电力电子资料第五章
75页1、第五章 直流斩波电路,1、定义: 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小,将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。 2、分类: 按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。 按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。 3、隔离方式: 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离,而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。,第一节 直流斩波的工作原理,工作原理:图中T是可控开关,R为纯阻性 负载。当开关T接通时,电流经负载电阻R流 过,R两端就有电压;开关T断开时,R中电流 为零,电压也变为零。 电路中开关的占空比 TS为开关T的工作周期,ton为导通时间。 由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗,则输入功率为 输出电压平均值的改变:因为D是01之间变化的系数,因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud,改变D值就可以改变其大小
2、。 占空比的改变:通过改变ton 或TS来实现。,直流变换电路的常用工作方式主要有两种: 脉冲频率调制(PFM)工作方式: 即维持ton不变,改变TS。在这种调压方式中,由于输出电压波形的周期是变化的,因此输出谐波的频率也是变化的,这使得滤波器的设计比较困难,输出谐波干扰严重,一般很少采用。 脉宽调制(PWM)工作方式: 即维持TS不变,ton改变。在这种调压方式中,输出电压波形的周期是不变的,因此输出谐波的频率也不变,这使得滤波器的设计容易。,第二节 直流斩波器基本电路,一、降压(Buck)变换电路,续流二极管,全控型电力器件,输入直流电压,滤波电感,滤波电容,负载,导通期间(ton):电力开关器件导通,电感蓄能,二极管D反偏。等效电路如图 (b)所示 ; 关断期间(toff):电力开关器件断开,电感释能,二极管D导通续流。等效电路如 (c)所示; 由波形图(b)可以计算出输出电压的平均值为:,忽略器件功率损耗,即 输入输出电流关系为:,电感中的电流iL是否连续,取决于开关频率、滤波电感L和 电容C的数值。,Buck变换器的可能运行情况:,电感电流连续模式,电感电流临界 连续状态,电
3、感电流断流模式,二、升压(Boost)变换电路,1) 定义:直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路,又叫Boost电路。,全控型电力器件开关,储能,保持输出电压,2)原理图,3)工作原理: ton工作期间:二极管反偏 截止,电感L储能,电容C 给负载R提供能量。 toff工作期间:二极管 导通,电感L经二极管给 电容充电,并向负载R提 供能量。 可得: 式中占空比D=ton/TS,当D=0时,U0=Ud,但D不能为1,因此在 0D1的变化范围内 UoUin, T导通时为电感L储能阶段,此时电源不向负载提供能量,负载靠储于电容C的能量维待工作。 T阻断时,电源和电感共同向负载供电,同时给电容 C充电。,总结:电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:,三、升降压(Buck-Boost)变换电路,1) 概述: 升降压变换电路(又称Buck-boost电路)的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压,输出电压与输入电压极性相反,其电路原理图如图所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相,其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。,2)工作原理: ton期间,二极管D反
4、偏而关断,电感储能,滤波电容C向负载提供能量。, toff期间,当感应电动势大小超过输出电压U0时,二极管D导通,电感经D向C和R反向放电,使输出电压的极性与输入电压相反。,在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量, 得:,由 的关系,求出输出电压的 平均值为:,上式中,D为占空比,负号表示输出与输入电压反相;当D=0.5时,U0=Ud;当0.5Ud,为升压变换;当0D0.5时,U0Ud,为降压变换。,四、库克(Cuk)变换电路,1)库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。 2)电路的特点:输出电压极性与输入电压相反,出入端电流纹波小,输出直流电压平稳,降低了对外部滤波器的要求。,L1、L2储能电感,耦合电容,快速恢复续流二极管,滤波电容,晶闸管关断,晶闸管开通,1) Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况,但这里不是指电感电流的断流,而是指流过二极管D的电流连续或断流。 2)工作情况 电流连续:在开关管T的关断时间内,二极管电 流总是大于零。 电流断流:在开关管T的关断时间内,二极管电 流在一段时间内为零。 临界连续:二极管电流经toff后,在下个开关周期TS
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