电力电子技术_洪乃刚_第4章直流_直流变换直流斩波器

第4章直流/直流变换－直流斩波器•4.1直流降压斩波电路•4.2直流升压斩波电路•4.3直流升降压斩波电路•4.4桥式直流斩波调压电路•4.5斩波电路的驱动控制•4.6直流斩波电路的仿真4.1直流降压斩波电路直流降压斩波电路（BuckChopping）图4.1a,一电阻和电感负载二反电动势负载一电阻和电感负载:图4.1bt=0时IGBT导通导通时ud＝E。t=toff时IGBT关断关断时电感L经二极管D续流ud＝0，ud波形如图4.1d,输出平均电压：)1.4(EETTETTTUonoffonond式中：T为开关周期；为占空比，或称导通比。改变占空比α，可以调节直流输出平均电压的大小。因为α≦1，Ud≦E，故该电路是降压斩波。在IGBT导通区间有电流id经E+→IGBT→L→R→E-,而二极管D截止，可列电路电压方程为：)3.4()e1(REeIii2.4,LRIi)2.4(RidtdiLEtt01Td01ddd可得解方程，初始值为设该区间id从0或I01上升，电感储能。当t=toff时id达到I20，同时IGBT关断。在IGBT关断期间，电感L经电流R和二极管D续流，可得这时的回路电压方程为：)5.4()4.4(02020onTtDddddeIiiIiRidtdiL解方程可得，初始值为以id波形如图4.1c，当每个导通周期有I10＝I30，I20＝I40，电路进入稳定状态。在占空比α较大时，较小的电感L就可以使电流连续,且电流电流连续时，电流的脉动很小，可以认为电流id不变。在占空比α较小时，电感储能不足，仍会出现电流断续(图4.1e,f)。如果在负载R上并联电容，则相当于增加了电容滤波。在电容很大时，负载侧电压可视为恒值，但实际电容都是有限制的，负载侧电压仍会有脉动。返回•二反电动势负载反电动势负载以直流伺服电动机为例(图4.2a),在占空比较大，电流连续时的波形与阻感负载图4.1c,d相同，但T导通时的电路方程为：)7.4()1()6.4(01tMtTdMddeREEeIiiERidtdiLE在T关断时：)9.4()1()8.4(02020ononTtMTtDddMddeREeIiiIiERidtdiL解方程可得，初始值为以在电流连续时忽略电流的脉动，则：)10.4(REEIEUMdd：在占空比较小时id会断续（图4.2c)，电流断续后，机械特性上翘特性变软(图4.3)，返回4.2直流升压斩波电路直流升压斩波电路(BoostChopping)图4.4电路有两种工作状态。状态一在开关管T导通时：dtdiLETL导通时：在设开关管IGBT的导通时间为Ton占空比为α，010IitLTTon可得：设)12.4()11.4(010201TLEIItLEIiL状态二在T关断时，二极管D导通：由：设：D导通时间为（t-Ton）,可得：dtdiLUELd02IionTtL在电路稳定后，联解式4.12和式4.14，可得（4.15）当占空比α越接近于1，Ud越高，因为在T关断区间，电容C在电源E和电感反电动势eL的共同作用下充电：)14.4()1()13.4()(020102TLUEIITtLUEIidondL1EUddtdiLEuuLdc图3.5.1是占空比较大，负载也较大，电流iL连续时(图3.5.1g)电路各点电压电流波形。如果占空比较小，负载较轻（R较大），电流iL就出现断续现象（图4.5.2g）,但是负载电流iR仍可以是连续的，因为ud可以是连续的(图4.5.2c)。返回返回4.3直流升降压斩波电路4.3.1Buck-Boost降压－升压斩波电路4.3.2Cuk升降压斩波电路4.3.1Buck-Boost降压－升压斩波电路直流降压－升压斩波电路(Buck-BoostChopper),电路如图4.6a:该电路有两种工作状态:状态一开关T导通（图4.6b）:开关T导通时，如果电感电流是连续的，则电流从T导通时的I01上升（图4.7.1b），如果电流是断续的，电感电流则从0上升（图4.7.2b），终止电流I02同式4.12。状态二开关T关断（图4.6c）开关T关断时，电感电流iL从T关断时的I02下降，电感L释放储能，电容储能。如果在状态一时，电感储能不足，I02不够大，不能延续到下次T导通，电感电流就断续（图4.7.2b）。返回在电路稳定时，如果电容储能足够大，负载电压不变ud=Ud，在T导通时（模式一），uL=E,iL的终止电流I02为；TLEII0102（4.16)在T关断时（模式二），uL=Ud,iL的终止电流I02为;（4.17）将式4.17代入式4.16，可得：（4.18）TLUIId)1(0201EUd1从式4.18可知，当0≤α≤0.5时，UdE,在0.5≤α1时，UdE,因此调节占空比α，电路既可以降压也可以升压．4.3.2Cuk升降压斩波电路上节Buck-Boost型斩波电路中，负载与电容并联，实际电容值总是有限的，电容不断充放电过程的电压波动，引起负载电流的波动，因此Buck-Boost斩波电路输入和输出端的电流脉动量都较大，对电源和负载的电磁干扰也较大,为此提出Cuk电路（图4.8a）Cuk斩波电路只有一个开关器件T，电路有两种工作模式。模式一开关T导通（图4.8b）开关T导通时（Ton=αT）,电源E经L1和开关T短路，iL1线性增加，L1储能，与此同时，电容C1经开关T对C2和负载R放电，并使电感L2电流增加，L2储能。在这阶段中，因为C1释放能量，二极管被反偏而处于截止状态。模式二开关T截止（图4.8c、d）开关T关断时Toff=(1-α)T，根据电感L2电流的情况，又有电流iL2连续和断续两种状态。在T关断时，电感L1电流iL1要经二极管D续流，在这同时L2要经二极管D释放储能，如果L2储能较大，L2的续流将维持到下一次T的导通（图4.8c）。如果L2储能较小，续流在下一次T导通前就结束，电流iL2断续，负载R由电容C2放电维持电流（图4.8d）。在在二极管D导通时，电容C1的平均电压：EETTUonC1在D截止时，ddoffCUUTTU)1(1因此有：dUE)1(EUd1（4.19）式4.19与Buck-Boost电路的式4.18完全相同，路与Buck-Boost电路的降压和升压功能一样，但是Cuk斩波电路的电源电流和负载电流都是连续的，纹波很小，Cuk斩波电路只是对开关管和二极管的耐压和电流要求较高。图4.8Cuk斩波电路返回4.4桥式直流斩波调压电路４.４.１半桥式电流可逆斩波电路４.４.２全桥式可逆斩波电路４.４.１半桥式电流可逆斩波电路半桥式电流可逆斩波电路直流电动机负载的电路如图4.9a。下面就电动机电动和制动两种状态进行分析：一电动状态（图4.9b）二制动状态（图4.9c）半桥式电流可逆斩波电路４.４.２全桥式可逆斩波电路(H型斩波路)电路如图4.10。半桥式电流可逆斩波电路桥式斩波电路有三种驱动控制方式一双极式斩波控制控制方式是：T1、T3和T2、T4成对作PWM控制，并且T1、T3和T2、T4的驱动脉冲工作在互补状态（图4.10）．双极式斩波控制有正转和反转两种工作状态、四种工作模式（图4.11）对应的电压电流波形如图4.12。模式1（图4.11a）模式2（图4.11b）:在模式1和2时，电流的方向是从A→B，电动机正转，设T1、T3导通时间为Ton,关断时间为Toff。在T1导通时A点电压为＋E,T3导通时B点电压为-E,因此AB间电压:EETTETTTTTETTETTUonononoffond)12(（4.20）式中：占空比式中：占空比12TTon＝模式3（图4.11c）模式4（图4.11d）模式3和4是电动机反转情况。如果α从1→－1逐步变化，则电动机电流id从正逐步变到负变化过程中电流始终是连续的，这是双极性斩波电路的特点。即使在α＝0时，Ud＝0，电动机也不是完全静止不动，而是在正反电流作用下微振，电路以四种模式交替工作（图4.12c）。双极式可逆斩波控制，四个开关器件都工作在PWM方式，在开关频率高时，开关损耗较大，并且上下桥臂两个开关的通断，如果有时差，则容易产生瞬间同时都导通的“直通”现象，一旦发生直通现象，电压E将被短路这是很危险的。为了避免直通现象，上下桥臂两个开关导通之间要有一定的时间间隔，即留有一定的“死区”。返回返回返回返回二单极式斩波控制在正转T1关断时，因为T3恒通，电感L要经EM→T3→D4形成回路（图4.13a），电感的能量消耗在电阻R上，ud=uAB=0。在D4续流时，尽管T4有驱动信号，但是被导通的D4短接，T4不会导通。但是电感续流结束后（负载较小情况），D4截止，T4就要导通，电动机反电动势EM将通过T4和D3形成回路（图4.13b）.在t=T时，T4关断，电感L将经D1→E→D3放电（图4.13c），电动机处于回馈制动状态，ud=uAB=E。不管何种情况，一周期中负载电压ud只有正半周（图4.14b），故称为单极式斩波控制。因为单极式控制正转时T3恒通，反转时T2恒通，单极式可逆斩波控制的输出平均电压为：EETTUond（4.21）且Ton，在正转时是T1的导通时间，在反转时是T4的导通时间，在正转时Ud为“＋”，反转时Ud应为“－”.返回返回三受限单极式斩波控制在单极式斩波控制中，正转时T4导通的时间很少；反转时T1导通的时间很少，因此可以在正转时使T4、T2恒关断；在反转时使T1、T3恒关断，这就是所谓的受限单极式斩波控制方式。受限单极式斩波控制在正转和反转电流连续时的工作状态与单极式控制相同正转轻载时(电流较小)，没有了反电动势EM经过T4的通路，id断续.断续区ud=EM，平均电压Ud较电流连续时要抬高（图4.15），即电动机轻载时转速提高，机械特性变软.4.5斩波电路的驱动控制PWM的驱动信号一般都采用锯齿波或三角波与脉宽控制信号Uct比较的方法产生原理如图4.16a,在锯齿波或三角波大于或小于Uct时，产生输出脉冲信号，调节Uct大小可以调节脉冲宽度（图4.14b）。SG3525脉冲发生电路。1.SG3525的输入电源电压UCC1为8～35V，片内基准电压用于产生5.1V片内电源，供片内电路，并带有欠电压保护功能。2.振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源和外接充放电电容CT组成。作用是使外接电容CT恒流充电，构成锯齿波的上升沿，由比较器接通放电电路，形成锯齿波的下降沿。锯齿波的上升时间为：（4.22）锯齿波的下降时间为：（4.23）TTCRt7.01TTCRt32锯齿波的周期为：TDTCRRttT)37.0(21（4.24）振荡频率：TDTSC)R3R7.0/(1f(4.25)3.PWM发生器由比较器组成。振荡器产生的输出信号uc，从比较器同相端输入，误差放大器输出的脉宽控制信号ue从反相端输入，比较器输出PWM信号。比较器后的锁存器，锁存PWM信号，可以屏蔽环境干扰影响。4.3525内部带有一个误差放大器，并可以通过9端和1端的外接电路组成比例或比例积分调节器，9端和1端短接，则为1：1放大器。5.分相电路由Q触发器组成，其输入是振荡电路输出的时钟信号UK,并以UK的前沿触发，其输出是频率减半的互补信号。6.组合门电路A和B的输入是：PWM信号，分相信号，时钟信号和欠电压封锁信号，其输出是两列相位互补的正脉冲（和，和）,用于控制后级的输出电路。7.3525的输出级由两个NPN晶体管组成推挽电路，关断速度快。图中脉冲输出端（11，14端）外接了光电耦合器作信号隔离，11，14端输出脉冲互差180°。8.控制端8和10。8端若外接电容C1可作软起动控制，C1由片内50μA恒流源充电，随C1电压升高，输出脉冲占空比从小到50％变化，软起动时间为15