电力电子技术教学课件PPT直流斩波电路

1、3-1 第第5章章 直流直流-直流变流电路直流变流电路 3-2 第第5章章 直流直流-直流变流电路直流变流电路引言引言 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。 也称为直流-直流变换器（dc/dc converter）。 （1）直接直流变流电路（斩波电路）：一般指直接 将直流电变为另一直流电，输入与输出之间不隔离。 （2）间接直流变流电路：在直流变流电路中增加交 流环节，采用变压器实现输入和输出的隔离，也称带 隔离的直流-直流电路或直-交-直电路。 电路种类 6种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压

2、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。 3-3 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 3-4 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 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 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。 降压斩波电路降压斩波电路 （buck chopper) 3-5 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 工作原理工作原理 i t t t o o o b)电流连续时的波形 t e g ton toff io i1 i

3、2 i10i20 t1 u o e v + - m r l vd i o e m u o ig a) 电路图 图5-1 降压斩波电路得原理图及波形 t=0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。 t=t1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。 动画演示。 3-6 数量关系数量关系 电流连续 负载电压平均值： ee t t e tt t u on offon on o （5-1） r eu i mo o （5-2） tonv通的时间通的时间 toffv断的时间断的时

4、间 a-占空比占空比 负载电流平均值： a1,故故uoe为降压斩波电路。为降压斩波电路。 i t t t o o o t e g ton toff io i1 i2 i10i20 t1 u o 3-7 e v + - m r l vd i o e m u o i g c) 电流断续时的波形 o o o t t t t ee i g i g t on t off i o t x i 1 i 2 i 20 t 1 t 2 u o e m a) 电路图 若负载中l值较小，在 v关断后，到了t2时刻， 负载电流已衰减至零， 出现负载电流断续的 情况。 电流断续，uo被抬高， 一般不希望出现。 3-8

5、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。 此种方式应用 最多 对降压斩波电路进行解析: 分v处于通态和处于断态; 初始条件分电流连续和断续; v通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为i10， =l/r，解上式得 e v + - m r l vd i1 em uo ig tt e r ee eii1 101 m t uee t on o 3-9 v断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为i20，解上式得： 当电流连续时，有： 0 d d m2 2 eri

6、t i l 220 1 onon t tt t e ii ee r m 即v进入通态时的电流初值就是v在断态阶段结束时的电流值， 反过来，v进入断态时的电流初值就是v在通态阶段结束时的 电流值。 i t t t o o o b)电流连续时的波形 t e g ton toff io i1 i2 i10i20 t 1 u o 2 t 3-10 o2010 i r em ii 式中: i10和i20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把上面两式用泰勒级数近似，可得 t t t t 1 1 / 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

7、于平均值。 由式（5-4）、（5-6） （5-8）可以得出 3-11 tietri om 2 o 同样可以从能量传递关系出发进行推导： 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 onot ei 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。 tietritei omoono 2 0 ue i r m o oo on 1 ii t t i ooo1 iueiei 3-12 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： i10=

8、0，且t=tx时，i2=0 式（5-6） 式（5-4） m em t )1 (1 ln x（5-16） txtoff 电流断续的条件：电流断续的条件： 1 1 e e m （5-17） r eu r e m t tt titi t i tt moxon 00 21o onx dd 1 （5-19） 负载电流平均值为： em t tt t etttet u xonmxonon o 1 )( 输出电压平均值为： （5-18） , tl r 3-13 例例5-1：在图：在图5-1所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知e=200v， r=10，l值极大，值极大，em=30v，t=50s，

9、ton=20 s，计，计 算输出电压平均值算输出电压平均值uo，输出电流平均值，输出电流平均值io 解：由于解：由于l值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值 为为 20 200 80 50 on o t uev t 电流平均值为电流平均值为 8030 5 10 om o ue ia r 3-14 例例5-2：在图：在图5-1所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知e=100v，采，采 用脉宽调制控制方式，用脉宽调制控制方式，r=0.5，l=1mh，em=10v， t=20s，当，当ton=5 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均

10、值uo，输出电流，输出电流 平均值平均值io，判断负载电流是否连续？，判断负载电流是否连续？ 解： 0.0025 0.01 100.001 0.1,0.002 1000.5 5 0.01,0.010.0025 20 11 0.249, 11 m on el m er tt t ee m ee 所以输出电流连续 输出电压平均值为输出电压平均值为 100 5 25 20 on o t uev t 输出电流平均值为输出电流平均值为 25 10 30 0 5 om o ue ia r . 3-15 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 升压斩波电路（升压斩波电路（boost chopper） 保持输保

11、持输 出电压出电压 不变不变 储存电能储存电能 电路结构 1. 升压斩波电路的基本原理 3-16 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。 动态演示。 a) 电路图 0 uge 0 io i1 图5-2 升压斩波电路及工组波形 b) 波形 3-17 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。 3-18 电压升高的原因： 电感l储能使电压泵升的作用 电容c可将输出电压保持住 当电路工作于稳态时，一个周期t中，电感l积蓄的能量与 释放的能量相等，即 11 () onoff onoof

12、fo offoff tt t ei tue i tuee tt 1 off t t 所以输出电压高于电源电压，称为升压斩波电路 off t t 表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压uo大小 11 1(,) 1 offoff on o tt t uee ttt 令 =，= 3-19 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 ： 。 （5-24） 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。 oo1 iuei 输出电流的平均值io为： r e r u i 1 o o (5-25) 电源电流的平均值i1为： r e i e u i 2 o o 1 1 (5-26) 3-

13、20 例例5-3：在图：在图5-2所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知e=50v， r=20，l值和值和c值极大，采用脉宽调制控制方式，值极大，采用脉宽调制控制方式， t=40s，ton=25 s，计算输出电压平均值，计算输出电压平均值uo，输出电流，输出电流 平均值平均值io 解：解： 输出电压平均值为输出电压平均值为 40 133.3 4025 o off t uev t 电流平均值为电流平均值为 133.3 6.667 20 o o u ia r 3-21 2) 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

14、 a) 图5-3 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 用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈 给直流电源。 电动机电枢电流连续和 断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是 恒定的，不必并联电容 器。 动画演示。 t t t e i o o b) i 1 i2 i10 i20 i10 t on toff t o t o e t c) u o i o i1i 2 t1t2t x ton toff i20 uo 3-22 数量关系 当v处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式： m1 1 d d eri t i l (5-27) 当v处

15、于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： eeri t i l m2 2 d d （5-29） 当电流连续时，考虑到初始条件，近似l无穷大时电 枢电流的平均值io，即 r ee r e mi o m （5-36） 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 。e 3-23 如图5-3c，当电枢电流断续时： 当t=0时刻i1=i10=0，令式（5-31） 中i10=0即可求出i20，进而可写出 i2的表达式。 另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持 续的时间tx，即 图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形 m me t t 1 1 ln on x e e m 1 1 -电流断续