电力电子技术第5章 直流斩波.ppt

第五章 直流斩波电路,DC to DC Converters(Choppers),本章主要内容基本斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路带隔离的直流直流变流电路,DC to DC Converters,基本斩波电路降压斩波电路 Buck converter (Step-down converter)升压斩波电路 Boost converter (Step-up converter)降升压斩波电路和Cuk电路 Buck-Boost converter (Step-down/step-up converter) and Cuk converter,DC to DC Converters,直流斩波电路（DC Chopper）将恒定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）一般指直接将一种直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流变换电路,Introduction,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、降升压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合,Introduction,电路结构,全控型器件 若为晶闸管，需有辅助关断电路,续流二极管，在V关断期间续流,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，大多数情况为反电动势负载,降压斩波电路Buck Chopper,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，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通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小,降压斩波电路Buck Chopper,降压斩波电路Buck Chopper,电路稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等,负载电压平均值：,（3-1）,tonV导通的时间 toffV断开的时间 a-导通占空比Duty cycle,输出负载电压平均值最大为E，改变占空比可改变输出电压大小，所以此电路为降压斩波电路,电流连续,（3-2）,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现,负载电流平均值：,降压斩波电路Buck Chopper,斩波电路三种控制方式开关周期T不变，改变导通时间ton 脉冲宽度调制 （Pulse Width Modulation）导通时间ton不变，改变开关周期T 频率调制ton和T都可调，改变占空比混合型,此种方式应用最多,降压斩波电路Buck Chopper,降压斩波电路Buck Chopper,电路分析,V导通期间，有,初值为,则,V关断期间，有,初值为,则,降压斩波电路Buck Chopper,电流连续时，有,根据前面两个方程，可求出V导通状态和关断状态时电流表达式如果平波电抗器电感为无穷大，则负载电流平直,从能量传递关系出发对电路进行推导,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，负载一直消耗能量，消耗的能量为,降压斩波电路Buck Chopper,输出功率等于输入功率降压斩波器可看作为直流降压变压器,一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的能量相等,降压斩波电路Buck Chopper,从能量传递关系出发对电路进行推导,负载电流连续情况下，电源电流平均值为,电源侧电流小于等于负载电流,负载电流断续（电感值不够大）,I10=0，且t=tx时，i2=0,式（3-7）,式（3-6）,tx<toff,电流断续的条件：,负载电流平均值为：,输出电压平均值为：,降压斩波电路Buck Chopper,储存电能,电路结构,保持输出电压,升压斩波电路Boost Chopper,此电路为降压电路不考虑开关极性情况下，逆时针方向旋转90°,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，充电电流基本恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo基本恒定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 升压斩波电路及工组波形,升压斩波电路Boost Chopper,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：,化简得：,T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路,升压斩波电路Boost Chopper,电路数量关系,升压比，调节升压比可改变输出电压大小升压比的倒数记作 ，即 和的关系为：电路输出电压又可表示为,升压斩波电路Boost Chopper,电压升高的原因：电感L储能使电压泵升 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 ： 升压斩波电路也可看作为直流变压器,输出电流的平均值Io为：,电源电流的平均值I1为：,升压斩波电路Boost Chopper,降升压斩波电路(buck -boost Chopper),电路结构,降升压斩波电路和Cuk电路,基本工作原理,S通时，电源经S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,降升压斩波电路和Cuk电路,基本工作原理,降升压斩波电路和Cuk电路,开关关断期间 电感线圈为维持其上电流不变，产生下正上负的感应电势，使二极管导通，向负载提供能量，同时向电容充电。 输出电压极性与输入电压极性方向相反，所以也称为反号型变换器。 输入电流和L，C回路电流为脉动，但通过滤波电容的作用负载电流可连续。,图3-4 降升压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,降升压斩波电路和Cuk电路,此电路特点是：改变开关占空比，可升压或降压，但应用电路较复杂，输入输出电流是脉动的，为了平波要加滤波器。,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,所以输出电压为：,V处于通态uL = E,V处于断态uL = - uo,降升压斩波电路和Cuk电路,右图给出了电源电流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：,由上式得：,结论,当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作降升压斩波电路，也称之为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,降升压斩波电路和Cuk电路,Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流输出电压的极性与电源电压极性相反电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a）电路图 b） 等效电路,降升压斩波电路和Cuk电路,稳态时电容上的电流一周期内平均值为零,数量关系,V处于通态的时间为ton，电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间为toff，电容电流和时间的乘积为I1toff,由此有：,降升压斩波电路和Cuk电路,数量关系,优点（与降升压斩波电路相比）：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,降升压斩波电路和Cuk电路,当开关在B点时，A，B点电压为,当开关在A点时，A，B点电压为,A，B点平均电压为,输出电压为,Septic斩波电路,工作原理 V导通时，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。 V关断时，EL1C1VD负载回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。,Septic斩波电路和Zeta斩波电路,输入输出关系,Zeta斩波电路,工作原理V导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断时，L1VDC1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。,Zeta斩波电路,输入输出关系为,Zeta斩波电路,讨论：两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波；Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压均为正极性。,带隔离的直流直流变流电路,正激电路反激电路 半桥电路全桥电路推挽电路全波整流和全桥整流开关电源,带隔离的直流直流变流电路,直交直电路。 电路特点： 输出与输入隔离。 需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压比远小于1或远大于1。 交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。,带隔离的直流直流变流电路,分类：单端电路 变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。双端电路。 变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。,正激电路(Forward),工作过程S开通，W1电压为上正下负，W2的电压也上正下负，VD1导通，VD2截止，L电流逐渐增长。 S关断，L通过VD2续流，VD1关断。变压器励磁电流经N3和VD3流回电源。,正激电路(Forward),工作过程S关断后承受的电压为,正激电路(Forward),变压器的磁心复位S开通后，变压器激磁电流由零随时间线性增长，直到S关断，导致变压器激磁电感饱和。须使激磁电流在S关断后到下一次再开通时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。磁心复位所需的时间为,正激电路(Forward),输出电压输出滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续、负载为零的极限情况下,反激电路,工作过程S开通，VD截止，W1电流线性增长，电感储能增加。S关断，W1电流被切断，变压器磁场能量通过W2和VD向输出端释放，电压为,反激电路,工作模式S开通时，W2中电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为, S开通前，W2中电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式。负载为零的极限情况下， ，所以应该避免负载开路状态。,半桥电路,工作过程S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关占空比，可改变二次侧整流电压ud平均值，即改变了输出电压Uo。S1导通时，VD1导通；S2导通时，VD2导通。当两个开关都关断时，N1中电流为零，VD1和VD2都导通，各分担一半的电流。,半桥电路,S1或S2导通时L电流逐渐上升；两个开关都关断时，L电流逐渐下降； S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。,半桥电路,S1或S2导通时L电流逐渐上升；两个开关都关断时，L电流逐渐下降； S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。,半桥电路,输出电压 滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,全桥电路,工作过程互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。,全桥电路,当S1与S4开通后，VD1和VD4导通，L电流逐渐上升。当S2与S3开通后，VD2和VD3导通，L电流也上升。4个开关都关断时，4个二极管都导通，各分担一半电感电流，L电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,全桥电路,如S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中含有直流分量，在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，可在一次侧回路串一电容，阻断直流电流。为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关占空比不能超过50%，还应留有裕量。,全桥电路,输出电压 滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,工作过程S1和S2交替导通，N1和N1分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，VD1也导通，L电流逐渐上升；S2导通时，VD2处于通态，L电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。,推挽电路,推挽电路,S1和S2同时导通，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免，每个开关占空比不能超过50%，还要留有死区。 输出电压当滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,各种不同的间接直流变流电路的比较,全波整流,双端电路常用全波整流电路和全桥整流电路。优点：L的电流回路只有一个二极管压降，损耗小，且整流电路只需2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受反压较高，对器件耐压要求较高，且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（<100V）。,全桥整流,优点：二极管断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器绕组简单。缺点：L电流回路中两个有二极管压降，损耗较大，且需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。,全桥整流,同步整流电路 当输出电压非常低时，可采用同步整流电路，利用低压MOSFET导通电阻小的特性降低整流电路导通损耗，提高效率。 缺点：需对V1和V2的通与断进行控制，控制电路复杂。,开关电源,如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成交直交直电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。 由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。 工作频率的提高还有利于控制性能的提高。,本章小结,直流-直流变流电路包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 直接直流变流电路包括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，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种。常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。,