流连续和断续时电路的工作特性不同。,5. 稳态时降压变换电路的特点,16,6. 连续导通的工作模式,连续导通模式：电感电流连续， 即iL(t)0 开关闭合时, 二极管反向截止,开关断开时，iL 通过二极管续流,17,求取连续导通模式下输出电压平均值,方法1：利用电感上的伏秒平衡原则,18,方法2：从滤波器输入电压平均值入手,19,输出电功率,忽略电路元件上的损耗，可得输入功率Pd等于输出功率Po,连续导通模式下的降压变换器可等效为直流降压变压器，变压比可通过占空比D在01之间连续调节。,尽管电流Id也符合变压器的关系，但电流波形在一个周期中是跳变的，含有大量谐波。,20

7、,iL断续 仅依靠电容向负载供电vL=0,断续导通时的情况(负载较轻时，IL减小，将不连续）,7 断续导通工作模式,临界点电流电感计算？,21,8 输出电压的脉动率（连续导通模式）,实际上，电容值有限，输出电压存在脉动。,前面的分析中，滤波电容足够大，使得,求解电压脉动时，假设IL中的脉动分量流向电容，而平均值分量流向电阻。,思想,22,求解,电压脉动,电压脉动率,23,合理选择转折频率可有效减小电压脉动率,连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。 在开关型直流电源中，输出电压的脉动率一般小于1，所以前面采取的假设 是合理的。,24,9 电机负载斩波电路,降压斩波电路的原理图及波形 a）电路

8、图 b）电流连续时的波形,电路分析 负载中出现反电动势-Em，R0 工作原理 t=0，V导通-供电-负载电压uo=E-io-指数曲线上升。 t=t1，V关断-VD续流-uo=0-io指数曲线下降；通常电感L较大使负载电流连续且脉动小。,25,降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图c）电流断续时的波形,26,负载电压的平均值,负载电流平均值为,电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。,斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 频率调制：ton不变，改变T。 混合型：ton和T都可调，改变占空比,9 电机负载斩波电路,基本的数量关系,电流连

9、续时,27,基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。 电流连续时得出,式中， ， ， ， ，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，可得,平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。,(5-9),(5-10),(5-11),9 电机负载斩波电路,对电路进行解析,28,(5-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即,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，由上式得,即输出

10、功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,9 电机负载斩波电路,29,电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出,电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为,输出电压平均值为,负载电流平均值为,9 电机负载斩波电路,30,例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，Em=30V，T=50s，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。,输出电流平均值为,解：L值极大-负载电流连续，于是输出电压平均值为,9 电机负载斩波电路,31,例5-2 在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH

11、，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得：,当ton=5s时，有,由于,所以输出电流连续。,9 电机负载斩波电路,32,升压变换电路的设计思路:泵升原理,5. 1.2 升压（BOOST）变换器,1 电路结构和基本原理,1）需串联电势才能升压,2）利用电感储能,3）电感储能释放储能,4）二极管隔离输出电压,33,升压变换器的电路结构,保持输出电压,储存电能,规定电能传递的方向,稳态分析时，假设滤波电容非常大,升压变换器特点：输出电压高

12、于输入电压,34,2 连续导通的工作模式,连续导通模式：电感电流连续， 即iL(t)0,开关闭合时：二极管反偏截止，输出被隔离；输入电源向电感中储能,开关断开时：输入电源及电感共同向输出侧提供电能。,35,变压比,利用电感上的伏秒平衡原则,电流比,连续导通模式下的升压变换器可等效为直流升压变压器，变压比可通过占空比D在大于1的范围内连续调节。,36,a),b),图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形,当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即,37,3 断续导通工作模式,电感电流临界连续的情况 电感电流iL在关断阶段（toff）结束时恰好为零。,电感

13、电流临界连续,电感电流断续,38,每个开关周期，电感储能都要传递给输出端。 如果负载较轻，不能消耗该能量，将导致电容电压上升 Vo过高导致负载侧出现过压或击穿电容。所以 升压变换器不能空载工作。,升压变换器工作在断续导通模式时的特殊要求,39,4 寄生元件的影响,电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际的变压比有所下降。,应用时，一般要限制占空比D，使寄生效应不明显。,40,5 输出电压的脉动率,实际上，电容值有限， 输出电压存在脉动。,连续导通模式下， 输出电压脉动率,41,例5-4 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=2

14、0，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：,输出电流平均值为：,42,例55在下图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40s，ton=25s时，回答下列问题： 1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。 2）画出如下波形：器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流iVD和电压uVD。 3）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV,43,解： 1）,2）,3）,44,a),b),图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波

15、电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时,一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路，三是用于其他交直流电源中。 以用于直流电动机传动为例 在直流电动机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。 基于分时段线性电路思想，电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值Io为,典型应用,45,当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间tx，即,当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即,图5-3 用于直流电动机回馈能量的

16、升压斩波电路及其波形 c）电流断续时,46,5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,a),图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,升降压斩波电路 工作原理 V导通时，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关断时，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。,47,基本的数量关系 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,On-uL=E； Off-uL=-uo,48,当01/2时为降压，当1/21时为升压-升降压斩波电路。,电源电流i1和负载电流i2的

17、平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有,输出功率和输入功率相等,49,图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,V导通时，EL1V 回路和 RL2CV 回路分别流过电流。 V关断时，EL1CVD 回路和 RL2VD 回路分别流过电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。, Cuk斩波电路,工作原理,50,基本的数量关系,C的电流在一周期内的平均值应为零,由L1和L2的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压E的关系,明显的优点:其输入电流和输出电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。,51,5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,5.2.1

18、 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路,52,概念 复合斩波电路：降压斩波电路+升压斩波电路。 多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合 电流可逆斩波电路 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。,5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,53,a),图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形,

19、5.2.1 电流可逆斩波电路,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。,54,第3种工作方式下，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，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。 一个周期内，电流不断，响应很快。,工作过程,两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。,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。,55,5.2.2 桥式可逆斩波电路,图5-8 桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路 将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动

20、机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。 工作过程 V4导通时，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。 V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,56,5.2.3 多相多重斩波电路,a),b),图5-9 多相多重斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,多相多重斩波电路 是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的。 相数: 电源侧的电流脉波数。 重数：负载电流脉波数。 3相3重降压斩波电路 电路及波形分析 3个降压斩波电路单元并联而成。 总输出电流为 3

21、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。,57,5.2.3 多相多重斩波电路,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，其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。 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，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。 电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。 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，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。,58,5.3.1 正激电路 5.3.2

22、 反激电路 5.3.3 半桥电路 5.3.4 全桥电路 5.3.5 推挽电路 5.3.6 全波整流和全桥整流 5.3.7 开关电源,5.3 带隔离的直流直流变流电路,59,5.3 带隔离的直流直流变流电,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-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。,60,正激电路和反激电路属于单端电路 半桥、全桥和推挽电路

23、属于双端电路。,间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类,单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，,双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，,61,图 5-11 正激电路的原理图,图 5-12 正激电路的理想化波形,正激电路(Forward) 工作过程 开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，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。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为,5.3.1 正激电路,6

24、2,63,图 5-13 磁心复位过程,开关S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S关断， 必须设法使激磁电流在S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。否则导致变压器的激磁电感饱和。,输出电压 输出滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下,变压器的磁心复位,磁心复位所需的时间,64,图 5-14 反激电路原理图,图 5-15 反激电路的理想化波形,当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为,5.3.2 反激电路,工作过程,S开通，W1绕组的电流线性增长-电感储能增加。,S关断，W1绕

25、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，,工作模式,65, S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下，,所以应该避免负载开路状态。,66,图 5-16 半桥电路原理图,图 5-17 半桥电路的理想化波形,5.3.3 半桥电路,67,S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。,工作过程,68,S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕

26、组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。,69,滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(5-54),输出电压,70,图 5-18 全桥电路原理图,图 5-19 全桥电路的理想化波形,5.3.4 全桥电路,71,图 5

27、-18 全桥电路原理图,图 5-19 全桥电路的理想化波形,S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。 当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,5.3.4 全桥电路,工作过程,互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，变占空比可改变输出电压。,72,为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。,磁偏,如果S1、S4与S2、S3

28、的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,防直通,73,滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(5-55),输出电压,74,图 5-20 推挽电路原理图,图 5-21 推挽电路的理想化波形,5.3.5 推挽电路,75,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，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。,工作过程,推挽电路中两个开关S1和

29、S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。,S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。,76,当滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-56）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(5-56),如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。,输出电压,77,表 5-1 各种不同的间接直流变流电路的比较,78,图5-22 a)全波整流电路原理图,双端电路中常用的整流电路形式为全

30、波整流电路和全桥整流电路。 全波整流电路的特点 优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。,5.3.6 全波整流和全桥整流,79,适用场合：高压输出的情况下。,图5-22 b)全桥整流电路原理图,5.3.6 全波整流和全桥整流,全桥电路的特点,优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。,缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多

31、。,80,缺点:需要对V1和V2的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性。,图5-23 同步整流电路原理图,同步整流电路,当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。,81,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性能的提高。,5.3.7 开关电源,82,直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 直接直流变流电路包括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，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种。 常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。,本章小结,