電力電子技術(shù)第5章-直流斬波電路.ppt

1、1,第5章 直流直流變流電路引言,直流直流變流電路（DC/DC Converter）： 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 直接直流變流電路（直流斬波電路DC Chopper ）： 直流-直流 間接直流變流電路：直流交流直流,2,第5章 直流直流變流電路,5.1 基本斬波電路 5.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?5.3 帶隔離的直流-直流變流電路 本章小結(jié),3,5.1 基本斬波電路,5.1.1 降壓斬波電路 5.1.2 升壓斬波電路 5.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,4,5.1.1 降壓斬波電路,電路結(jié)構(gòu),續(xù)流二極管,負(fù)

2、載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì),典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載,降壓斬波電路（Buck Chopper,5,5.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖5-1 降壓斬波電路得原理圖及波形,t=0t=t1時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升,UGE,6,5.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖5-1 降壓斬波電路得原理圖及波形,t=0t=t1時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升,7,5.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖5-1 降壓斬波電路得原理圖及波形,t=t1T時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)

3、載電流呈指數(shù)曲線下降。 通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小,8,5.1.1 降壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,電流連續(xù),輸出電壓平均值,5-1,5-2,tonV通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間 a-導(dǎo)通占空比（a1,電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn),負(fù)載電流平均值,9,5.1.1 降壓斬波電路,斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)混合型。 例5-1 P122 自學(xué)（1分鐘,此種方式應(yīng)用最多,5-1,10,5.1.2 升壓斬波電路,升壓斬波電路（Boost Chopper,保持輸出電壓,儲(chǔ)存電能,電路結(jié)構(gòu),1) 升壓斬波電路

4、的基本原理,11,5.1.2 升壓斬波電路,工作原理,假設(shè)L和C值很大。 V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定,圖5-2 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,12,5.1.2 升壓斬波電路,工作原理,假設(shè)L和C值很大,圖5-2 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量,13,5.1.2 升壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為 設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等,5-21

5、,5-20,化簡(jiǎn)得,例5-3 P124（自學(xué)1分鐘,升壓斬波電路使輸出電壓高壓電源電壓的原因： （1）電容C可使輸出電壓保持住 （2）電感L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用,14,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,1）升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper,電路結(jié)構(gòu),15,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a,圖5-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形,V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電,16,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a,圖5-4 升降壓斬波電路及其波形

6、a）電路圖 b）波形,V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。 V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路,17,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,5-39,V處于通態(tài) uL = E,V處于斷態(tài) uL = - uo,18,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,結(jié)論,當(dāng)0a 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2a 1時(shí)為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器,19,5.1.3升降壓

7、斬波電路和Cuk斬波電路,2) Cuk斬波電路,V通時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路有電流,圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,20,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,2) Cuk斬波電路,V通時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路有電流。 V斷時(shí)，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流,圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,21,5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,數(shù)量關(guān)系,5-48,優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）： 輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波,22,5.1.4 Sepic斬

8、波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,圖5-6 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,Sepic電路原理 V通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能,23,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,Sepic電路原理 V斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載回路及L2VD負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移,24,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,Sepic電路原理 輸入輸出關(guān)系,5-49,特點(diǎn)：電源電壓與輸出電壓極性相同；電源電流連續(xù)

9、有利于輸入濾波，但負(fù)載電流為脈沖波形,25,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,Zeta斬波電路原理,圖5-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路,b) Zeta斬波電路,V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開(kāi)關(guān)V向電感L1貯能；同時(shí)E、C1共同向負(fù)載R供電，并向C2充電,26,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,Zeta斬波電路原理,V關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電,b) Zeta斬波電路,27,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,Zeta斬波電路原理,V關(guān)斷后，L1VDC1

10、構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電,b) Zeta斬波電路,28,5.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,zeta電路原理 輸入輸出關(guān)系,特點(diǎn)：電源電壓與輸出電壓極性相同；電源電流為脈沖波形，負(fù)載電流連續(xù),29,復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成,斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。 降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。 升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第2象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路

11、組合。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限,電流可逆斬波電路,5.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?30,5.3帶隔離的直流-直流變流電路,引言： 前面介紹的直流斬波電路的輸入輸出存在直接的電氣連接。然而在許多場(chǎng)合要求輸入和輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離，可在基本的斬波電路中加入變壓器，就可派生出帶隔離變壓器的DC-DC變流電路。 變壓器的主要作用是隔離，一定情況下也能起到變壓的作用，為高頻變壓器。（變壓器鐵芯必須加氣隙，變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要而復(fù)雜的工程,31,5.3.1正激電路,正激電路是在降壓斬波電路的基礎(chǔ)上加入隔離變壓器派生出來(lái)的,電力晶體管GTR,a

12、）降壓斬波電路,32,5.3.1正激電路,降壓斬波電路,a）降壓斬波電路,V處于通態(tài)時(shí) UL = Us-U0,33,5.3.1正激電路,降壓斬波電路,a）降壓斬波電路,V處于斷態(tài)時(shí) UL = - U0,34,降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,5-39,V處于通態(tài)時(shí) UL = Us-U0,V處于斷態(tài)時(shí) UL = - U0,35,5.3.1正激電路,正激電路是在降壓斬波電路的基礎(chǔ)上加入隔離變壓器派生出來(lái)的,隔離變壓器,a）降壓斬波電路 (b)正激電路,36,5.3.1正激電路,正激電路分析,a）當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，正激電路,V處于通態(tài)時(shí) UL = （N2/N

13、1）Us-U0,37,5.3.1正激電路,正激電路分析,b）當(dāng)T斷開(kāi)時(shí)，正激電路,V處于斷態(tài)時(shí) UL = -U0,38,5.3.1正激電路,正激電路分析,a）當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，正激電路,b）當(dāng)T斷開(kāi)時(shí)，正激電路,V處于斷態(tài)時(shí) UL = -U0,V處于通態(tài)時(shí) UL = （N2/N1）Us-U0,39,數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,5-39,V處于通態(tài)時(shí) UL = （N2/N1）Us-U0,V處于斷態(tài)時(shí) UL = -U0,40,5.3.1正激電路,此正激電路缺點(diǎn)：變壓器原邊通過(guò)單相脈動(dòng)電流，變壓器鐵芯極易飽和,a）正激電路,41,5.3.1正激電路,此正激電路缺點(diǎn)

14、：變壓器原邊通過(guò)單相脈動(dòng)電流，變壓器鐵芯極易飽和,解決措施：在隔離變壓器中增加一個(gè)去磁繞組，將變壓器中存儲(chǔ)的激磁能量反激到電源中,a）正激電路,b）一種實(shí)用正激電路,去磁繞組,42,5.3.1正激電路,一種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,V處于通態(tài)時(shí) UL = （N2/N1）Us-U0,43,5.3.1正激電路,一種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,V處于通態(tài)時(shí) UL = （N2/N1）Us-U0,44,5.3.1正激電路,一種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,V處于斷態(tài)時(shí) UL = -U0,要求斷態(tài)時(shí)要保證去磁電流降為零，使變壓器磁芯可靠復(fù)位,45,5.3.1正激電路,一

15、種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,46,5.3.1正激電路,一種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,要求斷態(tài)時(shí)要保證去磁電流降為零，使變壓器磁芯可靠復(fù)位,T2時(shí)刻磁芯復(fù)位,47,48,5.3.1正激電路,一種實(shí)用正激電路分析,b）一種實(shí)用正激電路,數(shù)量關(guān)系,49,5.3.2反激電路,反激電路是在升降壓斬波電路的基礎(chǔ)上加入隔離變壓器派生出來(lái)的,a）升降壓斬波電路,b）反激電路,50,5.3.2反激電路,反激電路分析： T處于通態(tài)時(shí)，電源將電能轉(zhuǎn)為磁能存儲(chǔ)在變壓器中,b）反激電路,V處于通態(tài)時(shí) U2 = -（N2/N1）Us,51,5.3.2反激電路,反激電路分析： T處于通態(tài)時(shí)，電源

16、將電能轉(zhuǎn)為磁能存儲(chǔ)在變壓器中,b）反激電路,V處于通態(tài)時(shí) U2 = -（N2/N1）Us,52,5.3.2反激電路,反激電路分析： T處于斷態(tài)時(shí)，變壓器將磁能轉(zhuǎn)為電能傳送給負(fù)載,b）反激電路,V處于斷態(tài)時(shí) U2 = U0,53,5.3.2反激電路,反激電路分析： T處于斷態(tài)時(shí)，變壓器將磁能轉(zhuǎn)為電能傳送給負(fù)載,b）反激電路,V處于斷態(tài)時(shí) U2 = U0,54,5.3.2反激電路,反激電路分析,b）反激電路,V處于通態(tài)時(shí) U2 = -（N2/N1）Us,V處于斷態(tài)時(shí) U2 = U0,電流連續(xù)時(shí)的數(shù)量關(guān)系,55,5.3.2反激電路,反激電路分析,b）反激電路,特點(diǎn)： 電路簡(jiǎn)單，無(wú)需磁場(chǎng)復(fù)位電路，在小

17、功率場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)：磁芯磁場(chǎng)直流成分大，為防止磁芯飽和，磁芯磁路氣隙較大，磁芯體積相對(duì)較大,56,5.3.3半橋電路,引言 在正激、反激電路中變壓器原邊通過(guò)的是單向脈沖電流，為防止變壓器磁場(chǎng)飽和，需要加上必要的磁場(chǎng)復(fù)位電路或要求磁路上留有一定的氣隙，因而磁性材料未得到充分利用；另外，主開(kāi)關(guān)器件承受的電壓高于電源電壓，故對(duì)器件耐壓要求高。 半橋式和全橋式隔離的DC-DC電路則可以克服以上缺點(diǎn)。 僅討論在降壓電路中插入橋式變壓器隔離的DC-DC電路,57,5.3.3半橋電路,半橋隔離的降壓電路原理圖,半橋電路,58,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT1關(guān)斷， VT2導(dǎo)

18、通時(shí)，負(fù)載經(jīng)D3供電，同時(shí)電源C1儲(chǔ)能,59,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT1關(guān)斷， VT2導(dǎo)通時(shí)， 負(fù)載經(jīng)D3供電，同時(shí)電源C1儲(chǔ)能,60,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT1導(dǎo)通之前，先關(guān)斷 VT2。D3和D4都處于導(dǎo)通狀態(tài),61,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT1導(dǎo)通之前，先關(guān)斷 VT2。 D3和D4都處于導(dǎo)通狀態(tài),62,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT2關(guān)斷， VT1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載經(jīng)D4供電，同時(shí)電源C2儲(chǔ)能,63,5.3.3半橋電路,半橋電路原理圖,半橋電路分析： 當(dāng)VT2關(guān)斷， V

19、T1導(dǎo)通時(shí)， 負(fù)載經(jīng)D4供電，同時(shí)電源C2儲(chǔ)能,64,5.3.3半橋電路,半橋電路分析： D1、D2的作用是當(dāng)截止時(shí)為流過(guò)變壓器原邊漏感及線路電感的電流提供續(xù)流通路，以防止截止時(shí)因電感電流變化太快導(dǎo)致感應(yīng)電壓過(guò)高而損壞,電流連續(xù)時(shí)的數(shù)量關(guān)系,65,5.3.3全橋電路,全橋隔離的降壓電路原理圖,全橋電路,66,5.3.3全橋電路,全橋隔離的降壓電路原理圖,全橋電路 當(dāng)S1、S2閉合時(shí),67,5.3.3全橋電路,全橋隔離的降壓電路原理圖,全橋電路 當(dāng)S1、S2閉合時(shí),68,5.3.3全橋電路,全橋隔離的降壓電路原理圖,全橋電路 開(kāi)關(guān)S2、S3閉合之前先斷開(kāi)S1、S2,69,5.3.3全橋電路,全橋隔離的降壓電路原理圖,全橋電路 開(kāi)關(guān)S2、S3閉合之前先斷開(kāi)