电力电子技术直流斩波电路

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1 第 5 章 直流 — 直流变流电路 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 本章小结 2 5.1 基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 3 5.1.1 降压斩波电路 电路结构 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一是 拖动直流电动机 ，也可带 蓄电池负载 。 降压斩波电路（ Buck Chopper) 4 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图 5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t =0——t=t 1 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u o= E ，负载电流 i o 按指数曲线上升。 U GE 5 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图 5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t =0——t=t 1 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u o= E ，负载电流 i o 按指数曲线上升。 6 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图 5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t = t 1—— T 时控制 V 关断，二极管 VD 续流，负载电压 u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。 7 5.1.1 降压斩波电路 数量关系 电流连续 输出电压平均值： （ 5-1 ） （ 5-2 ） t on ——V 通的时间 t off ——V 断的时间 a -- 导通占空比（ a <1) 电流断续 ， U o 被抬高， 一般不希望出现 。 负载电流平均值： 8 5.1.1 降压斩波电路 斩波电路三种控制方式 T 不变，变 t on — 脉冲宽度调制 （ PWM ）。 t on 不变，变 T — 频率调制。 t on 和 T 都可调 — 混合型。 例 5-1 P122 自学（ 1 分钟） 此种方式应用最多 （ 5-1 ） 9 5.1.2 升压斩波电路 升压斩波电路（ Boost Chopper ） 保持输出电压 储存电能 电路结构 1) 升压斩波电路的基本原理 10 5.1.2 升压斩波电路 工作原理 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 I 1 ，电容 C 向负载 R 供电，输出电压 U o 恒定。 图 5-2 升压斩波电路及工组波形 a) 电路图 b) 波形 11 5.1.2 升压斩波电路 工作原理 假设 L 和 C 值很大。 图 5-2 升压斩波电路及工组波形 a) 电路图 b) 波形 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。 12 5.1.2 升压斩波电路 数量关系 设 V 通态的时间为 t on ，此阶段 L 上积蓄的能量为 设 V 断态的时间为 t off ，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： （ 5-21 ） （ 5-20 ） 化简得： 例 5-3 P124 （自学 1 分钟） 升压斩波电路使输出电压高压电源电压的原因： （ 1 ）电容 C 可使输出电压保持住 （ 2 ）电感 L 储能之后具有使电压 泵升 的作用 13 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 1 ）升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构 14 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 基本工作原理 a) o t b) o t i 1 i 2 t on t off I L I L 图 5-4 升降压斩波电路及其波形 a ）电路图 b ）波形 V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i 1 。同时， C 维持输出电压恒定并向负载 R 供电。 15 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 基本工作原理 a) o t b) o t i 1 i 2 t on t off I L I L 图 5-4 升降压斩波电路及其波形 a ）电路图 b ）波形 V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i 1 。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 i 2 。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。 16 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 数量关系 稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压 u L 对时间的积分为零，即 （ 5-39 ） 所以输出电压为： （ 5-41 ） V 处于通态 u L = E V 处于断态 u L = - u o （ 3-40 ） 17 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 结论 当 0< a <1/2 时为降压，当 1/2< a <1 时为升压，故称作 升降压斩波电路 。也有称之为 buck-boost 变换器 。 所以输出电压为： （ 5-41 ） 18 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 2) Cuk 斩波电路 V 通时， E—L 1 —V 回路和 R—L 2 — C —V 回路有电流。 图 5-5 Cuk 斩波电路及其等效电路 a ） 电路图 b ） 等效电路 19 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 2) Cuk 斩波电路 V 通时， E—L 1 —V 回路和 R—L 2 — C —V 回路有电流。 V 断时， E—L 1 — C —VD 回路和 R—L 2 —VD 回路有电流。 图 5-5 Cuk 斩波电路及其等效电路 a ） 电路图 b ） 等效电路 20 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 数量关系 （ 5-48 ） 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。 21 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 a) Sepic 斩波电路 图 5-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 Sepic 电路原理 V 通态， E— L 1 —V 回路和 C 1 —V— L 2 回路同时导电， L 1 和 L 2 贮能。 22 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 a) Sepic 斩波电路 Sepic 电路原理 V 断态， E— L 1 — C 1 —VD— 负载 回路及 L 2 —VD— 负载 回路同时导电，此阶段 E 和 L 1 既向负载供电，同时也向 C 1 充电（ C 1 贮存的能量在 V 处于通态时向 L 2 转移 ） 。 23 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 a) Sepic 斩波电路 Sepic 电路原理 输入输出关系： （ 5-49 ） 特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流连续有利于输入滤波，但负载电流为脉冲波形。 24 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 Zeta 斩波电路原理 图 5-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 b) Zeta 斩波电路 V 处于通态期间，电源 E 经开关 V 向电感 L 1 贮能；同时 E 、 C1 共同向负载 R 供电，并向 C2 充电。 25 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 Zeta 斩波电路原理 V 关断后， L 1 － VD － C 1 构成振荡回路， L 1 的能量转移至 C 1 ，能量全部转移至 C 1 上之后， VD 关断， C 1 经 L 2 向负载供电。 b) Zeta 斩波电路 26 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 Zeta 斩波电路原理 V 关断后， L 1 － VD － C 1 构成振荡回路， L 1 的能量转移至 C 1 ，能量全部转移至 C 1 上之后， VD 关断， C 1 经 L 2 向负载供电。 b) Zeta 斩波电路 27 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 a) Sepic 斩波电路 zeta 电路原理 输入输出关系： 特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流为脉冲波形，负载电流连续。 28 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。 电流可逆斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 29 5.3 带隔离的直流 - 直流变流电路 引言： 前面介绍的直流斩波电路的输入输出存在直接的电气连接。然而在许多场合要求输入和输出实现电气隔离，可在 基本的斩波电路中加入变压器， 就可派生出 带隔离变压器的 DC-DC 变流电路。 变压器的主要作用是隔离， 一定情况下也能起到变压的作用， 为高频变压器。 （变压器铁芯必须加气隙，变压器的设计是一个重要而复杂的工程） 30 5.3.1 正激电路 正激电路是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器派生出来的。 电力晶体管 GTR （ a ）降压斩波电路 31 5.3.1 正激电路 降压斩波电路 （ a ）降压斩波电路 V 处于通态时 U L = U s -U 0 32 5.3.1 正激电路 降压斩波电路 （ a ）降压斩波电路 V 处于断态时 U L = - U 0 33 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 u L 对时间的积分为零，即 （ 5-39 ） V 处于通态时 U L = U s -U 0 V 处于断态时 U L = - U 0 34 5.3.1 正激电路 正激电路是在降压斩波电路的基础上 加入隔离变压器 派生出来的。 隔离变压器 （ a ）降压斩波电路 (b) 正激电路 35 5.3.1 正激电路 正激电路分析： （ a ）当 T 导通时，正激电路 V 处于通态时 U L = （ N 2 /N 1 ） U s -U 0 36 5.3.1 正激电路 正激电路分析： （ b ）当 T 断开时，正激电路 V 处于断态时 U L = -U 0 37 5.3.1 正激电路 正激电路分析： （ a ）当 T 导通时，正激电路 （ b ）当 T 断开时，正激电路 V 处于断态时 U L = -U 0 V 处于通态时 U L = （ N 2 /N 1 ） U s -U 0 38 数量关系 稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压 u L 对时间的积分为零，即 （ 5-39 ） V 处于通态时 U L = （ N 2 /N 1 ） U s -U 0 V 处于断态时 U L = -U 0 39 5.3.1 正激电路 此正激电路缺点： 变压器原边通过单相脉动电流，变压器铁芯极易饱和。 （ a ）正激电路 40 5.3.1 正激电路 此正激电路缺点： 变压器原边通过单相脉动电流，变压器铁芯极易饱和。 解决措施：在隔离变压器中 增加一个 去磁绕组 ，将变压器中存储的激磁能量反激到电源中。 （ a ）正激电路 （ b ）一种实用正激电路 去磁绕组 41 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 V 处于通态时 U L = （ N 2 /N 1 ） U s -U 0 42 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 V 处于通态时 U L = （ N 2 /N 1 ） U s -U 0 43 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 V 处于断态时 U L = -U 0 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复位。 44 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 45 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复位。 T2 时刻磁芯复位 46 47 5.3.1 正激电路 一种实用正激电路分析： （ b ）一种实用正激电路 数量关系： 48 5.3.2 反激电路 反激电路是在 升降压斩波电路 的基础上 加入隔离变压器 派生出来的。 （ a ）升降压斩波电路 （ b ）反激电路 49 5.3.2 反激电路 反激电路分析： T 处于 通态 时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。 （ b ）反激电路 V 处于通态时 U 2 = - （ N 2 /N 1 ） U s 50 5.3.2 反激电路 反激电路分析： T 处于 通态 时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。 （ b ）反激电路 V 处于通态时 U 2 = - （ N 2 /N 1 ） U s 51 5.3.2 反激电路 反激电路分析： T 处于 断态 时，变压器将磁能转为电能传送给负载。 （ b ）反激电路 V 处于断态时 U 2 = U 0 52 5.3.2 反激电路 反激电路分析： T 处于 断态 时，变压器将磁能转为电能传送给负载。 （ b ）反激电路 V 处于断态时 U 2 = U 0 53 5.3.2 反激电路 反激电路分析： （ b ）反激电路 V 处于通态时 U 2 = - （ N 2 /N 1 ） U s V 处于断态时 U 2 = U 0 电流连续时的数量关系： 54 5.3.2 反激电路 反激电路分析： （ b ）反激电路 特点： 电路简单，无需磁场复位电路，在小功率场合应用广泛。 缺点：磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体积相对较大。 55 5.3.3 半桥电路 引言 在 正激、反激 电路中变压器原边通过的是单向脉冲电流， 为防止变压器磁场饱和，需要加上必要的磁场复位电路或要求磁路上留有一定的气隙， 因而磁性材料未得到充分利用；另外，主开关器件 承受的电压高于电源电压， 故对器件耐压要求高。 半桥式和全桥式隔离的 DC-DC 电路则可以克服以上缺点。 仅讨论在降压电路中插入桥式变压器隔离的 DC-DC 电路。 56 5.3.3 半桥电路 半桥隔离的降压电路原理图 半桥电路 57 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT1 关断， VT2 导通时，负载经 D3 供电，同时电源 C1 储能 58 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT1 关断， VT2 导通时， 负载经 D3 供电，同时电源 C1 储能 59 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT1 导通之前，先关断 VT2 。 D3 和 D4 都处于导通状态 60 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT1 导通之前，先关断 VT2 。 D3 和 D4 都处于导通状态 61 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT2 关断， VT1 导通时，负载经 D4 供电，同时电源 C2 储能 62 5.3.3 半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当 VT2 关断， VT1 导通时， 负载经 D4 供电，同时电源 C2 储能 63 5.3.3 半桥电路 半桥电路分析： D1 、 D2 的作用 是当ＶＴ截止时为流过变压器原边漏感及线路电感的电流提供 续流 通路，以防止ＶＴ截止时因电感电流变化太快导致感应电压过高而损坏。 电流连续时的数量关系： 64 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 65 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当 S1 、 S2 闭合时 66 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当 S1 、 S2 闭合时 67 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 开关 S2 、 S3 闭合之前 先断开 S1 、 S2 68 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 开关 S2 、 S3 闭合之前 先断开 S1 、 S2 69 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当 S3 、 S2 闭合时 70 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当 S3 、 S2 闭合时 71 5.3.3 全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路数量关系： 当滤波电感电流连续时 72 5.3.3 全桥电路 半桥隔离的降压电路原理图道 全桥电路 73 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 74 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 当 S1 闭合时 75 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 当 S1 闭合时 76 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： S2 闭合之前， 先断开 S1 77 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： S2 闭合之前， 先断开 S1 78 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 当闭合 S2 时 79 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 当 闭合 S2 时 80 5.3.5 推挽电路 推挽电路原理图： 数量关系： 当滤波电感电流连续时 各种带隔离的直流 - 直流变流电路的比较见 P136 表 5-1 81 5.3.6 全波整流和全桥整流 82 电路 优点 缺点 功率范围 应用领域 正激 电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单 变压器单向激磁，利用率低 几百 W~ 几 kW 各种中、小功率电源 反激 电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单 难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低 几 W~ 几十 W 小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。 全桥 变压器双向励磁，容易达到大功率 结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路 几百 W~ 几百 kW 大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等 半桥 变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低 有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路 几百 W~ 几 kW 各种工业用电源，计算机电源等 推挽 变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单 有偏磁问题 几百 W~ 几 kW 低输入电压的电源 各种不同的间接直流变流电路的比较 83 本章小结 本章介绍了 6 种基本斩波电路、 2 种复合斩波电路及多相多重斩波电路。 本章的 重点 是，理解 降压斩波电路 和 升压斩波电路 的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而 开关电源 则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。