直流斩波电路教学课件PPT2.ppt

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1、目录,5.1 基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.2.1 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,目录,5.3 带隔离的直流-直流变流电路 5.3.1 正激电路 5.3.2 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 本章小结,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 也称为

2、直流-直流变换器（DC/DC Converter） 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,直流斩波电路的种类 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,基本斩波电路,重点介绍最基本的两种基本电路 -降压斩波电路（Buck Chopper） -升压斩波电路（Boost Chopper）,5.1,降压斩波电路,原理图：,全控型器件 图中为IGBT 若为晶闸管，须 有关断辅助电路,续流二极管,负载出现的反电动势,动态演示,5.1

3、.1,1、降压斩波电路的基本原理 （Buck chopper）,典型用途之一是拖动直流电机，也可用于蓄电池负载,降压斩波电路,降压斩波电路,工作原理,图5-1降压斩波电路的原理图及波形 a)电路图,b)电流连续时的波形,降压斩波电路,负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减为零，会出现负载电流断续，,由波形可见，负载电压uo平均值会抬高，一般不希望出现电流断续的情况。,2、数量关系 电流连续时，,降压斩波电路,（5-1）,（5-2）,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比,电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现,负载电压平均值：,负载电流平均值：,降压斩波电路,

4、斩波电路三种控制方式,降压斩波电路,5.1.1,1) 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,简称PWM) 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton 2) 频率调制（ Pulse Frequency Modulation ,简称PFM ） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T 3) 混合型 ton和T都可调，占空比改变,此种方法应用最多,降压斩波电路,5.1.1,V为断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：,（5-5）,设此阶段电流初值为I20，解上式得：,降压斩波电路,5.1.1,（5-6）,由式（5-4）、（5-6）、（5-7）和（5-8）得出：,；,用泰勒

5、级数近似,（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。,降压斩波电路,5.1.1,降压斩波电路,5.1.1,3、能量传递关系,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能量相等,降压斩波电路,负载电流断续的情况：,I10=0，且t=tx时，i2=0,式（5-7）,式（5-6）,（5-16）,txtoff,电流断续的条件：,（5-17）,升压斩波

6、电路,（1） 电路结构：,储存电能,保持电压的输出,1、升压斩波电路的基本原理 （Boost chopper）,动态演示,升压斩波电路,5.1.2,升压斩波电路,假设L和C 很大 当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，输出电压uo为恒值，记为Uo。 V处于断态时，E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。,（2）工作原理：,V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为,（3）能量关系：,升压斩波电路,稳态时，一

7、个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,（5-20）,=,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量关系如何?,T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路,（4）数量关系：,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,升压斩波电路,（5-20）,=,（5-21）,升压比； 升压比的倒数记作b ，即 。 b和a的关系： 因此，式（5-21）可表示为,（5-23）,（5-22）,化简得：,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 （5-24） 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式（5-23）得出输出电流的平均值

8、Io为 （5-25) 由式（5-24）即可得出电源电流I1为： （5-26）,升压斩波电路,动画演示,2、典型应用 (一) 用于直流电动机传动,升压斩波电路,(二) 用作单相功率因数校正（PFC）电路,(三) 用于其他交直流电源中, 再生制动时把电能回馈给直流电源,升压斩波电路,升压斩波电路,图5-3的电路分析 V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 设i1的初值为I10，解上式得 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： 设i2的初值为I20，解上式得：,R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。,升压斩波电路,5.1.2,(5-27),(5-28),（5-29）,（5-30）,（5

9、-33）,（5-34）,泰勒级数线性近似,（5-35）,L为无穷大时电枢电流的平均值Io,（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 。,升压斩波电路,升压斩波电路,如图5-3c，当电枢电流断续时：,依据条件同样可求得i2持续的时间tx，即,txt0ff,-电流断续的条件,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1. 升降压斩波电路,原理图：,动态演示,电路特点？,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,复合斩波电路,名词解释,降压斩波电路和升压斩波电路的组合构成,多相多重斩波电路,相同结构的基本斩波电路组合构成,复合斩波电路和多相多重斩波电路,电流可逆斩波电路,斩波电路用

10、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 降压斩波电路拖动直流电动机时，如图5-1所示，电动机工作于第1象限 图5-3所示升压斩波电路中，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，拖动直流电动机时，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,原理图：,电流可逆斩波电路,5.2.1,V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限,分析：,V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使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

11、导致的电源短路,在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通， 电流不断，所以响应很快。,电流可逆斩波电路,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,当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为 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。以下图 为例说明。,只作降压斩波器运行时，则V2和VD2总处于断态； 只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态；,电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的 当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合（即四象限运行），须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供

12、正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路,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，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态 使V2保持通时，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,图5-8 桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路,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。 图 5-15 间接直流变流电路的结构 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

13、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。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。,带隔离的直流-直流变流电路,8.2,逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中通常采用快恢复二极管、肖特基二极管或MOSFET构成的同步整流电路（Synchronous Rectifier）。 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：变压器中流过的是直流脉动电流，如正激电路和反激电路。 双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。,8.2,带隔离的直流-直流变

14、流电路,正激电路,8.2.1,电路的工作过程,图 5-16 正激电路的原理图,图 5-17 正激电路的理想化波形,分析：,开关S开通后，变压器绕组N1两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。S关断后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 。,正激电路,8.2.1,变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S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S关断后到下一次再开通的一段时间内

15、降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。,图 5-18 磁心复位过程,变压器的磁心复位时间为,(5-51),反激电路,工作过程： S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：,图 5-19 反激电路原理图,图 5-20 反激电路的理想化波形,8.2.2,反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。,反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。 输出电压关系： (5-53) 电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降

16、到零。 输出电压高于式（5-3）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， ，因此反激电路不应工作于负载开路状态。,反激电路,8.2.2,半桥电路,图 5-21 半桥电路原理图,图 5-22 半桥电路的理想化波形,工作过程：,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。,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

17、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。 输出电压： 当滤波电感L的电流连续时： (5-54) 如果输出电感电流不连续，输出电压U0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， 。,半桥电路,图 5-23 全桥电路原理图,图 5-24 全桥电路的理想化波形,工作过程：,全桥逆变电路中，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，改变占空比就

18、可以改变输出电压。,当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电 感L的电流逐渐上升；,S2与S3开通后，二极管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。,如果S1、S4与S2、S3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，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,全桥电路,输出电压： 滤波电感电流连续时： (5-55) 输出电感电流断续时，输出电压

19、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：,全桥电路,图 5-25 推挽电路原理图,图 5-26 推挽电路的理想化波形,工作过程：,推挽电路中两个开关S1和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，改变占空比就可以改变输出电压。,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。,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。,S1和S2同时导通，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。,推挽电路,

20、输出电压： 滤波电感L电流连续时： (5-56) 输出电感电流不连续时，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， 。,推挽电路,表 5-1 各种不同的间接直流变流电路的比较,推挽电路,图 5-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图 a）全波整流电路 b）全桥整流电路,全波整流和全桥整流,双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路 和全桥整流电路。,全波整流电路的特点 优点：电感L的电流只流过一个二极管，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是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高

21、，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）。,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，变压器的绕组结构较为简单。 缺点：电感L的电流流过两个二极管，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。 适用场合：高压输出的情况下。,全波整流和全桥整流,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。 图 5-28 同步整流电路原理图,全波整流和全桥整流,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。,开关电源,小 结,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，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。,