电力电子技术第5章-直流斩波电路.ppt

第5章 直流直流变流电路引言 直流直流变流电路（DC/DC Converter）： 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 直接直流变流电路（直流斩波电路DC Chopper ）： 直流-直流 间接直流变流电路：直流交流直流。 1 第5章 直流直流变流电路 5.15.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.25.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 5.3 带隔离的直流带隔离的直流- -直流变流电路直流变流电路 本章小结本章小结 2 5.1 基本斩波电路 5.1.1 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.35.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路 5.1.45.1.4 SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路斩波电路 3 5.1.1 降压斩波电路 电路结构 续流二极管 负载 出现 的反 电动 势 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路（ Buck Chopper) 4 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t=0t=t1时 刻驱动V导通， 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。 UGE 5 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t=0t=t1时 刻驱动V导通， 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。 6 5.1.1 降压斩波电路 工作原理 图5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t=t1T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。 7 5.1.1 降压斩波电路 数量关系 电流连续 输出电压平均值： （5-1） （5-2） tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比（a1) 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值： 8 5.1.1 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都可调混合型。 例5-1 P122 自学（1分钟） 此种方式应用 最多 （5-1） 9 5.1.2 升压斩波电路 升压斩波电路（Boost Chopper） 保持输 出电压 储存电能 电路结构 1) 升压斩波电路的基本原理 10 5.1.2 升压斩波电路 工作原理 假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感 L充电，电流恒定I1，电容C 向负载R供电，输出电压Uo 恒定。 图5-2 升压斩波电路及工组波形 a) 电路图 b) 波形 11 5.1.2 升压斩波电路 工作原理 假设L和C值很大。 图5-2 升压斩波电路及工组波形 a) 电路图 b) 波形 V处于断态时，电源E和电感L 同时向电容C充电，并向负载 提供能量。 12 5.1.2 升压斩波电路 数量关系 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： （5-21） （5-20） 化简得： 例5-3 P124（自学1分钟） 升压斩波电路使输出电压高压电源电压的原因： （1）电容C可使输出电压保持住 （2）电感L储能之后具有使电压泵升的作用 13 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 1）升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构 14 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 基本工作原理 a) o t b) o t i1 i2 tontoff IL IL 图5-4 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。 15 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 基本工作原理 a) o t b) o t i1 i2 tontoff IL IL 图5-4 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。 16 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 数量关系 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 （5-39） 所以输出电压为： （5-41） V处于通态 uL = E V处于断态 uL = - uo （3-40） 17 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 结论 当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压， 故称作升降压斩波电路。也有称之为buck- boost 变换器。 所以输出电压为： （5-41） 18 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 2) Cuk斩波电路 V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。 图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 19 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 2) Cuk斩波电路 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。 图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 20 5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 数量关系 （5-48） 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。 21 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a) Sepic斩波电路 图5-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Sepic电路原理 V通态，EL1V回路和C1VL2 回路同时导电，L1和L2贮能。 22 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a) Sepic斩波电路 Sepic电路原理 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）。 23 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a) Sepic斩波电路 Sepic电路原理 输入输出关系： （5-49） 特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流连续有利于输 入滤波，但负载电流为脉冲波形。 24 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Zeta斩波电路原理 图5-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 b) Zeta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、 C1共同向负载R供电，并向C2充电。 25 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Zeta斩波电路原理 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。 b) Zeta斩波电路 26 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Zeta斩波电路原理 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。 b) Zeta斩波电路 27 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a) Sepic斩波电路 zeta电路原理 输入输出关系： 特点：电源电压与输出电压极性相同；电源电流为脉冲波形， 负载电流连续。 28 复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时，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象限和第2象限。 电流可逆斩波电路 5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路 29 5.3带隔离的直流-直流变流电路 引言： 前面介绍的直流斩波电路的输入输出存在直接的 电气连接。然而在许多场合要求输入和输出实现电气 隔离，可在基本的斩波电路中加入变压器，就可派生 出带隔离变压器的DC-DC变流电路。 变压器的主要作用是隔离，一定情况下也能起到变压 的作用，为高频变压器。（变压器铁芯必须加气隙， 变压器的设计是一个重要而复杂的工程） 30 5.3.1正激电路 正激电路是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器 派生出来的。 电力晶体管GTR （a）降压斩波电路 31 5.3.1正激电路 降压斩波电路 （a）降压斩波电路 V处于通态时 UL = Us-U0 32 5.3.1正激电路 降压斩波电路 （a）降压斩波电路 V处于断态时 UL = - U0 33 降压斩波电路数量关系 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 （5-39） V处于通态时 UL = Us-U0 V处于断态时 UL = - U0 34 5.3.1正激电路 正激电路是在降压斩波电路的基础上加入隔离变压器 派生出来的。 隔离变压器 （a）降压斩波电路 (b)正激电路 35 5.3.1正激电路 正激电路分析： （a）当T导通时，正激电路 V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0 36 5.3.1正激电路 正激电路分析： （b）当T断开时，正激电路 V处于断态时 UL = -U0 37 5.3.1正激电路 正激电路分析： （a）当T导通时，正激电路（b）当T断开时，正激电路 V处于断态时 UL = -U0 V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0 38 数量关系 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 （5-39） V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0 V处于断态时 UL = -U0 39 5.3.1正激电路 此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。 （a）正激电路 40 5.3.1正激电路 此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。 解决措施：在隔离变压器中增加一个去磁绕组，将变 压器中存储的激磁能量反激到电源中。 （a）正激电路 （b）一种实用正激电路 去磁绕组 41 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0 42 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0 43 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 V处于断态时 UL = -U0 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 位。 44 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 45 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 位。 T2时刻磁芯复位 46 47 5.3.1正激电路 一种实用正激电路分析： （b）一种实用正激电路 数量关系： 48 5.3.2反激电路 反激电路是在升降压斩波电路的基础上加入隔离变压 器派生出来的。 （a）升降压斩波电路（b）反激电路 49 5.3.2反激电路 反激电路分析： T处于通态时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。 （b）反激电路 V处于通态时 U2 = -（N2/N1）Us 50 5.3.2反激电路 反激电路分析： T处于通态时，电源将电能转为磁能存储在变压器中。 （b）反激电路 V处于通态时 U2 = -（N2/N1）Us 51 5.3.2反激电路 反激电路分析： T处于断态时，变压器将磁能转为电能传送给负载。 （b）反激电路 V处于断态时 U2 = U0 52 5.3.2反激电路 反激电路分析： T处于断态时，变压器将磁能转为电能传送给负载。 （b）反激电路 V处于断态时 U2 = U0 53 5.3.2反激电路 反激电路分析： （b）反激电路 V处于通态时 U2 = -（N2/N1）Us V处于断态时 U2 = U0 电流连续时的数量关系： 54 5.3.2反激电路 反激电路分析： （b）反激电路 特点： 电路简单，无需磁场复位 电路，在小功率场合应用 广泛。 缺点：磁芯磁场直流成分 大，为防止磁芯饱和，磁 芯磁路气隙较大，磁芯体 积相对较大。 55 5.3.3半桥电路 n引言 n在正激、反激电路中变压器原边通过的是单向脉冲电 流，为防止变压器磁场饱和，需要加上必要的磁场复 位电路或要求磁路上留有一定的气隙，因而磁性材料 未得到充分利用；另外，主开关器件承受的电压高于 电源电压，故对器件耐压要求高。 n半桥式和全桥式隔离的DC-DC电路则可以克服以上 缺点。 n仅讨论在降压电路中插入桥式变压器隔离的DC-DC 电路。 56 5.3.3半桥电路 半桥隔离的降压电路原理图 半桥电路 57 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT1关断， VT2导通时，负载经D3供电，同时电源C1储能 58 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT1关断， VT2导通时， 负载经D3供电，同时电源C1储能 59 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT1导通之前，先关断 VT2。D3和D4都处于导通状态 60 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT1导通之前，先关断 VT2。 D3和D4都处于导通状态 61 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT2关断， VT1导通时，负载经D4供电，同时电源C2储能 62 5.3.3半桥电路 半桥电路原理图 半桥电路分析： 当VT2关断， VT1导通时， 负载经D4供电，同时电源C2储能 63 5.3.3半桥电路 半桥电路分析： D1、D2的作用是当截止时为流过变压器原边漏感及线路电感 的电流提供续流通路，以防止截止时因电感电流变化太快导致 感应电压过高而损坏。 电流连续时的数量关系： 64 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 65 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当S1、S2闭合时 66 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当S1、S2闭合时 67 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 开关S2、S3闭合之前先断开S1、S2 68 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 开关S2、S3闭合之前先断开S1 、S2 69 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当S3、S2闭合时 70 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路 当S3、S2闭合时 71 5.3.3全桥电路 全桥隔离的降压电路原理图 全桥电路数量关系：当滤波电感电流连续时 72 5.3.3全桥电路 半桥隔离的降压电路原理图道 全桥电路 73 5.3.5推挽电路 n推挽电路原理图： 74 5.3.5推挽电路 n推挽电路原理图： n当S1闭合时 75 5.3.5推挽电路 n推挽电路原理图： n当S1闭合时 76 5.3.5推挽电路 n推挽电路原理图： nS2闭合之前，先断开S1 77 5.3.5推挽电路 n推挽电路原理图： nS2闭合之前，先断开S1 78 5.3.5推挽电