电力电子技术直流斩波电路

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电力电子技术直流斩波电路

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。
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