电力电子chapter3.ppt

目录,3.1基本斩波电路3.1.1降压斩波电路3.1.2升压斩波电路3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路本章小结,第3章,直流斩波电路,直流斩波电路（DCChopper）将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/DCConverter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。,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、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。复合斩波电路不同基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。,第3章,基本斩波电路,重点介绍最基本的两种基本电路---降压斩波电路---升压斩波电路,3.1,降压斩波电路,原理图,全控型器件图中为IGBT若为晶闸管，须有关断辅助电路,续流二极管,负载出现的反电动势,动态演示,3.1.1,降压斩波电路,3.1.1,降压斩波电路,3.1.1,工作原理t0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uoE，负载电流io按指数曲线上升tt1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大,降压斩波电路图如右,数量关系电流连续时，,降压斩波电路,3.1.1,（3-1）,（3-2）,tonV通的时间toffV断的时间a--导通占空比,电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现,负载电压平均值,负载电流平均值,降压斩波电路,斩波电路三种控制方式T不变，变ton脉冲宽度调制（PWM）ton不变，变T频率调制ton和T都可调，改变占空比混合型,降压斩波电路,3.1.1,此种方式应用最多,V为断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程,（3-5）,设此阶段电流初值为I20，解上式得,降压斩波电路,3.1.1,（3-6）,由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出,；,,用泰勒级数近似,（3-11）,上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。,降压斩波电路,3.1.1,降压斩波电路,3.1.1,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,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,,,,,降压斩波电路,3.1.1,负载电流断续的情况,I100，且ttx时，i20,,式（3-7）,式（3-6）,（3-16）,,tx1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。,升压斩波电路,3.1.2,升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系因此，式（3-21）可表示为,（3-23）,（3-22）,以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低。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（3-24）该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为（3-25由式（3-24）即可得出电源电流I1为（3-26）,升压斩波电路,3.1.2,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。,图3-3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,升压斩波电路,3.1.2,升压斩波电路,3.1.2,用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。,升压斩波电路,3.1.2,图3-3的电路分析V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式设i1的初值为I10，解上式得当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式设i2的初值为I20，解上式得,R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。,升压斩波电路,3.1.2,3-27,3-28,（3-29）,（3-30）,,,（3-33）,（3-34）,,泰勒级数线性近似,（3-35）,L为无穷大时电枢电流的平均值Io,（3-36）,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。,升压斩波电路,3.1.2,升压斩波电路,3.1.2,如图3-3c，当电枢电流断续时,当t0时刻i1I100，令式（3-31）中I100即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当tt2时，i20，可求得i2持续的时间tx，即,,txt0ff,,--------电流断续的条件,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1.升降压斩波电路,原理图,3.1.3,动态演示,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,基本工作原理,图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形,V通时，电源E经V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。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,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,（3-39）,所以输出电压为,（3-40）,（3-41）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,数量关系,,,,,V处于通态期间uLE,V处于断态期间uL-uo,,,,图3-4b中给出了电源电流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,（3-42）,由上式可得,（3-43）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,结论,改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为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。,,（3-44）,2.Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换,图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,,,,,,稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即（3-45）在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得（3-46）从而可得（3-47）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,同理可得出输出电压Uo与电源电压E的关系,（3-48）,升降压斩波电路和Cuk斩波电路,3.1.3,上述输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。,优点（CukVS升降压）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。,小结,本章介绍了3种基本斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他斩波电路的基础。因此，本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点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，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。针对这样的应用趋势，希望读者牢固建立起关于开关电源的概念。,第3章,