第5章斩波电路2012教材课程.ppt

1,5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 5.4 不可逆直流PWM系统（补充） 5.5 可逆直流PWM系统（补充）,第5章 直流-直流斩波电路,2,,直流直流变换器作用：固定直流可控直流 变换器中的功率器件工作于开关状态 应用：直流开关电源，直流电机驱动直流直流变换器的系统组成,,,第5章 直流-直流斩波电路,3,间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路第5章 直流-直流斩波电路,直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路直接直流变流电路 也称斩波电路（DC Chopper） 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电输入与输出之间不隔离隔离，能量变换？,4,第5章 直流-直流斩波电路,直流直流变换器的主要种类： 基本结构： 降压变换器（Buck converter) 升压变换器（Boost converter) 复合结构：升降压变换器（BuckBoost converter) 全桥变换器（full bridge converter),6,直流直流变换器的三种控制方式（改变占空比的方式） 脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation） 周期不变，通过导通时间的改变，控制输出电压。

脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation） 导通时间不变，改变导通的周期来改变输出电压 混合型调制：ton和Ts都可调，以改变占空比PWM（脉冲宽度调制）是直流直流变换器中最常用的控制方法5.1.1 降压斩波电路,7,脉冲宽度调制电路,5.1.1 降压斩波电路,8,,平均输出电压,1.基本的降压变换电路,假定：恒定的输入电压、理想的开关、纯电阻负载,5.1.1 降压斩波电路,9,基本电路的缺陷 实际的负载应为感性即使是阻性负载，负载回路中仍会存在分布电感开关断开时，必须有吸收电感储能的回路，否则开关会因过压而损坏 输出电压波动太大（0或Vd）,,解决方法 增加二极管，形成续流回路，吸收电感储能 负载侧接入低通滤波器（由电感和电容构成），减小输出电压的波动5.1.1 降压斩波电路,10,,低通滤波器,续流 二极管,滤波器输入电压,2.实用的降压变换电路,变换器输出电压,11,,低通滤波器的作用,滤波器输入电压包含直流分量Vo和谐波分量,谐波分量的频率为开关频率的整数倍,滤波器的转折频率fc远小于开关频率fs，可滤除输出电压中的谐波,12,续流二极管的作用,,续流 二极管,开关闭合时，二极管反向截止，Vd通过电感向负载提供电流。

开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负载释放电感中的储能采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？,13,,稳态的含义：电压、电流为重复的周期波电感电流,稳态时电感电流,稳态时电感电压在一个周期内的平均值为零面积A面积B,,,3. 稳态电路中电感上电压、电流的特点,L伏秒平衡原则,14,,电容电压,稳态时电容电压,稳态时电容电流在一个周期内的平均值为零面积A面积B,,,4. 稳态电路中电容上电压、电流的特点,C安秒平衡原则,15,,电感中的平均电流等于平均输出电流Io因为稳态时电容上的平均电流是零）,假设滤波电容非常大，则近似认为输出电压恒定电感电流连续和断续时电路的工作特性不同5. 稳态时降压变换电路的特点,16,6. 连续导通的工作模式,连续导通模式：电感电流连续，即iL(t)0 开关闭合时,二极管反向截止,,,,,,开关断开时，iL通过二极管续流,,,,,,17,求取连续导通模式下输出电压平均值,方法1：利用电感上的伏秒平衡原则,18,方法2：从滤波器输入电压平均值入手,19,输出电功率,忽略电路元件上的损耗，可得输入功率Pd等于输出功率Po,连续导通模式下的降压变换器可等效为直流降压变压器，变压比可通过占空比D在01之间连续调节。

尽管电流Id也符合变压器的关系，但电流波形在一个周期中是跳变的，含有大量谐波20,,iL断续仅依靠电容向负载供电vL=0,断续导通时的情况(负载较轻时，IL减小，将不连续）,7 断续导通工作模式,临界点电流电感计算？,21,8 输出电压的脉动率（连续导通模式）,实际上，电容值有限，输出电压存在脉动前面的分析中，滤波电容足够大，使得,,求解电压脉动时，假设IL中的脉动分量流向电容，而平均值分量流向电阻思想,22,,求解,电压脉动,电压脉动率,,,23,合理选择转折频率可有效减小电压脉动率,连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关 在开关型直流电源中，输出电压的脉动率一般小于1，所以前面采取的假设 是合理的24,9 电机负载斩波电路,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,电路分析 负载中出现反电动势---Em，R0 工作原理 t=0，V导通---供电---负载电压uo=E---io---指数曲线上升 t=t1，V关断----VD续流---uo=0---io指数曲线下降；通常电感L较大使负载电流连续且脉动小25,降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图c）电流断续时的波形,26,负载电压的平均值,负载电流平均值为,电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton 频率调制：ton不变，改变T 混合型：ton和T都可调，改变占空比,9 电机负载斩波电路,基本的数量关系,电流连续时,,,27,基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续 电流连续时得出,式中， ， ， ， ，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得,平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值5-9),(5-10),(5-11),9 电机负载斩波电路,对电路进行解析,28,(5-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，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,则,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9 电机负载斩波电路,29,电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出,电流断续时，tx

输出电流平均值为,解：L值极大---负载电流连续，于是输出电压平均值为,9 电机负载斩波电路,31,例5-2 在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续 解：由题目已知条件可得：,当ton=5s时，有,由于,所以输出电流连续9 电机负载斩波电路,32,升压变换电路的设计思路:泵升原理,5. 1.2 升压（BOOST）变换器,1 电路结构和基本原理,1）需串联电势才能升压,2）利用电感储能,3）电感储能释放储能,4）二极管隔离输出电压,33,升压变换器的电路结构,保持输出电压,储存电能,规定电能传递的方向,稳态分析时，假设滤波电容非常大,升压变换器特点：输出电压高于输入电压,34,2 连续导通的工作模式,连续导通模式：电感电流连续，即iL(t)0,,,,,,,,,,,,开关闭合时：二极管反偏截止，输出被隔离；输入电源向电感中储能,开关断开时：输入电源及电感共同向输出侧提供电能35,变压比,利用电感上的伏秒平衡原则,电流比,连续导通模式下的升压变换器可等效为直流升压变压器，变压比可通过占空比D在大于1的范围内连续调节。

36,a),b),图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形,当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即,37,3 断续导通工作模式,电感电流临界连续的情况 电感电流iL在关断阶段（toff）结束时恰好为零电感电流临界连续,电感电流断续,38,每个开关周期，电感储能都要传递给输出端 如果负载较轻，不能消耗该能量，将导致电容电压上升 Vo过高导致负载侧出现过压或击穿电容所以升压变换器不能空载工作升压变换器工作在断续导通模式时的特殊要求,39,4 寄生元件的影响,电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际的变压比有所下降应用时，一般要限制占空比D，使寄生效应不明显40,5 输出电压的脉动率,实际上，电容值有限，输出电压存在脉动连续导通模式下，输出电压脉动率,,41,例5-4 在图5-2a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：,42,例55在下图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40s，ton=25s时，回答下列问题： 1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。

2）画出如下波形：器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流iVD和电压uVD 3）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV,,43,,解： 1）,,,,2）,,,,,,,,,,,,,,,3）,44,a),b),图5-3 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,一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路，三是用于其他交直流电源中 以用于直流电动机传动为例 在直流电动机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 基于分时段线性电路思想，电流连续时得L为无穷大时电枢电流的平均值Io为,典型应用,45,当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间tx，即,当tx

V关断时，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47,基本的数量关系 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,On---uL=E； Off---uL=-uo,48,当0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压-----升降压斩波电路电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有,输出功率和输入功率相等,49,图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,V导通时，EL1V 回路和 RL2CV 回路分别流过电流 V关断时，EL1CVD 回路和 RL2VD 回。