第4章_斩控调压电路

第五章斩控调压电路二.斩波器的工作原理一.概述三.直流斩波器的主要类型及电量分析四.复合斩波电路和多重多相斩波电路直流斩波电路(DCChopper)用于将不可控直流电源变换成适合于负载要求的可控直流电源。也称为直流电压变换器(DC/DCConverter)一般指直接将直流电直接变为另一直流电，不包括直流—交流—直流(输入输出用脉冲变压器隔离)一.概述二.斩波器的工作原理tOTuotontoffURuoS+_UoffonoffOonOttTtuStUuST，阻断时间为阻断：，导通时间为导通：，每一周期内：设斩波周期为010DTtDon定义：占空比二.斩波器的工作原理10DTtDon定义：占空比ononOonoffttuUUDUttT通过调节占空比，可以实现对输出电压的控制。将固定直流变成脉冲输出,调节脉冲宽度即可调节输出平均电压.tOTuotontoffURuoS+_U斩波器的工作原理斩波电路的电能转换与传递由电力电子开关控制，控制的主要方式为：定频调宽定宽调频调频调宽变化常数，ontT变化常数，Tton均变化Tton,tOTtontoffonOtuUDUTU脉冲宽度调制PWM(1)开关元件具有理想的开关特性，储能元件足够大。(2)斩波器为无损电能变换器。(3)负载为RC并联模型，时间常数即稳态时端电压不变(4)采用定频调宽方式实现占空比调节三.直流斩波器的主要类型及电量分析1.主要类型按电能变换功能分为：降压型升压型极性反转型2.电量分析为了简化分析，假设：RCT＝》升降压型1.降压型直流斩波器(BuckChopper)tOTudSLVDCiLudU+_eLRLIdUdU2TDTUdtOT2TDTeLiLeLiLa.主电路(1)为了降低输出纹波，加入电感L和电容C滤波。VD为续流二极管。(2)电路工作中通过电感的电流iL是否连续取决于S的开关频率和L,C的数值.(3)假设开关频率和L、C的数值都很大，电路稳态工作时iL连续，Ud值为定值1.降压型直流斩波器(BuckChopper)b.工作过程分析线性增加为恒量，闭合时，LddLdLdoniUUUUeUdtdiLUUuttS,0线性减小为恒量，断开时，LddLdLdoniUUeUdtdiLuTttS00tOTudSLVDCiLudU+_eLRLIdUdU2TDTUdtOT2TDTeLiLeLiL降压型直流斩波器(Buck电路)c.数量关系00dUtDTuDTtT输出电压瞬时值：ondVVtUUDUKUTKD输出电压平均值：式中，，称为降压型斩波器的电压变换系数LddRUI负载电流平均值：tOTudSLVDCiLudU+_eLRLIdUdU2TDTUdtOT2TDTeLiLeLiL降压型直流斩波器(Buck电路)c.数量关系ddPUI斩波器的传递功率：对于降压型斩波器而言，电源电流为脉动断续电流，供电方式为脉冲供电方式，但负载电流可以是连续且平稳的。tOTudSLVDCiLudU+_eLRLIdUdU2TDTUdtOT2TDTeLiLeLiL降压型直流斩波器在直流电动机拖动系统中的应用2.升压型直流斩波器(BoostChopper)EVRLVDCioi1iGuoa主电路保持输出电压储存电能为了实现升压变换和能量传递，在脉冲升幅斩波电路和负载之间接一逆止二极管VD。假设L和C值很大。V导通时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于关断时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。2.升压型直流斩波器(BoostChopper)b工作原理EVRLVDCioi1uGEuoeL0uGE0ioI1LEe0LEeU升压型直流斩波器(BoostChopper)升压型直流斩波器(BoostChopper)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：1onEItV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：1UEItooffc数量关系EVRLVDCioi1uGEuoeL升压型直流斩波器(BoostChopper)稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：11nttTTUEEEEttTtDonoffooffoffo化简得：数量关系1onEIt1UEItooff=EVRLVDCioi1uGEuoeL取值范围。不可能过大，有一定的电器元件参数的限制，可以任意大，但受实际理论上电压变换系数，称为升压型斩波器的式中，输出电压平均值：VVVVOKKDKEKEDU1111RUIOO负载电流平均值：升压型直流斩波器(BoostChopper)数量关系EVRLVDCioi1iGuo升压型直流斩波器(BoostChopper)数量关系OOIUP斩波器的传递功率：升压型斩波器电源电流为脉动电流，以上讨论中假定电流是连续的。由于逆止二极管VD的作用，电流断续时仍能实现电能变换功能。对于RC并联负载，负载电流也是脉动直流，是断续受电状态，电流中的交流成分通过电容C，直流成分通过电阻R。EVRLVDCioi1uGEuoeL结论以上分析中，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。1REIUIoo如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载消耗，即：该式表明：与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流升压变压器。升压型直流斩波器(BoostChopper)EVRLVDCioi1uGEuoeL升压型直流斩波器在直流电动机拖动系统中的应用3.极性反转型斩波器(Buck-Boost电路)a主电路VDRLCVi1i2uLuoILE又称为升降压型斩波器极性反转型斩波器(Buck-Boost电路)b基本工作原理VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILV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。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。uL=EuL=-uo极性反转型斩波器(Buck-Boost电路)极性反转型斩波器(Buck-Boost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Ttu0L0d所以输出电压为：offoontUtEEDDEtTtEttU1ononoffono数量关系V处于通态期间uL=EV处于断态期间uL=-uo极性反转型斩波器(Buck-Boost电路)结论改变占空比D,输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0D1/2时为降压，当1/2D1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。1DUEDoVDRLCVi1i2uLuoILE极性反转型斩波器(Buck-Boost电路)图中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有offon21ttII由上两式可得：结论2o1IUEI其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。offoontUtEVDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILSLVDCiLudU+_eLRLIdUdVDRLCVi1i2uLuoILEEVRLVDCioi1uGEuoeL降压斩波器升压斩波器升降压斩波器4.丘克电路(Cuk电路)Cuk斩波电路电容为电场储能元件，也可以构成直流斩波器，实现能量的储存与传递，实现直流电能的斩波变换。这种电路称为丘克电路，可以获得稳定的输出电流。CVL1L2uoEERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuoi1i2uC4.丘克电路(Cuk电路)图Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反。等效电路如图(b)所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。丘克电路(Cuk电路)稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即:在图(b)的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。CASi1L1L2i2uCuAuBuoEB丘克电路(Cuk电路)稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即:CASi1L1L2i2uCuAuBuoE21ItItonoff211tTtIDIttDoffononon从而可得:丘克电路(Cuk电路)同理可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：1ttDUEEEtTtDononooffon上述输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。优点: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。直流斩波器分析几点注意L和C的值都很大，保证C两端的电压基本不变，过L的电流基本不变。关系推导分析时将其过L电流和C两端电压两者都视为常定值，实际工作时有小的脉动电路工作时分析的是稳态，L与C中已经储存了一定量的能量。在一个周期内两者从电源吸收的能量等于释放的能量。分析时所有的元件都是无损耗元件，电源提供的能量都被负载消耗SLVDCiLudU+_eLRLIdUdVDRLCVi1i2uLuoILEEVRLVDCioi1uGEuoeL降压斩波器升压斩波器升降压斩波器ondtuUDUT11OUED1DUEDoVDRLCVi1i2uLuoILE升降压斩波器Cuk斩波电路CVL1L2uoE1DUEDoVDRLCVi1i2uLuoILE升降压斩波器PWM控制，uc载波，uk调制波ukuc时V导通uOtukucT2Tukuc四.复合斩波电路和多重多相斩波电路1电流可逆斩波电路2桥式可逆斩波电路3多相多重斩波电路复合斩波电路——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。1、电流可逆斩波电路正向电动反向电动正向回馈转速反向正向能耗反向能耗电枢反接反向回馈Ia/TnMeECn降压斩波电路升压斩波电路复合斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2电路结构a)电路图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同时导通而导致的电源短路。电流可逆斩波电路及波形1、电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)电路图工作过程（三种工作方式)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。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。电流可逆斩波电路及波形1、电流可逆斩波电路桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。桥式可逆斩波电路使V4保持通时，等效为图所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，