电力电子基础

电力电子基础1第一页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路2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。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。第二页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路3DC-DC变换的基本控制方式1.时间占空比控制

为占空比，f=1/T为斩波频率第三页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路4DC-DC变换的基本控制方式时间占空比控制的几种实现方式：脉宽控制：T不变，改变ton调节变化，改变Uo斩波开关频率固定，易于设计输出滤波器频率控制：ton不变，改变T调节变化，改变Uo斩波开关频率不固定，难于设计输出滤波器混合控制：既改变斩波频率，又改变导通时间优点是可较大幅度改变输出电压平均值，但同样难于设计输出滤波器2.瞬时值控制（滞环控制）开关频率不固定，还可能过高第四页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路51.基本斩波电路降压(BUCK)斩波电路升压(BOOST)斩波电路升降压(BUCK-BOOST)斩波电路Cuk斩波电路Sepic斩波电路Zeta斩波电路第五页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路6降压(Buck)斩波电路全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管第六页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路7降压(Buck)斩波电路变换器的工作模式基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。VT处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续第七页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路8降压(Buck)斩波电路电流连续时输入输出电压关系输入输出电流关系第八页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路9降压(Buck)斩波电路电流临界连续时电流断续时

第九页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路10降压(Buck)斩波电路滤波器设计：依据输出电压U0的纹波指标估算L、C的值第十页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路11升压斩波电路保持输出电压（滤波）储存电能第十一页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路12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iL，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。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。电压升高得原因：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第十二页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路13升压斩波电路电流连续时输入输出电压关系输入输出电流关系第十三页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路14升压斩波电路电流断续时第十四页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路15升压斩波电路滤波器设计：依据电流连续时输入电流iL的纹波输出电压U0的纹波指标估算L、C的值第十五页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路16升降压斩波电路第十六页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路17升降压斩波电路基本工作原理VT通时，电源E经VT向L供电使其贮能，此时电流为i。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。VT断时，L的能量向负载释放，电流为iD。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。ototiiDtontoffILIL+-第十七页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路18升降压斩波电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即电感电流连续时输出电压为：V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo第十八页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路19升降压斩波电路当0<<1/2降压，当1/2<<1升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。电感电流连续时输入输出电流关系为：设计电感L和电容C电感电流（连续）脉动：电感电流连续时电容电压纹波：第十九页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路20Cuk斩波电路第二十页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路21Cuk斩波电路L1中电流变化L2中电流变化输入输出关系：第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路22Cuk斩波电路电感电容估算与升降压电路相比：Cuk电路的输入电流和输出电流均连续，且脉动很小，有利于滤波。Cuk电路借助电容传递能量，电容中电流脉动大，需要电容大。开关VT导通时要流过L1和L2的电流，VT的峰值电流大。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路23Sepic斩波电路Speic电路原理V通态，E-L1-V和C1-V-L2两路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E-L1-C1-VD-负载回路及L2-VD-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）。输入输出关系：第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路24Zeta斩波电路Zeta斩波电路原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。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。输入输出关系：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。两种电路输出电压为正极性的。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路252.复合斩波电路和多相多重斩波电路电流可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路复合斩波电路——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第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路26电流可逆斩波电路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。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路27电流可逆斩波电路V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路28电流可逆斩波电路必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，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有电流流过。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路29桥式可逆斩波电路电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须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电压，成为桥式可逆斩波电路桥式斩波电路又有双极性、单极性和受限单极性之分第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路30桥式可逆斩波电路使V4保持通时，电流可逆斩波电路向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限

第三十页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路31桥式可逆斩波电路1.双极性工作方式V1与V4同时通断，V2与V3同时通断V1与V2通断互补，V3与V4通断互补输出电压波形中电压有正有负，故称双极性。第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路32桥式可逆斩波电路2.单极性工作方式V1与V2不断调制，V3与V4全通或全断V1与V2通断互补，V3与V4通断互补输出电压波形中电压只有正或只有负，故称单极性。第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路33桥式可逆斩波电路3.受限单极性工作方式V1不断调制，V4全通，V3与V2全断或V2不断调制，V3全通，V1与V4全断输出电压波形中电压只有正或只有负，且轻载时电流也断续，故称受限单极性。第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路34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相同的基本斩波电路而构成的相数——一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数——负载电流脉波数当上述电路电源公用而负载为多个独立负载时，则为多相1重斩波电路。而当电源为多个独立电源，向一个负载供电时，则为1相多重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路353相3重降压斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲直流斩波电路363.晶闸管斩波器强制换流电路帮助晶闸管关断:VT2,C,VD1,VD2,L1,L2。改变VT2的触发导通时刻，也就改变了输出电压的脉宽。第三十六页，共三十八页，2022年，8月28日第四讲