第三章直流斩波电路与交流电力控制电路PPT讲稿.ppt
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1、第三章直流斩波电路与交流电力控制电路第1页,共77页,编辑于2022年,星期二第三章第三章 直流斩波电路与交流电力控制电路直流斩波电路与交流电力控制电路o斩波(斩波(DC-DC变换电路)变换电路):将电压恒定的直流电能变为幅值可调或另一幅值的直流电能。o斩波应用:斩波应用:直流电动机调速、直流焊机、电解电镀电源和开关电源。oAC-AC变换电路:变换电路:将某种参数的交流电能变为另一种参数交流电能的电路,包括电压或电流的有效值、频率、相位、相数等的变换。o交流电力控制电路:交流电力控制电路:主要指AC-AC变换电路中的交流调压、调功、交流电力开关等电力控制电路。第2页,共77页,编辑于2022年
2、,星期二3.1DC-DC变换电路概述变换电路概述1.DC-DC变换电路分类变换电路分类o按接线方式分类:按接线方式分类:非隔离型DC-DC变换电路 隔离型DC-DC变换电路o非隔离型DC-DC变换电路分类 降压(Buck)型电路 升压(Boost)型电路 升降压(Boost Buck)型电路 Cuk型电路 Sepic型电路 Zeta型电路第3页,共77页,编辑于2022年,星期二1.DC-DC变换电路分类变换电路分类o隔离型隔离型DC-DC变换电路分类变换电路分类 正激型变换电路 反激型变换电路 桥式变换电路 推挽型变换电路2.两个基本原理两个基本原理 假定:假定:DC-DC变换电路由理想元件
3、构成、输入电源内阻为零、变换电路由理想元件构成、输入电源内阻为零、输出端接有足够大的滤波电容。输出端接有足够大的滤波电容。o稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零。稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零。o稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。第4页,共77页,编辑于2022年,星期二3.对对DC-DC变换电路的基本要求变换电路的基本要求 负载或输入电压波动时,平均输出电压控制在一定的偏差范围内。o控制输出电压的方式(1)定频调宽控制方式(脉宽调制型即PWM型)定频:保持开关工作频率不变,即T=ton+toff恒
4、定。调宽:改变开关导通时间ton来改变占空比D,从而改变输出直流电压平均值。特点:T固定,输出电压频率固定,滤波比较容易实现,比较常用。(2)定宽调频控制方式(频率调制型即PFM型)定宽:保持开关导通时间ton不变。调频:调节开关工作频率T来改变占空比D,从而改变输出直流电压平均值。特点:电路输出电压的频率变化,滤波器设计比较困难。(3)调频调宽混合控制方式第5页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2非隔离型非隔离型DC-DC变换电路变换电路3.2.1降压(降压(Buck)斩波电路)斩波电路 平均直流输出电压低于直流输入电压的变换电路。主要用于直流稳压电源和直流电机调速。o电路组成 全控型
5、器件(IGBT、GTO、GTR、PMOSFET)二极管 LC低通滤波器o工作模式 电感电流连续 电感电流断续第6页,共77页,编辑于2022年,星期二1.电感电流连续工作模式电感电流连续工作模式 t=0时,驱动开关管导通,在ton区间二极管VD反偏截止,电源能量加到电感、电容及负载上。电感储能两端呈现正向电压uL=Ui-Uo。在该电压作用下,电感电流线性上升。t=t1时,开关管关断,电感反电势(左负右正)使二极管VD正偏导通电感存储的能量经VD传给负载,电感两端呈现负电压uL=-Uo。在该电压的作用下电感电流线性衰减。在整个工作过程中,电容电流的平均值为零。电容电压与负载电压相同,有脉动,使低
6、通滤波器截止频率远小于开关频率,即 ,可基本消除输出电压的脉动。第7页,共77页,编辑于2022年,星期二1.电感电流连续工作模式电感电流连续工作模式oLC低通滤波器的作用:低通滤波器的作用:使输出电流的谐波含量比输入电流的谐波含量小。一般在输入端加滤波器来减小换流器对电源的谐波干扰。o二极管二极管VD的作用:的作用:续流二极管,为释放电感中的能量提供通道。o基本数量关系基本数量关系 利用稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理。在稳态工况下,uL波形不断重复,且在一个周期内的积分为零,即(Ui-Uo)ton=Uo(T-ton),降压型电路输出电压为:0D1 ,因此降压型电路
7、的输出电压不可能高于其输入电压,且与输入电压极性相同。第8页,共77页,编辑于2022年,星期二1.电感电流连续工作模式电感电流连续工作模式 若忽略所有元件的损耗,输入功率等于输出功率,即:有:在电流连续方式下,可把降压换流器看作一直流变压器,其等效比可通过调节占空比在01之间连续变化。2.电感电流断续工作模式电感电流断续工作模式 电感电流断续工作方式时,电流连续的临界条件为:第9页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.2升压(升压(Boost)斩波电路)斩波电路o平均直流输出电压高于直流输入电压o用于直流稳压电源和直流电动机再生制动o电路构成1.电感电流连续工作模式 t=0时,驱动开关
8、管导通,二极管VD反偏截止使输入输出隔离,输入能量储存在电感中不能输出,电感电流线性上升,uL=Ui。t=t1时,开关管关断,输入的能量与电感储存的能量一起传给负载,电感两端电压uL=Ui-Uo,电感释放能量,电感电流线性衰减。uL在一个周期内的积分等于零,有:避免D趋于1,否则会使电路损坏第10页,共77页,编辑于2022年,星期二1.电感电流连续工作模式电感电流连续工作模式 若忽略所有元件的损耗,输入功率等于输出功率,即:有:电流连续方式下,可把升压换流器看作一直流变压器,其等效电压比始终大于1。可通过调节开关占空比来连续控制。2.电感电流断续工作模式电感电流断续工作模式 升压型电路电感电
9、流连续的临界条件:电感电流断续时,总是有 ,且负载电流越小,Uo越高。输出空载时,故升压电路不能空载,否则会产生很高的电压而造成电路中元器件的损坏。第11页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.3升降压(升降压(Buck-Boost)斩波电路)斩波电路1.电感电流连续工作模式电感电流连续工作模式 t=0时,驱动开关管导通,二极管VD反偏截止使输入输出隔离,输入能量储存在电感中不能输出,电感电流线性上升,uL=Ui。t=t1时,开关管关断,二极管导通,电感储存的能量传给负载,uL=Uo,电感释放能量,电感电流线性衰减。uL在一个周期内的积分为零:2.电感电流断续工作模式电感电流断续工作模式
10、临界条件:第12页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.3升降压(升降压(Buck-Boost)斩波电路)斩波电路o升降压型电路可以灵活地改变电压的高低,还能改变电压的极性。o用于电池供电设备中产生负电源的电路和各种开关稳压器中。第13页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.4Cuk斩波电路斩波电路1.电路结构:可以看成是升压型和降压型电路级联而成。2.工作波形:设两个电感电流都连续,分别计算电感L和L1一个开关周期内的平均值为:令UL=0,UL1=0,解得库克电路输出电压与输入电压之间的关系为:3.特点:输入和输出回路均有电感,输出电压纹波较小、从输入电源吸取的电流纹波也较小。电
11、路较为复杂使用不慎广泛。第14页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.5Sepic斩波电路斩波电路1.电路结构:可以看成是升压型和升降压型电路前后级联而成。2.工作波形输入输出电压之间的关系为:3.特点:电路复杂,用于要求输出电压较低的单相功率因素校正电路。第15页,共77页,编辑于2022年,星期二3.2.6Zata斩波电路斩波电路1.电路结构:可以看成是升降压型和降压型电路前后级联而成。2.工作波形输入输出电压之间的关系为:3.特点:电路复杂,应用范围小。第16页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3隔离型隔离型DC-DC变换电路变换电路3.3.1正激型电路1.电路结构及其工作波
12、形 0tton时,S开关导通,U1=Ui,W2感应正电压导致VD1导通、VD2截止,W3感应电压与Ui叠加使VD3截止,电感两端的电压为uL=N2/N1.Ui-Uo。tontT时,S关断,绕组W1中的激磁电流转移到绕组W3中,VD3导通,W3绕组电压为Ui,由于同名端的关系,W3绕组的电压具有反向去磁作用,形成磁复位,此时W2绕组感应电压导致VD1关断,电感L续流导致VD2导通,电感两端电压为:uL=-Uo 变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回电源,承受的电压为:第17页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.1正激型电路正激型电路2.变压器中各物理量的变化过程 开关S开通后,变压器的励
13、磁电流im1由零开始,随着时间的增加而线性地增长,直到S关断。S关断后到下一次再开通的一段时间内,必须设法使励磁电流降回到零,否则下一个开关周期中,励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加,并在以后的开关周期中依次累积起来,变得越来越大,从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后,励磁电流会更加迅速增长,最终损坏电路中的开关器件。o变压器的磁芯复位:S关断后,使励磁回零的过程。在正激型电路中,变压器的绕组W3和二极管VD3组成复位电路。第18页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.1正激型电路正激型电路o磁芯复位工作原理:磁芯复位工作原理:S关断后,变压器励磁电流通过绕组W3和二
14、极管VD3流回电源,并逐渐线性地下降为零,从S关断到绕组W3的电流下降到零所需的时间trst。S关断的时间必须大于trst,以保证S下次开通前励磁电流能够将为零,使变压器的磁芯可靠复位,则:在输出滤波电感电流连续的情况下,即S开通时,电感L的电流不为零,输出电压与输入电压的比为:第19页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.1正激型电路正激型电路o正激型电路的电压比:可以看成是将输入电压按电压比折算到变压器二次侧后根据降压型电路得到的。o正激型电路特点:电路简单可靠,广泛用于功率因素为数百瓦至数千瓦的开关电源中。但该电路变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第I象限,没有得到充分的利用,同样
15、的功率,其变压器体积、重量和损耗都大于全桥型、半桥型和推挽型电路。第20页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.2 反激型电路反激型电路1.电路结构(1)电流连续工作模式:变压器是储能元件,看作相互耦合的电感。S导通时,W2感应电势导致VD截止,W1储能,其两端电压为Ui,电流线性增长。副边感应电压为N2/N1.Ui。S关断时,绕组W1中的激磁电流转移到绕组W2中,VD导通,电感W1转移能量到副边绕组W2中,副边电感电压为-Uo,输出、输入电压比:第21页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.2 反激型电路反激型电路(2)电流断续工作模式:电流连续临界条件为:L为从变压器二次侧测得
16、的电感量 电压比为:,反激型电路变压器的绕组W1和W2在工作中不会同时有电流流过,不存在磁动势相互抵消的可能,因此,变压器磁芯的磁通密度取决于绕组中电流的大小。第22页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.2 反激型电路反激型电路反激型电路电流连续和断续时变压器磁通密度与绕组电流的关系图 在最大磁通密度相同的条件下,连续工作时,磁通密度的变化范围B小于断续方式,B正比于一次绕组每匝承受的电压乘以开关处于通态的时间ton,在电路的输入电压和ton相同的条件下,较大的B意味着变压器需要较少的匝数,或较小尺寸的磁芯。从这个角度来说,反激型电路工作于电流断续模式时,变压器磁芯的的利用率较高、较合
17、理。p 特点:电路简单,元器件数少,成本低,广泛用于数瓦至数十瓦小功率开关电源中,例如家电、计算机设备、工业设备。第23页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.3半桥型电路半桥型电路(1)电流连续工作模式 变压器一次侧两端分别连接在电容C1、C2的连接点和开关S1、S2的连接点。电容C1、C2的电压分别为Ui/2,S1和S2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比,就可改变二次整流电压ud的平均值,也就改变乐输出电压Uo,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,半桥型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电压的直流分量有自动平
18、衡的作用,因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流饱和的问题。为了避免上下两个开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开关,每个开关各自的占空比不能超过50%,并留有裕量。在半桥型电路中,占空比定义为:第24页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.3半桥型电路半桥型电路 输出输入电压比为:第25页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.4全桥型电路全桥型电路1.电路结构:4个开关,互为对角的两个开关同时导通,同一侧半桥上下两个开关交替导通,将直流逆变为幅值为Ui的交流电,加在变压器一次侧,改变开关的占空比,就可改变整流电压的平均值,也就改变了输出电压Uo。每个开关断态时承受的峰值
19、电压均为Ui。若开关导通的时间不对称,则交流电压uT中将含有直流分量,会在变压器一次侧电流中产生很大的直流分量,并可能造成磁路饱和,故全桥型电路应注意避免电压直流分量的产生,可以在一次回路中串联一个电容来阻断直流电流。电流连续时输入输出电压比为:第26页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.4全桥型电路全桥型电路 所有的隔离型开关电路中,采用相同电压和电流容量的开关器件时,全桥型电路可达最大的功率,因此该电路常用于数百瓦至数十千瓦的各种开关电源中。第27页,共77页,编辑于2022年,星期二3.3.5推挽型电路推挽型电路电路结构:两个开关交替导通,在绕组W1和W2两端分别形成相位相反的交
20、流电压。第28页,共77页,编辑于2022年,星期二3.4交流电力控制器交流电力控制器 交流电力控制器:交流调压器、交流调功器和交流无触点开关的统称。o交流调压器:每半个周波控制晶闸管开通相位,调节输出电压有效值。o交流调功器:以交流电周期为单位控制晶闸管通断,改变通断周期数的比,调节输出功率的平均值。o交流无触点开关:并不着意调节输出平均功率,而只是根据需要接通或断开电路。第29页,共77页,编辑于2022年,星期二3.4交流电力控制器交流电力控制器o控制方式 相位控制:它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通,改变选定的时刻可达到调压的目的。交流调压电路采用这种控制方
21、式 过零点通断控制(通断控制):即把晶闸管作为开关,通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单,功率因数高,适用于有较大时间常数的负载;缺点是输出电压或功率调节不平滑。交流调功电路和交流无触点开关电路采用这种控制方式。通断周期控制(周波控制)第30页,共77页,编辑于2022年,星期二3.4交流电力控制器交流电力控制器o应用应用 交流电压的调节 有功及无功功率的调节 负载短路时的电流遮断控制 电路温控 灯光调节 异步电动机软启动和调速。第31页,共77页,编辑于2022年,星期二3.4交流电力控制器交流电力控制器o常见的基本电路 一对晶闸管反并联或一个双向晶闸管与负载串联,然后接
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