直流斩波电路新PPT学习教案

1、会计学1 直流斩波电路新直流斩波电路新 3-2 第1页/共51页 3-3 第2页/共51页 3-4 图3-2 脉宽控制方式 （a）原理电路；（b）控制波形 第3页/共51页 3-5 导通时间，在UT固定条件下， 斩波器开关频率固定，实现了 定频调宽。 第4页/共51页 3-6 第5页/共51页 3-7 第6页/共51页 3-8 电路结构 主要应用于开关稳压电源，直流电机速度控制，以及需要直流降压变换的场合。 降压斩波电路降压斩波电路(Buck Chopper) 全控型器件 若为晶闸管， 须有辅助关断电 路。 续流二极管 L-C 形式 的低 通滤 波电 路 负载 电阻 第7页/共51页 3-9

2、第8页/共51页 3-10 第9页/共51页 3-11 第10页/共51页 3-12 Buck变换器电流断续运行状态时的波形如图所示。 图3-7 电流断续时波形 第11页/共51页 3-13 )(80 50 20020 on VE T t Uo o 80 8 10 ( ) o U IA R 第12页/共51页 3-14 保持输保持输 出电压出电压 储存电能储存电能 电路结 构 一) 升压斩波电路的基本原理 第13页/共51页 3-15 第14页/共51页 3-16 器。 第15页/共51页 3-17 第16页/共51页 3-18 )( 3 .13350 2540 40 off VE t T U

3、o 输出电流平均值为：输出电流平均值为： )(667. 6 20 3 .133 o A R U Io 第17页/共51页 3-19 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 t t T E i O O b) a) i1i2 I10 I20 I10 tontoff t O T O E t c) uo io i1i2 t1t2txton toff I20 uo 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 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

4、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。 第18页/共51页 3-20 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 (3-27) 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： EERi t i L M2 2 d d （3-29） 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 mIo M （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 。 E 第19页/共51页 3-21 1）升降压斩波电路）升降压斩波电路 (buck -boost Cho

5、pper) 电路结构 第20页/共51页 3-22 第21页/共51页 3-23 均值间关系 第22页/共51页 3-24 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。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。 图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 第23页/共51页 3-25 数量关系 T ti 0 C 0d（3-45 ） V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。 V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff 。由此可得： off1on

6、2 tItI （3-46 ） 1 on on on off 1 2 t tT t t I I （3-46 ） EE tT t E t t U 1 on on off on o （3-48） 优点优点（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。 第24页/共51页 3-26 b) Zeta斩波电路 a) Sepic斩波电路 图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电 路 电路结构 Speic电路原理 V通态，EL1V回路和C1V L2回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，EL1C1VD负载负载回 路及L2VD负载负载回路同时导电

7、 ，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）。 输入输出关系： EE tT t E t t U 1 on on off on o （3-49） 第25页/共51页 3-27 V处于通态期间，电源E经开 关V向电感L1贮能。 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 。 输入输出关系： 图3-6 Sepic斩波电路 和 Zeta斩波电路 EU 1 o （3-50） 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，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。

8、 两种电路输出电压为正极性的。 b) Zeta斩波电路 第26页/共51页 3-28 第27页/共51页 3-29 电路类型主要特点 输入-输出电压关系 应用场合 Buck型 只能降压，输入-输出 电压极性相同，输入 电流脉动大，输出电 流脉动小，结构简单 降压型开关稳 压器 Boost型 只能升压，输入-输出 电压极性相同，输入 电流脉动小，输出电 流脉动大，结构简单 升压型开关稳压器， 功率因数校正电路 （PFC） Buck- Boost型 能降压也能升压，输 入-输出电压极性相反， 输入输出电流脉动大， 结构简单 升降压型开关稳压 器 Cuk型 能降压也能升压，输 入-输出电压极性相同，

9、 输入输出电流脉动小， 结构复杂 对输入输出脉动要 求较高的升降压型 开关稳压器 Zeta型 能降压也能升压，输 入-输出电压极性相同， 输入电流脉动大，输 出电流脉动小，结构 复杂 对输出脉动要求较 高的升降压型开关 稳压器 Sepic型 能降压也能升压，输 入-输出电压极性相同， 输入电流脉动小，输 出电流脉动大，结构 复杂 升压型功率因数校 正电路（PFC） 0 UE 0 1 UE 0 1 1 UE 0 1 UE 0 1 UE 0 1 UE 第28页/共51页 3-30 第29页/共51页 3-31 第30页/共51页 3-32 t t b) uo ioiV1iD1 iV2iD2 a)

10、图图3-7 电流可逆斩波电路及其波形电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图电路图 b） 波形波形 电路结构电路结构 V1和和VD1构成构成降压斩波电路降压斩波电路，电动机为，电动机为 电动运行，工作于第电动运行，工作于第1象限。象限。 V2和和VD2构成构成升压斩波电路升压斩波电路，电动机作，电动机作 再生制动运行，工作于第再生制动运行，工作于第2象限。象限。 必须防止必须防止V1和和V2同时导通而同时导通而导致电源短导致电源短 路。路。 工作过程工作过程 两种工作情况：只作降压斩波器运行和两种工作情况：只作降压斩波器运行和 只作升压斩波器运行。只作升压斩波器运行。 第第3种工作方式种工作方式

11、：一个周期内：一个周期内交替交替地作地作 为降压斩波电路和升压斩波电路工作。为降压斩波电路和升压斩波电路工作。 第第3种工作方式下，当一种斩波电路电种工作方式下，当一种斩波电路电 流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，流断续而为零时，使另一个斩波电路工作， 让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总 有电流流过。有电流流过。 一个周期内，电流不断，响应很快。一个周期内，电流不断，响应很快。 第31页/共51页 3-33 图图3-8 桥式可逆斩波电桥式可逆斩波电 路路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 将将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向

12、电压两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压 ，使电动机可以，使电动机可以4象限象限运行。运行。 工作过程工作过程 V4导通时，等效为图导通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供所示的电流可逆斩波电路，提供正电压正电压，可，可 使电动机工作于使电动机工作于第第1、2象限象限。 V2导通时，导通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向等效为又一组电流可逆斩波电路，向 电动机提供电动机提供负电压负电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第3、4象限象限。 第32页/共51页 3-34 tO t t t t t t t O O O O O O

13、O 1 u2 u3 uo i1 i2 i3 io a) b ) 图图3-9 多相多重斩波电路及其波形多相多重斩波电路及其波形 a）电路图）电路图 b）波形）波形 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间接入多个结构是在电源和负载之间接入多个结构 相同的基本斩波电路而构成的。相同的基本斩波电路而构成的。 相数相数:一个控制周期中电源侧的电流一个控制周期中电源侧的电流 脉波数。脉波数。 重数重数：负载电流脉波数。：负载电流脉波数。 3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3个降压斩波电路单元个降压斩波电路单元并并 联联而成。而成。 总输出电流

14、为总输出电流为 3 个斩波电路单元个斩波电路单元 输出电流之和，其平均值为单元输出电输出电流之和，其平均值为单元输出电 流平均值的流平均值的3倍，脉动频率也为倍，脉动频率也为3倍。倍。 总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉（电流脉 动幅值与电流平均值之比）与相数的平动幅值与电流平均值之比）与相数的平 方成反比，其总的输出电流脉动幅值变方成反比，其总的输出电流脉动幅值变 得很小，所需得很小，所需平波电抗器平波电抗器总重量大为减总重量大为减 轻。轻。 第33页/共51页 3-35 第34页/共51页 3-36 第35页/共51页 3-37 带隔离的DC/DC变换电路是指输入与输出之间通

15、过隔离变压器实现电气隔离的DC/DC变换电路。 根据电路中功率开关器件的个数，隔离DC/DC变换电路可分为单管、双管和四管3类。单管隔离DC/DC变换电路有正激（Forward）电路和反激（Flyback）电路2种。双管隔离DC/DC变换电路有推挽（Push-Pull）电路和半桥（Half-Bridge）电路2种。四管隔离DC/DC变换电路只有全桥 （Full-Bridge）1种。 隔离DC/DC变换电路又可分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属

16、于单端电路，半 桥、全桥和推挽电路属于双端电路。 第36页/共51页 3-38 S uS iL iS O t t t t Ui O O O 图图 3-11 正激电路的原理图正激电路的原理图 图图35-12 正激电路的理想化波正激电路的理想化波 形形 正激电路正激电路(Forward) 工作过程工作过程 开关开关S开通开通后，变压器绕组后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，处于通态，VD2为断态，电感为断态，电感L的电流逐渐增长。的电流逐渐增长。 S关断关断后，电感后，

17、电感L通过通过VD2续流，续流，VD1关断。变压器的励磁电流经关断。变压器的励磁电流经N3绕组和绕组和VD3流回电源，所以流回电源，所以S关断后承受的电压为关断后承受的电压为 。 iS U N N u)1 ( 3 1 第37页/共51页 3-39 B R B S B H O 图图 3-13 磁心复位过磁心复位过 程程 变压器的磁心复位变压器的磁心复位 开关开关S开通后，变压器的激磁电流由零开通后，变压器的激磁电流由零 开始，随时间线性的增长，直到开始，随时间线性的增长，直到S关断，导关断，导 致变压器的激磁电感饱和。致变压器的激磁电感饱和。 必须设法使激磁电流在必须设法使激磁电流在S关断后到下

18、一关断后到下一 次再开通的时间内降回零，这一过程称为次再开通的时间内降回零，这一过程称为变变 压器的磁心复位压器的磁心复位。 变压器的磁心复位所需的时间为变压器的磁心复位所需的时间为 on 1 3 rst t N N t 输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 T t N N U U on 1 2 i o 输出电感电流不连续时，在负载为零的输出电感电流不连续时，在负载为零的 极限情况下极限情况下 i 1 2 o U N N U (3- 51) (3- 52) 第38页/共51页 3-40 S u S iS iVD tontoff t t t t U i O O O O

19、图图35-14 反激电路原理图反激电路原理图 图图 3-15 反激电路的理想化波形反激电路的理想化波形 反激电路反激电路 工作过程工作过程 S开通开通后，后，VD处于断态，处于断态，W1绕组的电流绕组的电流 线性增长，电感储能增加。线性增长，电感储能增加。 S关断后关断后，W1绕组的电流被切断，变压器绕组的电流被切断，变压器 中的磁场能量通过中的磁场能量通过W2绕组和绕组和VD向输出端释放，向输出端释放， 电压为电压为 。 工作模式工作模式 当当S开通时，开通时，W2绕组中的电流尚未下降到绕组中的电流尚未下降到 零，则称工作于零，则称工作于电流连续模式电流连续模式，输出输入电压关，输出输入电压

20、关 系为系为 uU N N U S io 1 2 off on 1 2 i o t t N N U U S开通前，开通前，W2绕组中的电流已经下降到零绕组中的电流已经下降到零 ，则称工作于，则称工作于电流断续模式电流断续模式，此时输出电压高于，此时输出电压高于 （5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下，）的计算值，在负载为零的极限情况下， ， U o 所以应该避免负载开路状态所以应该避免负载开路状态 。 (3- 53) 第39页/共51页 3-41 图图3-16 半桥电路原理图半桥电路原理图 图图3-17 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形 半桥电路半桥电路 工作过程工作过程 S1与

21、与S2交替导通，使变压器一交替导通，使变压器一 次侧形成幅值为次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变的交流电压，改变 开关的占空比，就可以改变二次侧整开关的占空比，就可以改变二次侧整 流电压流电压ud的平均值，也就改变了输出的平均值，也就改变了输出 电压电压Uo。 S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通处于通 态，态，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，处于通态， 当两个开关都关断时，变压器绕组当两个开关都关断时，变压器绕组N1 中的电流为零，中的电流为零，VD1和和VD2都处于通态都处于通态 ，各分担一半的电流。，各分担一半的电流。 S1或或S2导通时电感导通时电感L的电流

22、逐的电流逐 渐上升，两个开关都关断时，电感渐上升，两个开关都关断时，电感L的的 电流逐渐下降，电流逐渐下降，S1和和S2断态断态时承受的时承受的 峰值电压均为峰值电压均为Ui。 第40页/共51页 3-42 T t N N U U on 1 2 i o 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 2 i 1 2 o U N N U (3-54) 第41页/共51页 3-43 S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton

23、T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 图图 3-18 全桥电路原理全桥电路原理 图图 图图3-19 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形 全桥电路全桥电路 工作过程工作过程 全桥电路中，全桥电路中，互为对角的两个开互为对角的两个开 关同时导通关同时导通，同一侧半桥上下两开关，同一侧半桥上下两开关交交 替替导通，使变压器一次侧形成幅值为导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui 的交流电压，改变占空比就可以改变输的交流电压，改变占空比就可以改变输 出电压。出电压。 当当S1与与S4开通后，开通后，VD1和和VD4处于处于 通态，电感通态，电感

24、L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。 当当S2与与S3开通后，开通后，VD2和和VD3处于处于 通态，电感通态，电感L的电流也上升。的电流也上升。 当当4个开关都关断时，个开关都关断时，4个二极管个二极管 都处于通态，各分担一半的电感电流，都处于通态，各分担一半的电感电流， 电感电感L的电流逐渐下降，的电流逐渐下降，S1和和S2断态时断态时 承受的峰值电压均为承受的峰值电压均为Ui。 第42页/共51页 3-44 如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有中将含有 直流分量直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流，会在变压器一次侧产生很大

25、的直流 分量，造成磁路饱和，分量，造成磁路饱和， 因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串 联一个电容，以阻断直流电流。联一个电容，以阻断直流电流。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过 50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。 输出电压输出电压 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 T t N N U U on 1 2 i o 2 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（3-55）的计算值

26、，）的计算值， 并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 U N N U oi 2 1 (3-55) 第43页/共51页 3-45 S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 图图 3-20 推挽电路原理图推挽电路原理图 图图3-21 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形 推挽电路推挽电路 工作过程工作过程 推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S1和和S2交替导通，在绕组交替导通，在绕组N1和和N1两端分别形成相位相反的交流电压

27、。两端分别形成相位相反的交流电压。 S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，电感处于通态，电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，电感处于通态，电感L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于通态，各分担一半的电流，都处于通态，各分担一半的电流，S1和和S2断态时承受的断态时承受的峰值电压峰值电压均为均为2倍倍Ui。 第44页/共51页 3-46 如果如果S1和和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应 避免两个开关同时导通，每个开

28、关各自的占空比不能超过避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要，还要 留有死区。留有死区。 输出电压输出电压 当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流连续时 T t N N U U on 1 2 i o 2 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-56）的计算值）的计算值 ，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 U N N U oi 2 1 (3-56) 第45页/共51页 3-47 电电 路路优点优点 缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域 正正 激激 电路较简单，成本低 ，

29、可靠性高，驱动电 路简单 变压器单向激磁，利 用率低 几百W几kW 各种中、小功率 电源 反反 激激 电路非常简单，成本 很低，可靠性高，驱 动电路简单 难以达到较大的功率 ，变压器单向激磁， 利用率低 几W几十W 小功率电子设备 、计算机设备、 消费电子设备电 源。 全全 桥桥 变压器双向励磁，容 易达到大功率 结构复杂，成本高，有直通 问题，可靠性低，需要复杂 的多组隔离驱动电路 几百W几百kW 大功率工业用电 源、焊接电源、 电解电源等 半半 桥桥 变压器双向励磁，没有 变压器偏磁问题，开关 较少，成本低 有直通问题，可靠性 低，需要复杂的隔离 驱动电路 几百W几kW 各种工业用电源， 计算机电源等 推推 挽挽 变压器双向励磁，变压器 一次侧电流回