电力电子技术5.ppt

第5章直流斩波电路,通过电力电子器件的开关作用，将恒定直流电压变为另一恒定直流电压或可调直流电压的电力电子电路，称为直流斩波电路，相应的装置称为斩波器。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。电路种类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。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。,5.1斩波电路的基本原理,斩波电路的电能变换功能是通过电力电子器件的通断控制实现的。用于斩波电路的器件可以是晶闸管，也可以是全控型器件。但晶闸管没有自关断能力，用于构成斩波电路时须设置专门的强迫换流电路来实现关断，使电路结构复杂。全控型器件具有自关断能力，通过控制电路即可实现导通与关断的控制，所构成的斩波电路结构简单。所以斩波电路中使用的电力电子器件均为全控型器件。,斩波电路的基本原理斩波电路的负载为R，输入电压为Ui，S为一开关。当开关S闭合时，并持续ton时间，当开关S关断时，u0uR0，并持续toff时间。Ttontoff为斩波电路的工作周期。,a电路,b波形,开关的导通时间与开关工作周期之比定义为斩波电路的占空比，即,在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控制输出电压的平均值。,斩波电路的三种控制方式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，改变占空比混合调制普遍采用的是脉冲宽度调制控制方式，因为频率调制控制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。,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,负载,其典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,,5.2降压斩波电路,定义降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。,滤波电感,为使负载电流连续且脉动小，通常要串接较大电感L。,动态演示,工作原理,t0时刻驱动VT导通，电源E向负载供电，负载电压uoE，因有电感L，负载电流io按指数曲线上升。tt1时控制VT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。至一个周期结束，再驱动VT导通，重复上一周期的过程。,假设VT、VD均为理想开关元件,数量关系,在电流连续时,负载电压平均值,,tonV通的时间toffV断的时间D--导通占空比，简称占空比或导通比,当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。,由上式可知U0的最大值为E，若减小D，U0随之减小。所以称为降压斩波电路。也称直流降压变压器,即,电流断续,若L值较小，则在VT关断后，不到t2时刻，负载电流已衰减到零，会出现负载电流断续的情况。此时，电流一降到零，VD即关断。,一般不希望出现这种情况。,在负载电流断续时，电路中存在三种工作状态（1）开关VT导通，VD截止，电感电流呈上升趋势。（2）VT关断，VD导通，电感续流，电感电流呈下降趋势。（3）VT和VD都关断，电感电流为零。,在tonDT时间内，电感电压为E-U0。,在时间内，电感电压为,在时间内，电感电压为零。,因在一个周期内电感电压为零，即,,,,,所以有电压比为,,,其中,VD导通期间，电感电流与电压关系满足下式,,所以电感电流的峰值为,,则负载输出电流平均值为,,即,,因,,,则有,,所以有,,定义，则可以根据上式绘出降压斩波电路的伏安特性曲线如图。可以看出只要输出电流足够高，输出电压与输入电压之比便只决定于占空比D。低电流的断续导电运行状态使斩波器的输出电压有向接近输入电压的方向增大的趋势。,,则有,,5.3升压斩波电路,保持输出电压为恒值,储存电能,电路结构,1升压斩波电路的基本原理,降压斩波电路,当开关管VT导通时，a、b两端相当于短路，二极管VD承受反压而截止。此时可将电路分为两部分第一部分由E、L、VT组成，电感L储存能量，流经L、VT的电流逐渐增大，电源E的能量转化为电感L中的磁场能量。第二部分由C、Z组成，C放电供给负载能量，负载两端电压逐渐降低。当VT断开时，二极管正偏导通，电感储能和电源E一起经二极管给电容充电，同时也向负载提供能量，电感电流iL逐渐减小，负载两端电压逐渐升高。,工作原理,电流连续时,当VT导通时，设电感电流的初值为I1，终值为I2，则,,当VT关断时，因为电流连续，所以电感电流的初值为I2，终值为I1，则可以得到,,即,,当电路工作于稳态时，在一个周期内，电感电压的平均值为零，即,,或,,则,,,因D小于1，所以输出电压值高于电源电压，因此称此电路为升压斩波电路。,当D从零趋向于1变化时，输出电压从E变化到无穷大，但受实际电器元件参数的影响，D不可能过大，有一定的取值范围。在实际应用中，一般要求输出电压U0恒定，因此要改变占空比D时就要求输入电压E能够改变。,假设电路所有元件无损耗，则输出功率P0就等于输入功率Pi，即,,则,,而升压电路的结构决定了电感电流和输入电流相等，即,,当电路临界导通时，电感电流在周期末恰好等于零，此时电感中的电流平均值为,,,即当电感平均电流小于此值时，电路将进入断续状态。,电路输出电流平均值为,,而升压电路的结构决定了电感电流和输入电流相等，即,,,,,当E和D保持不变时，若输出负载功率逐步减小，其电流也逐步减小。当小于临界电流时，电流就会出现断续，虽然电流峰值ILm不变，但其输出功率将减小。,断续时，,,,电感电压在一个周期内积分等于零，即,则得,,在无损耗情况下，即,则,,,输入电流即流过电感中的电流为,,所以，输出电流为,,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,用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形图a）电路图b）电流连续时c）电流断续时,动画演示,5.4升降压斩波电路,电路结构,降压电路,升压电路,工作原理,当斩波开关VT导通时，输入端E向电感提供能量，二极管VD反偏，电容C向负载提供能量。当斩波开关VT断开时，储存在电感中的能量传递给输出端所接负载，同时向电容C充电。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。,电感中的电流连续时，电感电压在一周期内的积分等于零，即,,所以,,,,上式说明输出电压U0可以高于或低于输入电压E，这取决于占空比D。当0.5D1时，斩波器进行升压变换；当0≤D0.5时，进行降压变换。,假设电路所有元件无损耗，则输出功率P0就等于输入功率Pi，即,则有,,当电路临界导通时，电感电流在周期末恰好等于零，此时电感中的电流平均值为,,即当电感平均电流小于此值时，电路将进入断续状态。,因,,,,则临界导通时输出电流为,电流断续时，因电感电压在一个周期内的积分等于零，即,,,假设电路所有元件无损耗，则输出功率P0就等于输入功率Pi，即,则有,电感平均电流为,,5.5Cuk斩波电路,电路结构,升压与降压电路串接而成。,L1和L2为储能电感，C1是耦合电容，C2为滤波电容。,电路工作原理,当斩波开关VT导通时，输入端E向电感L1提供能量，电容C1上的电压使二极管VD反偏截止，电容C1向负载和C2、L2提供能量，负载获得反极性的能量。斩波开关VT断开时，电感L1的感应电动势改变方向，电源和电感L1联合对电容C1充电，二极管VD正偏而导通，在此期间L2经VD向负载释放能量。,在电流连续情况下,在整个周期中，电容C1从输入端向输出端传递能量，只要L1、L2和C1足够大，则可保证输入/输出电流是平稳的，即在忽略损耗时，C1的电压基本不变，而电感L1和L2的电压在一周期内的积分等于零。,对于L1,,在ton期间，,,在toff期间，,,所以有,,则,,对于L2,,在ton期间，,,在toff期间，,,所以有,,,则,因此,,,假设电路所有元件无损耗，则有,,所以，此电路与升降压变换电路在结果上是完全相同的，但本质上是不同的,升降压变换电路在斩波开关关断期间电感L给电容C补充能量，输出电流脉动很大。,而Cuk电路，只要C1足够大，输入和输出电流都可认为是无纹波的（即无脉动）。,Cuk电路,升降压电路,在断续导通的情况下，除斩波开关VT导通、二极管VD截止和斩波开关VT截止、二极管VD导通两种情况外，还有一种情况是斩波开关VT和二极管VD都截止的情况。如图,在电流断续的情况下，一周期中电感L1上的平均电压仍为零，则有,即,所以,5.6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,电路结构,电路原理,当V处于断态时，EL1C1VD负载（C2和R）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）。当V处于通态时，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。此时负载由C2供电。,输入输出关系,1Sepic斩波电路,2Zeta斩波电路,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。同时E和C1共同向负载R供电，并向C2充电。V关断后，L1－VD－C1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。同时L2和C2也向负载供电，L2的电流经VD续流。输入输出关系,具有相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波。Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压均为正极性的。且输入输出关系相同。,电路原理,两电路相比,Zeta,