PE-3直流斩波电路.ppt
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1、第3章 直流斩波电路,电力电子技术电子教案,Power Electronics Technology,(DC Chopper),目 录,3.1基本斩波电路 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 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,第三章 直流斩波电路,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流-直流变换器(DC/DC Converter) 一般是指直接将直流电变为另一直流电,不包括直
2、流交流直流 习惯上,DCDC变换器包括以上两种情况,且更多地指后一种情况,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,Zeta斩波电路,复合斩波电路 不同基本斩波电路组合,多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合,两种是最基本的电路,3.1 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,升压斩波电路,3.1.1 降压斩波电路,斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中EM所示,b)电流连续时的波形 c)电流断续时的波形,t=0时刻驱动V导通,电源E向负
3、载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升 t=t1时刻控制V关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大,工作原理,数量关系,b)电流连续时的波形 c)电流断续时的波形,电流连续时,负载电压平均值,tonV通的时间 toff V断的时间 a-导通占空比,Uo最大为E ,减小占空比a,Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。,负载电流平均值,基于“分段线性”的思想,对降压斩波电路进行解析 V通态期间,设负载电流为i1,可列出如下方程:,斩波电路三种控制方式,T不变,变ton 脉冲宽度调制(PWM),ton
4、不变,变T 频率调制,ton和T都可调,改变占空比混合型,设此阶段电流初值为I10,=L/R,解左式:,V断态期间,设负载电流为i2,可列出如下方程:,设此阶段电流初值为I20,解上式得:,当电流连续时,有:,把上式用泰勒级数近似,可得,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。,由以上公式得到:,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,负载一直在消耗能量,消耗的能量为 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,即,从能量传递关系出发进行的推导,在上述情况中
5、,均假设L值为无穷大,负载电流平直的情况。这种情况下,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,即输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器。,负载电流断续的情况,I10=0,且t=tx时,i2=0,电流断续时,txtoff,得出电流断续的条件为:,在负载电流断续工作情况下,负载电流一降到零,续流二极管VD即关断,负载两端电压等于EM。输出电压平均值为:,Uo不仅和占空比a 有关,也和反电动势EM有关,此时负载电流平均值为,3.1.2 升压斩波电路,1. 工作原理,假设L值很大,C值也很大 V通时,E向L充电,充电电流恒为I1,同时C的电压向负载供电,因C
6、值很大,输出电压uo为恒值,记为Uo。设V通的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为 EI1Ton 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,稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等, 输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路,化简得:,升压比,调节其大小即可改变Uo大小,调节方法与改变导通比a的方法类似。将升压比的倒数记作b ,即,b 和导通占空比a有如下关系:,因此,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住,以上分析中,认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不
7、变,但实际C值不可能无穷大,在此阶段其向负载放电,Uo必然会有所下降,故实际输出电压会略低,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,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,输出电流的平均值Io为,即可得出电源电流I1为:,2. 升压斩波电路的典型应用,通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源,实际电感L值不可能为无穷大,因此也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态,由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器。,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,电路分析,V处于通态时, 设电动机电枢电流为
8、i1, 得下式,式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。,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,当电流连续时,t=ton时刻i1=I20, t=toff时刻i2=I10,由此可得:,由以上两式求得,与降压斩波电路一样,把上面两式用泰勒级数线性近似,得,该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io,即,该式表明: 以电动机一侧为基准看, 可将直流电源看作是被降低到了,当电枢电流断续时,当t=0时刻i1=I10=0,即可求出I20,进而可写出i2的表达式。另外,当t=t2时,i2=0,可求得i2持续的时间tx,即,当tx
9、t0ff时, 电路为电流断续工作状态, txt0ff是电流断续的条件, 即,根据此式可对电路的工作状态作出判断。,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,设L值很大,C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。 基本工作原理 V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。,1. 升降压斩波电路,V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,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,当V处于通态期间,uL = E;而当V处于断态期间,uL = -
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