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第五章 直流斩波.ppt

第五章 直流斩波

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2019-06-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第五章 直流斩波ppt》,可适用于综合领域

第五章直流斩波电路DCtoDCConverters(Choppers)本章主要内容基本斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路带隔离的直流-直流变流电路DCtoDCConverters基本斩波电路降压斩波电路Buckconverter(Stepdownconverter)升压斩波电路Boostconverter(Stepupconverter)降升压斩波电路和Cuk电路BuckBoostconverter(Stepdownstepupconverter)andCukconverterDCtoDCConverters直流斩波电路(DCChopper)将恒定的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(DCDCConverter)一般指直接将一种直流电变为另一直流电不包括直流交流直流变换电路Introduction直流斩波电路的种类种基本斩波电路:降压斩波电路、升压斩波电路、降升压斩波电路、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电流可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合Introduction电路结构全控型器件若为晶闸管需有辅助关断电路续流二极管在V关断期间续流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大多数情况为反电动势负载降压斩波电路BuckChopper工作原理t=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=t时刻控制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降压斩波电路BuckChopper降压斩波电路BuckChopper电路稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等负载电压平均值:()tonV导通的时间toffV断开的时间a导通占空比Dutycycle输出负载电压平均值最大为E改变占空比可改变输出电压大小所以此电路为降压斩波电路电流连续()电流断续Uo被抬高一般不希望出现负载电流平均值:降压斩波电路BuckChopper斩波电路三种控制方式开关周期T不变改变导通时间ton脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)导通时间ton不变改变开关周期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降压斩波电路BuckChopper降压斩波电路BuckChopper电路分析V导通期间有V关断期间有初值为降压斩波电路BuckChopper电流连续时有根据前面两个方程可求出V导通状态和关断状态时电流表达式如果平波电抗器电感为无穷大则负载电流平直从能量传递关系出发对电路进行推导由于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中负载一直消耗能量消耗的能量为降压斩波电路BuckChopper输出功率等于输入功率降压斩波器可看作为直流降压变压器一周期中忽略损耗电源提供的能量与负载消耗的能量相等降压斩波电路BuckChopper从能量传递关系出发对电路进行推导负载电流连续情况下电源电流平均值为电源侧电流小于等于负载电流负载电流断续(电感值不够大)I=且t=tx时i=式()式()tx<toff电流断续的条件:负载电流平均值为:输出电压平均值为:降压斩波电路BuckChopper储存电能电路结构保持输出电压升压斩波电路BoostChopper此电路为降压电路不考虑开关极性情况下逆时针方向旋转°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充电充电电流基本恒定I电容C向负载R供电输出电压Uo基本恒定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图升压斩波电路及工组波形升压斩波电路BoostChopper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:化简得:Ttoff>输出电压高于电源电压故为升压斩波电路升压斩波电路BoostChopper电路数量关系升压比调节升压比可改变输出电压大小升压比的倒数记作β即β和α的关系为:电路输出电压又可表示为升压斩波电路BoostChopper电压升高的原因:电感L储能使电压泵升电容C可将输出电压保持住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:升压斩波电路也可看作为直流变压器输出电流的平均值Io为:电源电流的平均值I为:升压斩波电路BoostChopper降升压斩波电路(buckboostChopper)电路结构降升压斩波电路和Cuk电路基本工作原理S通时电源经S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供电降升压斩波电路和Cuk电路基本工作原理降升压斩波电路和Cuk电路开关关断期间电感线圈为维持其上电流不变产生下正上负的感应电势使二极管导通向负载提供能量同时向电容充电。输出电压极性与输入电压极性方向相反所以也称为反号型变换器。输入电流和LC回路电流为脉动但通过滤波电容的作用负载电流可连续。图降升压斩波电路及其波形a)电路图b)波形降升压斩波电路和Cuk电路此电路特点是:改变开关占空比可升压或降压但应用电路较复杂输入输出电流是脉动的为了平波要加滤波器。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所以输出电压为:V处于通态uL=EV处于断态uL=uo降升压斩波电路和Cuk电路右图给出了电源电流i和负载电流i的波形设两者的平均值分别为I和I当电流脉动足够小时有:由上式得:结论当<a<时为降压当<a<时为升压故称作降升压斩波电路也称之为buckboost变换器其输出功率和输入功率相等可看作直流变压器降升压斩波电路和Cuk电路Cuk斩波电路V通时ELV回路和RLCV回路有电流V断时ELCVD回路和RLVD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Cuk斩波电路及其等效电路a)电路图b)等效电路降升压斩波电路和Cuk电路稳态时电容上的电流一周期内平均值为零数量关系V处于通态的时间为ton电容电流和时间的乘积为Iton。V处于断态的时间为toff电容电流和时间的乘积为Itoff,由此有:降升压斩波电路和Cuk电路数量关系优点(与降升压斩波电路相比):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、输出进行滤波降升压斩波电路和Cuk电路当开关在B点时AB点电压为当开关在A点时AB点电压为AB点平均电压为输出电压为Septic斩波电路◆工作原理☞V导通时ELV回路和CVL回路同时导电L和L贮能。☞V关断时ELCVD负载回路及LVD负载回路同时导电此阶段E和L既向负载供电同时也向C充电(C贮存的能量在V处于通态时向L转移)。Septic斩波电路和Zeta斩波电路◆输入输出关系Zeta斩波电路◆工作原理☞V导通时电源E经开关V向电感L贮能。☞V关断时L-VD-C构成振荡回路L的能量转移至C能量全部转移至C上之后VD关断C经L向负载供电。Zeta斩波电路◆输入输出关系为Zeta斩波电路■讨论:两种电路具有相同的输入输出关系Sepic电路中电源电流连续但负载电流断续有利于输入滤波Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续两种电路输出电压均为正极性。带隔离的直流直流变流电路正激电路反激电路半桥电路全桥电路推挽电路全波整流和全桥整流开关电源带隔离的直流直流变流电路■直交直电路。■电路特点:◆输出与输入隔离。◆需要相互隔离的多路输出。◆输出电压与输入电压比远小于或远大于。◆交流环节工作频率较高可减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。带隔离的直流直流变流电路■分类:单端电路变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。双端电路。变压器中电流为正负对称的交流电流半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。正激电路(Forward)◆工作过程☞S开通W电压为上正下负W的电压也上正下负VD导通VD截止L电流逐渐增长。☞S关断L通过VD续流VD关断。变压器励磁电流经N和VD流回电源。正激电路(Forward)◆工作过程S关断后承受的电压为正激电路(Forward)◆变压器的磁心复位☞S开通后变压器激磁电流由零随时间线性增长直到S关断导致变压器激磁电感饱和。☞须使激磁电流在S关断后到下一次再开通时间内降回零这一过程称为变压器的磁心复位。☞磁心复位所需的时间为正激电路(Forward)◆输出电压☞输出滤波电感电流连续时☞输出电感电流不连续、负载为零的极限情况下反激电路◆工作过程☞S开通VD截止W电流线性增长电感储能增加。☞S关断W电流被切断变压器磁场能量通过W和VD向输出端释放电压为反激电路◆工作模式☞S开通时W中电流尚未下降到零则称工作于电流连续模式输出输入电压关系为☞S开通前W中电流已经下降到零则称工作于电流断续模式。负载为零的极限情况下所以应该避免负载开路状态。半桥电路◆工作过程☞S与S交替导通使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压改变开关占空比可改变二次侧整流电压ud平均值即改变了输出电压Uo。☞S导通时VD导通S导通时VD导通。当两个开关都关断时N中电流为零VD和VD都导通各分担一半的电流。半桥电路☞S或S导通时L电流逐渐上升☞两个开关都关断时L电流逐渐下降☞S和S断态时承受的峰值电压均为Ui。☞由于电容的隔直作用半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥电路☞S或S导通时L电流逐渐上升☞两个开关都关断时L电流逐渐下降☞S和S断态时承受的峰值电压均为Ui。☞由于电容的隔直作用半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥电路◆输出电压☞滤波电感L的电流连续时☞输出电感电流不连续输出电压Uo将高于连续时的计算值并随负载减小而升高在负载为零的极限情况下全桥电路◆工作过程☞互为对角的两个开关同时导通同一侧半桥上下两开关交替导通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出电压。全桥电路☞当S与S开通后VD和VD导通L电流逐渐上升。☞当S与S开通后VD和VD导通L电流也上升。☞个开关都关断时个二极管都导通各分担一半电感电流L电流逐渐下降。S和S断态时承受的峰值电压均为Ui。全桥电路☞如S、S与S、S的导通时间不对称则交流电压uT中含有直流分量在变压器一次侧产生很大的直流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可在一次侧回路串一电容阻断直流电流。☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通每个开关占空比不能超过还应留有裕量。全桥电路◆输出电压☞滤波电感电流连续时☞输出电感电流不连续输出电压Uo将高于电流连续时的计算值并随负载减小而升高在负载为零的极限情况下◆工作过程☞S和S交替导通N和N’分别形成相位相反的交流电压。☞S导通时VD也导通L电流逐渐上升S导通时VD处于通态L电流也逐渐上升。☞当两个开关都关断时VD和VD都处于通态各分担一半的电流。☞S和S断态时承受的峰值电压均为倍Ui。推挽电路推挽电路☞S和S同时导通相当于变压器一次绕组短路因此应避免每个开关占空比不能超过还要留有死区。◆输出电压☞当滤波电感L的电流连续时☞输出电感电流不连续输出电压Uo将高于电流连续时的计算值并随负载减小而升高在负载为零的极限情况下各种不同的间接直流变流电路的比较全波整流■双端电路常用全波整流电路和全桥整流电路。◆优点:L的电流回路只有一个二极管压降损耗小且整流电路只需个二极管元件数较少。◆缺点:二极管断态时承受反压较高对器件耐压要求较高且变压器二次侧绕组有中心抽头结构较复杂。◆适用场合:输出电压较低的情况下(<V)。全桥整流◆优点:二极管断态承受的电压仅为交流电压幅值变压器绕组简单。◆缺点:L电流回路中两个有二极管压降损耗较大且需要个二极管元件数较多。◆适用场合:高压输出的情况下。全桥整流■同步整流电路◆当输出电压非常低时可采用同步整流电路利用低压MOSFET导通电阻小的特性降低整流电路导通损耗提高效率。◆缺点:需对V和V的通与断进行控制控制电路复杂。开关电源■如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来则构成交直交直电路采用这种电路的装置通常被称为开关电源。■由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节变压器和滤波器都大大减小因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。■工作频率的提高还有利于控制性能的提高。本章小结■直流直流变流电路包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。■直接直流变流电路包括种基本斩波电路、种复合斩波电路及多相多重斩波电路其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种。■常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类单端电路包括正激和反激两类双端电路包括全桥、半桥和推挽三类每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。

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