第十三讲 直流斩波电路.

电力电子技术PowerElectronicTechnology直流斩波电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组直流斩波电路分析直流斩波电路（DCChopper）•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/DCConverter）•一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流•习惯上，DC—DC变换器包括以上两种情况，且甚至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斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路•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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组直流斩波电路分析•下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。SVDdI+-E0ULR0Ttont0UE0u在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的切换只能通过强迫换流措施来实现。由于强迫换流电路需要较大的换流电容、辅助晶闸管等，造成了线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断能力的器件作为开关器件。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组降压斩波电路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所示图3-1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c）电流断续时的波形工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，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值较大合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组降压斩波电路数量关系•电流连续时，负载电压平均值ton——V通的时间toff——V断的时间α——导通占空比Uo最大为E，减小占空比α，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。负载电流平均值•电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现EETtEtttUonoffonono（3-1）REUIMoo（3-2）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组降压斩波电路斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）•T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）•ton不变，变T—频率调制（PFM）•ton和T都可调，改变占空比—混合型此种方式应用最多合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组PWM控制器SG352550uA欠压锁定锁存器误差放大器5.1V基准CTRTOAOBGNDVCONSG3525触发器振荡器)37.0(1DTTRRCf合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组降压斩波电路(BUCK)从能量传递关系出发进行的推导•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，即则onotEITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oono（3-12）REEIMo（3-13）在上述情况中，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。ooon1IITtI（3-14）ooo1IUEIEI（3-15）EV+-MRLVDioEMuoiG合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路1.升压斩波电路的基本原理•假设L和C值很大。•V处于通态时，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处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。图3-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形EVRLVDa)Cioi1uob)uGEioI1OOtt合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为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：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffono（3-21）（3-20）offoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和的关系：因此，式（3-21）可表示为off/tT1bEEUb111oTtoffb（3-23）（3-22）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路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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变压器。根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为由式（3-24）即可得出电源电流I1为：ooIUEI1（3-24）RERUIb1oo（3-25)REIEUI2oo11b（3-26）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路(BOOST)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:2-Mar-2004SheetofFile:F:\hhh\767\767.DdbDrawnBy:CE1OUT2NC3LX5GND4NCP1402SN50T110u68u1N581747uHB++50.1uB-NCP1402SN50T1是ONSEMI公司生产的高效率、低功耗升压型DC/DC转换器，其内置PFM（脉冲频率调制）振荡器、PFM控制器、PFM比较器、软起动电路、电压基准及MOEFET开关管，还具有限流电路。其输入电压范围为0.8V～5.5V，输出为固定的5V电压，输出额定电流为200mA。内部MOSFET开关管导通时，管脚LX连接的47uH电感进行储能；内部MOSFET开关管关断时，电感释放能量，在管脚OUT产生高于输入电压的+5V，通过电容滤波，得到稳定输出电压。外接肖特基二极管，使输出电压不会反回至输入端。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组有源功率因数校正电路＋输入电压检测SPWM比较器高频三角波发生器输出电压检测乘法器R1R2R3R4VFLCPWM控制器VrefiLudVD0uSR5uouL误差放大器电流调节器输入电流检测R交流输入电压经桥式整流后，再经过DC／DC变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随整流电压基准值，可获得较高的网侧功率因数，并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈控制环：输入电流环使DC／DC变换器输入电流为全波整流波形，并且与全波整流电压波形相位相同；输出电压环DC／DC变换器使输出端为一个直流稳压源，达到直流电源的稳压效果。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组有源功率因数校正电路ugrucOtOtugOtOtuVFiSua)b)c)d)Uo在控制电路中设置按正弦绝对值规律变化，并且与电路输入电压uS同相位的给定电流iref，并使电感电流iL围绕iref升降，则iL近似地按正弦绝对值脉动，图c为VF的漏源极电压uVF的波形，当uVF=Uo时，VF处于关断状态，电感L释放能量，iL下降；当uVF=0时，VF处于导通状态，电感L储存能量，iL上升。而由于iL=|iS|，可知输入电流iL近似于正弦波，且与uS同相位，如图d所示，则网侧功率因数接近于1。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升降压斩波电路设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。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VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升降压斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d（3-39）所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE（3-40）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升降压斩波电路图3-4b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（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43）结论当0α1/2时为降压，当1/2α1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI（3-44）EU1ootb)oti1i2tontoffILIL合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组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3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路Cuk斩波电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组Cuk斩波电路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3-5b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。由此可得从而可得Tti0C0d（3-45）off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-47）ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组Cuk斩波电路当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uC；相反，当S合到A点时，uB=uC，uA=0。因此，B点电压uB的平均值为（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以。另一方面，A点的电压平均值为，且L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有。CBUTtUoffCBUTtUEoffCAUTtUonCUTtUonoERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组Cuk斩波电路ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuoEEtTtEttU1ononoffono（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。CBUTtUEoffCUTtUono合肥工业大学电气工