《直流斩波电路》PPT课件.ppt

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1、电力电子技术,河南理工大学电气学院,朱艺锋,Power Electronics Technology,第3章 直流-直流变换电路,好学力行,河南理工大学,明德任责,内容提要,3.1 直接DC/DC变换器 3.2 变压器隔离型DC/DC变换器 3.3 软开关技术及带软开关的谐振型 DC/DC变换器,引言,将固定的直流电压变换成可调的直流电压称为DC/DC变换或直流斩波。具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称为DC/DC变换器（DC/DC Converter）广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。AC/DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变

2、流装置的输入功率因数。,第3章 直流-直流变换电路,引言2,DC/DC变换器按结构不同可分为直接DC/DC变换器和变压器隔离型DC/DC变换器。DC/DC变换器按工作原理不同可分为谐振型和非谐振型两大类。谐振型DC/DC变换器利用软开关技术，控制开关器件在开、关瞬间所承受的电压或电流为零，从而降低开关损耗，提高变换效率，并有利于进一步提高开关频率。,第3章 直流-直流变换电路,3.1 直接DC/DC变换器,3.1.1 降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路3.1.4 Cuk斩波电路3.1.5 Sepic斩波电路3.1.6 Zeta 斩波电路,3.1.1 降压斩波电路（B

3、uk变换器）,1.电路结构,3.1 直接DC/DC变换器,图3-降压斩波电路的原理图,3.1.1 降压斩波电路,工作原理,图3-2 降压斩波电路的原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，VD承受反压而关断；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。动画演示,iL,数量关系,电流连续方式：,负载电压平均值：,Ton V通的时间；toff V断的时间；T 斩波周期；导通占空比,电流断续：Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,3.1.1 降压斩波电

4、路,三种控制方式：定频调宽：T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）；定宽调频：ton不变，变T 频率调制；调宽调频：ton和T都可调 混合型。,此种方式应用最多,调制方式（控制方式）：,改变占空比,3.1.1 降压斩波电路,同样可以从能量传递关系出发进行的推导,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，负载消耗的能量为,输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器(升流)。,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,I1 平均值,3.1.1 降压斩波电路,电感电流断续工作模式：,图3-降压电路电流临界连续工作模式下

5、的工作波形,判断降压型电路中电感电流连续与否的临界条件。,电感电流临界连续时的电流均值为：,电感电流连续的临界条件为：,3.1.1 降压斩波电路,3.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路（Boost Chopper）,电路结构,1)升压斩波电路的基本原理,S导通时，L储能；电容给负载供电；S关断时，L释放能量，电源与uL一起给电容充电，并给负载供电。,3.1.2 升压斩波电路,2)升压斩波电路的输入输出关系,电感L在一个开关周期T上的平均感应电压为0，因此：,升压,升压斩波电路之所以能够升压的原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。,3）电感电流断续工作模式：

6、,判断升压型电路中电感电流连续与否的临界条件。,电感电流临界连续时VD的电流均值为：,电感电流连续的临界条件为：,二极管VD电流的开关周期平均值ID等于负载电流平均值Io。,3.1.2 升压斩波电路,2)升压斩波电路典型应用,一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时,用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源

7、的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。,3.1.2 升压斩波电路,升降压斩波电路,升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,利用“电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零”的规律可得,0D1/2，降压,1/2D1，升压,输出与输入反极性,升降压斩波电路,升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,电感电流连续与否的临界条件为：,应用：升降压型电路可以灵活地改变电压的高低，还能改变电压极性，因此常用于电池供电设备中产生负电源的电路，还用于各种开关稳压器中。,3.1.4 Cuk斩波电路,Cuk斩波电路,电路工作稳定条件下，S通时，UdLSUd回

8、路和C1SR L1C1回路有电流。S断时，UdLC1VDUd回路和L1VDRL1回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。,图3-14 Cuk电路电流连续工作时的电路状态a)电路状态1(S通)b)电路状态2(S断),数量关系,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。但电路较复杂。,3.1.4 Cuk斩波电路,设两个电感电流都连续，分别计算电感L和L1的两端电压在一个开关周期内的平均值为：,联立方程，消去UC1，可得Cuk电路输出电压与输入电压比为,3.1.4 Cuk斩波电路,负载电流很小时，电路中的电感电流将不连续，电压

9、比的公式不再满足式，输出电压|Uo|DUd/(1-D)，且负载电流越小，|Uo|越高。输出空载时，|Uo|，故Cuk型电路 不应空载，否则会产生很高的电压而损坏电路中的元器件。,Zeta斩波电路,Sepic斩波电路,3.1.7 复合斩波电路,1)电流可逆斩波电路 2)桥式可逆斩波电路,复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成,斩波电路用于驱动直流电动机时，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

10、象限和第2象限。,电流可逆斩波电路,1)电流可逆斩波电路,电路结构,a)电路图,V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。,工作过程,三种工作方式：降压、升压、交替降压和升压（图3-19b）；第1象限，降压斩波，电动状态，调压调速；第2象限，升压斩波，发电状态，再生制动，减速。,图3-19 电流可逆斩波电路及波形,2)桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，实现四象限运行。,使V4保持通时，等效为图5-7a

11、所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,图3-19 电流可逆斩波电路可实现第1、2象限运行,图3-22 桥式可逆斩波电路可实现第3、4象限运行,组合,直流脉宽调速与V-M调速区别：,直流脉宽调速,直流V-M调速,主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都很小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用不可控

12、三相整流时，电网功率因数高。,直流脉宽调速：,直流脉宽调速与V-M调速区别：,小 结,重点：1）降压斩波的工作原理、波形分析、输入输出关系及应用；2）升压斩波的工作原理、波形分析、输入输出关系及应用；3）升降压斩波、Cuk斩波、Sepic和Zeta的输入输出关系推导；4）电流可逆斩波电路和桥式斩波电路的分析。,3.1 直接DC-DC变换器,3.2 变压器隔离型DC-DC变换器,3.2.1 正激电路3.2.2 反激电路3.2.3 半桥电路3.2.4 全桥电路3.2.5 推挽电路3.2.6 全波整流和全桥整流3.2.7 开关电源,同直接DC/DC变换器相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直 交直

13、电路。采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下优势：输出端与输入端之间电气隔离。可实现相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量，实现电源的小型化。,3.2 变压器隔离型DC-DC变换器,3.2 变压器隔离型DC-DC变换器,根据电路知识，对电感、电容和变压器二次侧可写出其电压或电流方程：,可以看出，在电压和电流不变的条件下，工作频率越高，则所需滤波电感的电感值越小，所需滤波电容的电容值也越小；同时，工作频率越高，则所需变压器的绕组匝数越少，所需铁心的横截面积也越小。因此，通过提高工作频

14、率也可以使滤波电感、滤波电容和变压器的体积和重量显著降低。由于是高频工作，电路中的可控开关一般用MOSFET或IGBT，高频整流电路中用快恢复二极管或肖特基二极管。,较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积的原因：,令t=TS/n(n2),按能量传递的工作方式分正激和反激电路：,单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流。常用于小功率电源变换。,双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。铁芯的利用率高，常用于大功率领域。,正激电路：开关管导通时，电源将能量直接传送至负载。,反激电路：开关管导通时，电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送至负载。,变压器

15、隔离型的DC/DC变流电路分两大类：,按变压器中流过的电流性质分为：,3.2 变压器隔离型DC-DC变换器,3.2.1 正激电路,开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为：,1）正激电路(Forward)的工作过程,2）变压器的磁心复位,开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的

16、时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。复位电路：VD3和线圈W3。变压器的磁心复位时间为(折算到复位电路),3.2.1 正激电路,激磁,退磁,S处于断态的时间必须大于trst，使变压器磁芯可靠复位。,3）输出电压,3.2.1 正激电路,在输出滤波电感电流连续的情况下，利用“电感电压uL在一个开关周期内的平均值为零”的原理，得,电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，UoUdN2/N1。（uL=Uo的时间小于toff）,经过与前面降压型电路相似的推导过程，可得电感电流临界连续的条件：,输入输出电压比可看成是，将输入电压Ud按电压比折算至变压器二次侧后

17、根据降压型电路得到的。后面将要提到的半桥型、全桥型和推挽型电路也是如此。,3.2.2 反激电路,1）反激电路的工作过程：,图 3-27 反激电路原理图,S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。,图 3-28 反激电路电流连续时的工作波形,2）反激电路的工作模式：,图 3-14 反激电路原理图,3.2.2 反激电路,反激型电路电感电流连续的临界条件为：,3.2.3 半桥电路,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。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，

18、也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。（防止直通故障）S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,1）半桥电路的工作过程,图 3-16 半桥电路原理图,2）数量关系,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。,当滤波电感L的电流连续时：如果输出电感电流不连续，输出电压U0将

19、高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,图 3-16 半桥电路原理图,3.2.3 半桥电路,全桥电路中，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，使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。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,1）全桥电路的工作过程,3.2.4 全桥电路,3.2.4 全桥电路,如果S1、S4

20、与S2、S3的导通时间不对称，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，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,2）数量关系,滤波电感电流连续时：输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：,3.2.5 推挽电路,1）推挽电路的工作过程,2）数量关系,滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：,3.2.6 全波整流和全桥整流,双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整

21、流电路。,a）全波整流电路,1）全波整流电路的特点优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而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）。,b）全桥整流电路,a）全波整流电路,3.2.6 全波整流和全桥整流,表 3-1 各种带隔离变压器DC/DC变流电路的比较,小 结,直流-直流变流电路（DC/DC Converter）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。,