《新能源汽车电力电子技术》教案第10课测试直流斩波电路.docx

课题测试直流斩波电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)掌握直流斩波电路的工作原理。(2)掌握基本直流斩波电路的结构及工作原理。技能目标：(1)能正确测试降压斩波电路。(2)能正确测试升压斩波电路。素质目标：(1)具有一定的沟通能力和团队意识。(2)树立民族自尊心、自豪感和文化自信。(3)增强实现中华民族伟大复兴的历史使命感。教学重难点教学重点：直流斩波电路的工作原理，基本直流斩波电路的结构及工作原理教学难点：基本直流斩波电路的工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】展示"DC/DC变换器”图片(详见教材)，讲述"任务导入”的相关内容DaDC变换器也称直流斩波器,早期主要应用于城市轨道列车、电动汽车等的直流牵引调速控制系统中。随着自关断电力电子开关器件的广泛应用和PWM控制技术的发展成熟，DC/DC变换器因具有效率高、体积小、质量小、成本低等显著优点，而被广泛应用于有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。【学生】现看、聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知直流变换电路的功能是将一定电压的直流电变换为电压固定或可调的直流电，直流变换电路可分为直接直流变换电路和间接直流变换电路两类。其中，直接直流变换电路即直流斩波电路，它可直接对直流电进行变换，输入与输出之间不存在电气隔离；而间接直流变换电路是在直流斩波电路中增加了交流环节，通过变压器实现输入与输出之间的电气隔离。因此，根据是否进行电气隔离，直流变换电路可分为非隔离型直流变换电路和隔离型直流变换电路。直流斩波电路根据其电路结构及功能的不同，主要分为以下4种基本类型：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克斩波电路。其中，前两种电路是最基本的直流斩波电路，后两种电路是前两种电路的组合形式。【教师】播放"DC/DC变换器的试验”微课视频(详见教材)，洪解新知4.1.1DC/DC变换电路概述1.DC/DC变换器1)DC/DC变换器的功能DC/DC变换器主要由功率模块、驱动模块和控制模块三个部分组成。【教师】展示"DC/DC变换器在新能源汽车上的主要应用”图片(详见教材)，讲解新知DC/DC变换器是新能源汽车动力系统中不可或缺的一部分，在以下方面发挥着重要作用。(1)由于动力蓄电池输出电压不稳,因此可通过DC/DC变换器可以对其进行升压和稳压，经逆变器变换后供给驱动电机。(2)在小功率(一般小于5kW)直流电机驱动的转向、制动等辅助系统中，DC/DC变换器负责为直流电共电。(3)DCDC变换器将动力蓄电池中的高压直流电进行降压处理，为彳氐压辅助电池充电，同时为车辆的空调、照明及指示灯、雨刷器、音响设备、导航系统、电动助力转向系统、安全气囊、组合仪表、故障诊断系统等电压为1248V的低压设备供电。2)DCDC变换器的选用【教师】提出问题，随机邀请学生回答结合DC/DC变换器的作用，试分析DC/DC变换器的选用条件。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知新能源汽车的最高时速、百公里加速、质量、最大扭矩和功率等参数都是影响DODC变换器选用的重要因素，因此DC/DC变换器必须满足以下要求.(1)变换效率高。(2)响应快速。(3)抗电磁干扰。(4)具有能量回馈功能。(5)轻量化。2.直流斩波电路的工作原理直流斩波电路进行电能变换的基本思路是通过控制电力电子开关器件快速开通或关断，将恒定的直流电压(或电流)"斩切"成一系列的脉冲电压(或电流)，从而使电路输出电压(或输出电流)在一定滤波条件下可以获得小于或大于电源电压(或电流)的可调电压(或电流)；通过改变开关器件开通、关断的动作频率，或改变开关器件开通、关断的时间比例，就可以改变开关器件触发脉冲序列的脉冲宽度，从而实现对电路输出电压(或输出电流)的调节。【教师】结合“简单的直流斩波电路及其电压波形”图片(详见教材)，对直流斩波电路的工作原理进一步分析当S开通时，UO=Ui；当S关断时，u<,=0假设令S进行周期性开通和关断，开通时间为U,关断时间为Uff,二者之和为S的开关周期T,即T=Un+Ioff,则电路输出电压为=-f,wod/=UJU曲=-U,=DU1°y,Jo0J,J17*11其中，D=ton/T,表示S的开通时间与开关周期之比，定义为占空比。由于DS1,因此U。SU,改变D的大小就可以改变UO的大小。【教师】讲述“知识链接一直流斩波电路的控制方式”的相关内容通常，直流斩波电路的控制方式主要有以下三种。(1)脉冲频率调制控制方式.(2)脉宽调制控制方式。(3)调频调宽混合控制方式.(详见教材)【学生】聆听、思考、理解、记忆4.1.2基本直流斩波电路假定直流斩波电路是由理想器件组成的，即满足以下条件。(1)开关器件和二极管从开通到关断,以及从关断到开通的过渡时间均为零。(2)开关器件的通态电阻为零，电压降为零；断态电阻为无穷大，漏电流为零。(3)电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件。(4)电路阻抗为零且无功率损耗。1 .降压斩波电路2 )电路的结构降压斩波电路主要应用于直流稳压电源的降压和直流电机的调速，其特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则大于输入电流。【教师】展示“带直流电机负载的降压斩波电路”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答说出电路图中每个电气符号的含义。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答2)电路的工作原理根据电路中电感电流是否连续，降压斩波电路有电流连续和电流断续两种工作模式。【教师】展示“带直流电机负载的降压斩波电路的工作波形”图片(详见教材)，讲解新知(1)电流连续模式。当I=O时，Q在5的影响下开通，开通时间为ton；VD因承受反向电压而关断；U向负载供电，Uo=Ui,i。的波形画规律上升。当t=t时，Q在Ug的影响下关断，关断时间为tf；VD在L的作用下开通；u<,=0,io的波形成指数规律下降。当1=12时，降压斩波电路将重复上述工作过程。根据直流斩波电路的工作原理，电路输出电压和输出电流分别为：UL品U勺R电路输入电流为I手。=DIq由于OVD<1,因此Uo<Ui,即降压斩波电路的输出电压小于输入电源电压，这就是降压斩波电路的主要特点。【教师】讲述“点拨”的相关内容当电路处在稳态时，由于u。、i。等变量都是按照开关器件开通和关断的周期重复变化的，且在L的作用下，i。无法突变，因此在一个周期内，i。的初值和上一个周期结束时的终值始终相等。【学生】聆听、思考、理解、记忆(2)电流断续模式。为了使i“的波形连续且脉动小，电路中L的感抗一般较大。但当L的感抗较小时，i°的波形就会发生断续。【教师】提出问Sg,随机邀请学生回答参考电流连续模式工作波形的分析过程，分析电流断续模式时的工作波形。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知在0L时间段，i<>的变化情况与电流连续模式时的相同，但由于电路中L的感抗较小，因此当Q关断后,在还未到达t2前io便减小为零，电流断续.在电流断续期间，Uo=Em,Uo增大,这会导致电路中直流电机的机械特性变软,对电路十分不利。因此，应尽力避免降压斩波电路工作在电流断续模式。【教师】讲述“点拨”的相关内容若忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即UiIiton=RIo2T÷EmI0T,也即UiIi=DUiI。=U。Io。此时，降压斩波电路的输入功率等于输出功率，可将该电路看作直流变压器。【学生】聆听、思考、理解、记忆3）电路的应用【教师】展示“带LC滤波器的降压斩波电路及其工作波形”图片（详见教材），讲解新知当Q开通时，UL=U.-Uo,io的波形由原来成指数规律升降变为成线性升降。当Q关断而VD续流时，无论电路工作在电流连续模式还是电流断续模式，UL=-Uo,i。的波形都以-U。/L的斜率变化。【教师】提出问题，随机邀请学生回答带LC滤波器的降压斩波电路与带直流电机负载的降压斩波电路，在电流连续模式下的工作波形有哪些区别？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答3 .升压斩波电路1）电路的结构【教师】展示“升压斩波电路及其工作波形”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答升压斩波电路的电路结构与降压斩波电路相比，发生了哪些改变？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知升压斩波电路可实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递,主要用于直流电棚区动系统、单相功率因数校正电路、电池供电设备等场合。不同于降压斩波电路，升压斩波电路的开关器件与负载以并联方式连接。2）电路的工作原理当Q开通时，Ui为L充电，电路输入电流恒为Ii,L储能增大；C为R供电，并且输出电压恒为Uoe当Q关断时，VD开通，U.和L同时为C和R供电。当电路工作在稳态时，在Q的一个周期T内，电感上储存和释放的能量相等，即UiLt011=（Uo-Uo）I.toff推导过程详见教材由于0<D<1,因此U。>U,即斩波电路输出电压大于输入电源电压，这就是升压斩波电路的主要特点。【教师】提出问题，随机邀请学生回答对比升压斩波电路和降压斩波电路在特点上的区别。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述"点拨”的相关内容升压斩波电路能够实现输出电压高于输入电压的主要原因：电感将电能储存后能够使电压泵升；由于电容很大，因此能够使输出电压保持稳定。但在实际使用中，电容不可能为无穷大，电路的实际输出电压会比理因输出电压略低。【学生】聆听、思考、理解、记忆3）电路的应用【教师】展示“应用于直流电机回馈能量的升压斩波电路”图片（详见教材），讲解新知在应用于直流电机回馈能量的升压斩波电路中，直流电源的电压基本是恒定的，因此电路不必并联电容，并可认为L的电感很大。但实际应用中的L的电感不会无穷大，所以电路具有电流连续和电流断续两种工作模式。【教师】展示“直流电机回馈能量的升压斩波电路的工作波形”图片（详见教材），讲解新知（1）电流连续模式。当Q开通时，EM为L提供能量，电路输入电流为l!jyL储存的能量为EMhton；当Q关断时，Em和L一起为电源充电，电路输入电流为12,则电感释放的能量为（Ui-EM）I2UtY。当电路处于稳态时，一个周期中L储存与释放的能量大小相等，且由于L的电感很大，因此h12,则电路输出电压为_'on+'off（2）电流断续模式.在t时刻前，io的变化情况与电流连续模式时的相同，但由于电路中L的电感较小，因此当Q关断后，io在还未到达12前便减小为零，电流断续。在电流断续期间，Uo=Em【教师】提出问题，随机邀请学生回答对比电流连续模式和断续模式下,电路工作波形发生的变化，并分析发生变化的原因。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答3.升降压斩波电路1）电路的弟勾升降压斩波电路是一种既可以升压又可以降压的变换电路，其输出电压相对于输入电压公共端为负值。升降压斩波电路不仅可应用于要求输出电压与输入电压极性相反，且电压值大于或小于输入电压的直流稳压电源中，还可用于各种开关稳压器中。【教师】展示“升降压斩波电路及其工作波形”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答升降压斩波电路的电路结构与升压斩波电路相比，发生了哪些变化？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答2）电路的工作原理在电路中电感和电容都很大的情况下，iL与UO基本为恒定值。当Q开通时，VD关断，Ui为L提供能量，iL=i,UL=Ui；C维持Uo恒定并为R供电，C与R的极性均为上负下正，与U.的极性相反。当Q关断时，VD开通，L释放其储存的能量为R供电，iL=i2,Ul=-Uo；C充电储能，R上的电压极性为上负下正，与Ui.的极性相反,因此该电路也称反极性斩波电路。通过改变D可以改变U。当0<D<0.5时，Uo<Ui,电路处于降压模式;当0.5<D<1时，U0>Ui,电路处于升压模式。这就是升降压斩波电路的主要特点。【教师】讲述“点拨”的相关内容用Ii表示Ii的平均值，用L表示12的平均值，当电流脉动足够小时，有?=等.经过化简后可得,2Off/2="，则UJI=UoI2。此时升降压斩波电路的输入功率等于输出功率,可将其看作直流变压器。tOnI-D【学生】聆听、思考、理解、记忆4.库克斩波电路【教师】展示“库克斩波电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答库克斩波电路的电路结构与升降压斩波电路相比，发生了哪些变化？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知库克斩波电路的结构与升降压斩波电路的结构相似，但库克斩波电路在电路的输入端与输出端都串联了电感，可看作降压斩波电路与升压斩波电路的串联。这种结构可减小输入、输出电流的脉动，以改善电路产生的电磁干扰问题。2)电路的工作原理当Q开通时，VD因反向电压UCi而关断，U为Ll提供能量；G通过Q向Cz和R供电，u。的极性与Ui的极性相反；L2储存能量,Uci逐渐减小.当Q关断时，L1释放能量，Ui和L.一起为Cl充电，Uci逐渐增大，VD开通；L2释放能量，通过VD向R供电，Uo的极性与L2的极性相反。【教师】提出问题，随机邀请学生回答试根据工作原理绘制库克斩波电路的工作波形.【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结学生回答，讲述"点拨”的相关内容由于库克斩波电路中只有一个开关器件，因此当开关器件关断时，电路有电流连续和电流断续两种工作模式。但不同于降压、升压或升降压斩波电路，这里的连续或断续不再指电感电流的连续或断续，而是指通过二极管的电流连续或断续。在开关器件关断期间，若通过二极管的电流总是大于零,则称这种工作模式为电流连续；若通过二极管的电流出现一段时间为零，则称这种工作模式为电流断续；若通过二极管的电流在一个周期结束时刚好从最大值减小为零，则在下一个周期开始时，负载电流从零逐渐增大，则称这种工作模式为临界电流连续，这时的负载电流被称为临界负载电流。【学生】聆听、思考、理解、记忆由于库克斩波电路中的电容和电感都很大，UCI.UC2的波动较小，L、U的电流脉动蟋小，因此可忽略这些脉动。当VD开通时C1的电压为UG=早Ui=DUt当VD关断时,Ci的电压为UCI=攀=(1-0)儿则可得电路输出电压为DU°l-DUi库克斩波电路虽然与升降压斩波电路的功能一样，但是其输入、输出电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出电流进行滤波。但库克斩波电路对电路中开关器件的耐压等级和额定电流要求较高。【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试直流斩波电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进行任务分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表4-2(详见教材)【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试直流斩波电路”实训任务【教师】展示“直流斩波测试电路”图片，指导学生选取相应的器材，按照图片连接电路【学生】选取相应的器材，对照图片连接电路(I)选取相应的器材分别连接这两个测试电路，并确认连接无误。(2)检查电路，确认连接无误后，将PWM发生器产生的触发信号接入Q的G端，并将PWM发生器的接地端与Q的E端相连.(3)改变PWM信号占空比D的大小，用万用表测量Ui和Uo,将结果分别记录在表4-3和表4-4中(详见教材).同时用示波器观察并记录u4,和L的波形。(4)测试结束后，断开电源，并将器材整理归位。【教师】讲述“注意”的相关内容，强调注意事项接线时一定要注意二极管与IGBT的正负极性，在使用示波器测量波形时应注意探头的正负极性。【学生】聆听、思考、理解、记忆【学生】分组、分工协作完成实训任务，各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表（详见教材）【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进行评价，填写考核评价表（详见教材）课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、DC/DC变换电路概述1 .DC/DC变换器2 .直流斩波电路的工作原理二、基本直流斩波电路1 .降压斩波电路2 .升压斩波电路3 .升降压斩波电路4 .库克斩波电路【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1 .完成课后综合测试的相关内容。2 .登录APP或其他学习平台查看相关知识雌。【学生】完成课后任务教学反思