第3章直流斩波电路新.ppt
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1、3-1,第3章 DC/DC变换电路引言,DC/DC变换电路(DC/DC Converter)将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。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。,两类:按输入与输出间是否有电气隔离非隔离DC/DC变换电路(不带隔离变压器),也称直流斩波电路。隔离DC/DC变换电路(带隔离变压器),3-2,3.1 直流斩波电路,6种基本斩波电路:降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。,3-3,3.1.1 斩波电路的基本控制方式,DC-DC变换是采用一个或多个
2、开关(功率开关器件)将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时,则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小。如果开关S导通时间为 ton,关断时间为toff,则在输入电压 E 恒定条件下,控制开关的通、断时间ton、toff的相对长短,便可控制输出平均电压U0的大小,实现了无损耗直流调压。从工作波形来看,相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程,故称斩波器。,3-4,一、时间比控制,通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小。即(3-1)式中T=ton+toff=1/f 为斩波周期;f 为斩波频率;为导通比。可以看出,改变导通比 即可改变输出电压平均值U0,而
3、 的变化又是通过对T、ton 控制实现的。时间比控制又有以下几种实现方式:,3-5,(1)脉宽控制,斩波频率固定(即T不变),改变导通时间ton实现 变化、控制输出电压U0 大小,常称定频调宽,或脉宽调制(直流PWM)。,图3-2 脉宽控制方式(a)原理电路;(b)控制波形,3-6,图(a)为一电压比较器,UT为频率固定的锯齿波或三角波电压,Uc为直流电平控制信号,其大小代表期望的斩波器输出电压平均值U0。当Uc UT,比较器输出UPWM=“1”(高);当Uc UT,UPWM=“0”(低),从而获得斩波器功率开关控制信号UPWM。改变Uc大小,改变斩波器开关导通时间,在UT 固定条件下,斩波器
4、开关频率固定,实现了定频调宽。,3-7,由于斩波器开关频率固定,这种控制方式下为消除开关频率谐波的滤波器设计提供了方便。(2)频率控制 固定斩波器导通时间ton,改变斩波周期 T 来改变导通比 的控制方式。这种方式的实现电路比较简单,但由于斩波频率变化,消除开关谐波的滤波电路较难设计。(3)混合控制 这是一种既改变斩波频率(即周期T)、又改变导通时间ton 的控制方式,其优点是可较大幅地改变输出电压平均值,但也由于斩波频率变化,滤波困难。,3-8,二、瞬时值控制,在恒值(恒压或恒流)控制或波形控制中,常采用瞬时值控制的斩波方式。此时将期望值或波形作为参考值,规定一个控制误差,当斩波器实际输出瞬
5、时值达指令值上限 时,关断斩波器;当斩波器实际输出瞬时值达指令值下限 时,导通斩波器,从而获得围绕参考值 在误差带2 范围内的斩波输出。下图为实现恒流瞬时值控制原理性框图及斩波器输出波形。,3-9,3.1.2 降压斩波电路,电路结构,主要应用于开关稳压电源,直流电机速度控制,以及需要直流降压变换的场合。,降压斩波电路(Buck Chopper),全控型器件 若为晶闸管,须有辅助关断电路。,续流二极管,L-C形式的低通滤波电路,负载电阻,3-10,电感电流iL可能连续或断续,影响变换器的输出特性。分别讨论 1、电流连续时,3-11,输入、输出电压关系为:(3-2)因,故为 降压变换关系。输入、输
6、出电流关系为(3-3)因此电流连续时Buck变换器完全相当于一个“直流”变压器。,3-12,2、电流断续时 电流连续与否的临界状态是VT关断结束时(或导通开始时)电感电流iL=0。,3-13,Buck变换器电流断续运行状态时的波形如图所示。,图3-7 电流断续时波形,3-14,例3-1 在3.1.2所示的降压斩波电路中,已知E=200V,R=10,L值极大,T=50s,ton=20s,计算输出电压平均值Uo,输出电流平均值Io。解:由于L值极大,故负载电流连续,于是输出电压平均值为 输出电流平均值为,3-15,3.1.3 升压斩波电路,升压斩波电路(Boost Chopper),保持输出电压,
7、储存电能,电路结构,一)升压斩波电路的基本原理,3-16,1、电流连续时,电感电流连续iL 0时,有关波形及VT导通、关断两工作模式下的等效电路。,3-17,Boost变换器的输入、输出电压关系为 因为,故为升压变换关系。变换器的输入、输出电流关系为 因此电流连续时Boost变换器相当一个升压的“直流”变压器。,3-18,2、电流断续时,随着负载的减小,电感电流iL 将减小。当VT关断结束时(或导通开始时)iL=0,则进入电流连续与否的临界状态,其电感电压uL、电感电流iL波形如下。,3-19,例3-2 在3.1.3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
8、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:,3-20,3、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,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a)电路图 b)电流连续时 c)电流断续时,用于直流电动机传动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。动
9、画演示。,3-21,3.1.3 升压斩波电路,数量关系,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。,3-22,3.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1)升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,3-23,3-24,输入、输出关系Buck-Boost变换器的输入、输出电压关系为 此式说明,当导通比 0.5,|U0|0.5,|U0|E|,升压,且输出电压与输入电压反极性。同样在忽略变换损耗条件下,根据输入、输出功率相等关系,可导出变换器的输入、输出电流平均值间关系,3-25,3.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2)Cuk斩波电路,V通时,E
10、L1V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。,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a)电路图 b)等效电路,3-26,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,同理:,数量关系,(3-45),(3-46),(3-48),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。,3-27,b)Zeta斩波电路,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,a)Sepic斩波电路,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,
11、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:,(3-49),3-28,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Zeta斩波电路原理,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C1上之后,VD关断,C1经L2向负载供电。输入输出关系:,图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路,(3-50),相同的输入
12、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。,b)Zeta斩波电路,3-29,3-30,3-31,3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路,3-32,3.2.1 电流可逆斩波电路,概念 复合斩波电路:降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。多相多重斩波电路:相同结构的基本斩波电路组合构成 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
13、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。,3-33,3.2.1 电流可逆斩波电路,a),图3-7 电流可逆斩波电路及其波形a)电路图 b)波形,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同时导通而导致电源短路。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。第3种工作方式下,当一种斩波电
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