第2章PWM直流变换电路.ppt

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1、第 2 章 PWM 直流变换电路,2.1 概述2.2 单象限无隔离电路2.3 单象限隔离型电路2.4 双象限电路2.5 四象限电路2.6 多相多重电路,2.1 概述,电力电子电路的分类,按电路作用：功率电路（主电路）、控制电路按变换功能：交流变换电路、整流电路、直流变换电路、逆变电路按构成器件：半控型电路、全控型电路按电隔离能力：绝缘型、非绝缘型电路按变换级数：直接变换、间接变换电路,2.1 概述,电力电子电路的分类,按控制方式：相控式、频控式、斩控式、组合式按开关环境：硬开关电路、软开关电路按电能流传方向：单向电路、双向电路按输出电压：高压电路、低压电路按电路构成：基本电路、组合电路,2.1

2、 概述,直流变换电路：变换直流电能参数的电路,直流变换电路的分类：,按输入输出电压：降压、升压、升降压电路按工作范围：单象限、双象限、四象限电路按变换级数：直接式、间接式电路按入端滤波：电压源、电流源电路按电路耦合：电耦合、磁耦合电路按电路构成：基本电路、组合电路,2.1 概述,直流变换电路的基本用途：直流调速电源开关电源,一般应用结构,2.2.1 单象限降压斩波电路,电路结构,全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,L0和C0组成LPF,降压斩波电路（Buck Chopper),工作原理,当 时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,向C0充电,当 时,T截止,D续流,U0

3、靠C0放电和L0中电流下降维持,假设:,1.T,D均为理想器件2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态,2.2.1 单象限降压斩波电路,2.2.1 单象限降压斩波电路,电流连续状态CCM,2.2.1 单象限降压斩波电路,电路分析,1.电感电流iL表达式,当,储能,当 时,达到最大值,当 时,放能,当 时,达到最小值,2.2.1 单象限降压斩波电路,伏秒平衡定律的证明：,电流增量：,即：,输出电压增益,输出电流平均值I0,2.2.1 单象限降压斩波电路,输出电压纹波分析,当 时,电容充电,其电荷量为Q,实际上就是图 中的阴影部分的

4、面积,在 时,阴影部分的面积为:,2.2 单象限降压斩波电路,输出电压纹波分析（续）,在 时,把 代入上式得:,所以当 与 给定后,当 最大时,用,的最大值 为,电压纹波,保持电流连续的临界电感值,由 的图形可知,当 时,电流处于临界连续状态,2.2 单象限降压斩波电路,临界电感值,电流断续状态（DCM）,2.2.1 单象限降压斩波电路,1.求Av,根据伏秒平衡律:,电流断续状态（DCM）,2.2.1 单象限降压斩波电路,2.求Dp,平均电流:,解得:,2.2.2 单象限升压型直流变换电路,电路,工作原理,2.2.2 单象限升压型直流变换电路,连续模型分析,1.直流增益Av,根据伏秒平衡律:,

5、2.电流增益,根据无耗网络的定义:,2.2.2 单象限升压型直流变换电路,连续模型分析,3、电流的波动,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）电路三是用于其他交直流电源中,2.2.3单象限升/降压直流变换电路(Buck-Boost),电路,输入和输出反相,工作原理:,在T导通时,D截止,电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变 在T/off时,D on,把存放在中的能量释放给负载和电容,2.2.3 单象限升/降压直流变换电路,连续模型的分析方法,1.电压增益,根据伏秒平衡律:,1,1,1,2.2.3 单象限升/降压直流变换电路,输入电流脉动

6、,输入电流增量:输入电感电流的最大值:,由无耗性可知:,输出电压的脉动值,当VTon,VD off时,电容C0放电维持输出电压,2.2.4 Cuk电路,工作过程,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。,Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路,2.2.4 Cuk电路,输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小电压增益开关晶体管发射极接地输入输出电压反向,CUK电路的特点:,电压增益,电流增益:,2.2.4 Cuk电路,输出，入端电流脉动,入端:,出端

7、:,输入电流的最大值:,输出电流的最大值:,VT电流最大值,2.2.5 Sepic电路,电路结构,Speic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，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）。输入输出关系：,2.2.6 Zeta电路,Zeta电路原理,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，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。输入输出关系：,相同的输入输出关系。Sepic电路的电

8、源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。,2.3 单象限隔离型电路,隔离型电路：输入与输出间有电隔离的直流变换电路隔离型电路的分类按功率器件控制极信号来源：他励式、自励式按变压器绕组极性：反激式、正激式按电路结构不同：单端、推挽、桥式等,工作过程：,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。,2.3.1 单端反激电路（Flyback）,VT导通期间：,VT截止期间,2.3.1 单端反激电路,单端反激式变换器也有三种工作状态：,1 磁通临界连续

9、的工作情况：,2 磁通不连续的工作状态,2.3.1 单端反激电路,3 磁通连续的工作状况,2.3.1 单端反激电路,2.3.1 单端反激电路,（3）输入电压Uin与导通比D的对应关系,即是输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。,2.3.1 单端反激电路,（4）间歇振荡问题,当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会

10、使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。,2.3.2 单端正激电路(Forward),原理电路图,等效电路,开关开通后，变压器

11、绕组Np两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD2处于通态，VD3为断态，电感Lf的电流逐渐增长；S关断后，电感Lf通过VD3续流，VD2关断。变压器的励磁电流经Np绕组和VD1流回电源，所以S关断后承受的电压为。,正激电路的工作过程,2.3.2 单端正激电路,正激电路的工作情况,2.3.2 单端正激电路,变压器的磁心复位,开关VT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VT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VT关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为,2.3.3 其它类型正激电

12、路,单管正激式多重电路（P133 图2-22）单管正、反激电路（P133 图2-23）双管正激式电路（P133 图2-24）双管正激组合电路（P133 图2-25）,双管正激变换器,T1和T2具有相同的占空比；T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量；T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。不需要专门的去磁绕组;多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器。,2.3.3 其它类型正激电路,2.4 双象限电路,分类：电流双象限电路、电压双象限电路,输出电流平均值I0极性可变电流双象限电路,原理,负载等效电压:输出电压:

13、恒大于零,输出电流:,当,当,2.4.1 电流双象限电路,2.4.1 电流双象限电路,电路结构,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。,2.4.1 电流双象限电路,工作过程（三种工作方式),第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。,2.4.1 电流双象限电路,负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统,正

14、转,(减速运行),正转制动力,应用:,负载为电池时,构成电流双向流动的不间断电源系统,正常情况下，给电池充电,断电时，由电池供电,2.4.2 电压双象限电路,输出电压U0极性可变电路电压双象限电路,原理:靠改变占空比改变U0的极性,应用：负载为电机时,构成可逆调速系统，如各式起重机的提升机构,正转,反转制动,2.4.2 电压双象限电路,典型电路和原理,两种工作情况,1、时,V1保持导通，V2在（0,DT）时间内导通,当V1、V2导通时，且线性上升，输出功率，负载从电源吸取能量,当V1导通时，V2截止时，V1和VD2 导通，原先存储在L中的能量释放维持负载需要,输出电压平均值,2.4.2 电压双

15、象限电路,2、时,V1保持导通，V2在（DT，T）时间内导通,当V1、V2截止时，VD1和VD2 导通，原先存储在L中的能量释放反馈回直流电源,当V2导通时，VD2截止，V2和VD1导通,输出电压平均值,概述,优点:以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高,响应速度快分类:,全桥电路,半桥电路,单极性电路,双极性电路,同频电路,倍频电路,2.5 四象限电路,半控型电路,全控型电路,硬PWM电路,软PWM电路,在一个斩波周期内,输出电压 只有一个极性变换的电路,2.5 桥式四象限电路,双极性电路:,的平均值,由上式可知:U0的幅值和极性均取决于占空比D,特点:电流脉动大,但不会出

16、现断续情况,2.5 桥式四象限电路,单极性电路:,在一个斩波周期内,输出电压 仅有幅度变化而无极性变化,当,0,当,0,平均值:,特点:电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况,2.5.1 双极性桥式四象限电路,桥式四象限电路两个电流双象限电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。,桥式四象限电路,使V3保持通时，等效为电流双象限电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V4保持通时，等效为又一组电流双象限电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,D0.5时,I00,D=0.5,I0=0,D0.5,I00,工作情况,2.5.1 双极性桥式四象限电路,控

17、制信号与占空比D的关系,最大控制电压,工作过程分析,2.5.1 双极性桥式四象限电路,只讨论D=0.5,因为,off,而VD1与VD3 on,当,但,当,2.5.1 双极性桥式四象限电路,直流增益:,双极性桥式直流变换器,实质上是一个线性放大器,电流脉动计算,2.6 多相多重斩波电路,基本概念,多相多重斩波电路,在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成,相数,一个控制周期中电源侧的电流脉波数,重数,负载电流脉波数,4.2.4 多相多重斩波电路,4相4重降压斩波电路,电路结构：相当于由4个降压斩波电路单元并联而成。,总输出电流为 4 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流

18、平均值的4倍，脉动频率也为4倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。,图4-9 4相4重斩波电路及其波形,4.2.4 多相多重斩波电路,当上述电路电源公用而负载为4个独立负载时，则为4相1重斩波电路。而当电源为4个独立电源，向一个负载供电时，则为1相4重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。,本章小结,本章介绍了单象限斩波电路、双象限斩波电路、四象限斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重点是，理解几种基本的斩波电路的电路结构、工作原理，输入输出关系、电路解析方法、工作特点等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。,典型应用 开关电源,如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，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，体积和重量都远小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。,