电力电子技术第5章 直流斩波.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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(
6、3-6),tx1,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
7、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
8、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0a 1/2时为降压,当1/2a 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
9、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,
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