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1、第6章 直流变换器1第1页，本讲稿共44页第6章 直流斩波电路引言直流斩波电路（DC Chopper）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）。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：降降压压斩斩波波电电路路、升升压压斩斩波波电电路路、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。2第2页，本讲稿共44页6.1 6.1 斩波原理和控制方式斩波原理和控制方式3第3页，本讲稿共44页6.1.2 斩
2、波器的控制方式斩波器的控制方式通常有三种：脉宽调制控制方式：维持 T 不变，改变ton。脉频调制控制方式：维持 ton不变，改变T。混合调制控制方式：ton和T都可调，使占空比改变。普遍采用的是脉宽调制控制方式。因为频率调制控制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。4第4页，本讲稿共44页6.2 直流变换器的基本电路6.2.1 降压斩波电路降压斩波电路6.2.2 升压斩波电路升压斩波电路6.2.3 升降压斩波电路升降压斩波电路5第5页，本讲稿共44页6.2.1 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，
3、也可带蓄电池负载。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)6第6页，本讲稿共44页6.2.1 降压斩波电路工作原理工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图6-1 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
4、且脉动小。7第7页，本讲稿共44页6.2.1 降压斩波电路数量关系数量关系电流连续负载电压平均值：（6-1）（6-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 a-导通占空比导通占空比 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：8第8页，本讲稿共44页6.2.1 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，改变占空比混合型。此种方式应用最多电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，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9第9页，本讲稿共4
5、4页6.2.1 降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导 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。10第10页，本讲稿共44页6.2.1 降压斩波电路电流断续 设初始阶段电流初始值为I10，电流最大值为I0=L/R,=T/;m=EM/E;t1/=(t1/T)(T/)=（11第11页，本讲稿共44页6.2.1 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=0，且t=tx时，i2=0式（6-7）
6、式（6-6）（6-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系：因此，式（6-21）可表示为 （6-26）（6-22）15第15页，本讲稿共44页6.2.2 升压斩波电路电压升高得原因：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：。（6-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：(6-26)电源电流的平均值Io为：(6-26)16第16页，本讲稿共44页6.2.2 升压斩波电路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
7、相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图6-6 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。17第17页，本讲稿共44页6.2.3升降压斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构18第18页，本讲稿共44页6.2.3升降压斩波电路基本
8、工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图6-4 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。19第19页，本讲稿共44页6.2.3升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（6-69）所以输出电压为：（6-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（6-40）20第20页，本讲稿共44页6.2.3升降压斩波电路图6-4b中给出了电源电流i
9、1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：（6-42）由上式得：（6-46）结论当0a 1/2时为降压，当1/2a uc时，时，T1和和T4导通，导通，T2和和T3关断；关断；2)2)当当u ur ruc时，开关时，开关T1、T4关断，关断，T2、T3导通。导通。图图6.4.5 全桥变换电路全桥变换电路 39第39页，本讲稿共44页l图图6.5.2 双极性电压双极性电压PWM控制方式控制方式 1、双极性电压开关双极性电压开关PWM控制方式控制方式输出电压的平均值为：输出电压的平均值为：变变换换电电路路的的输输出出电电压压可可在在-Ud到到+Ud之间变化之间
10、变化:1 1）时，时，U U0=0=0；2 2）时，时，U0000；6.5 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术 40第40页，本讲稿共44页1 1）在理想条件下，）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比的大小和极性只受占空比D1的控制，的控制，而与输出电流而与输出电流i0无关。无关。2 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号随控制信号ur线性变线性变化。化。3）这种电路平均输出电流）这种电路平均输出电流I0可正可负。在可正可负。在I00时，直流电源时，直流电源Ud向负载向负载U0端传送能量，在端传送能量，在I0 ，T1触发导通，触发导通，T2 关断关断,u,u0 0=U=Ud；2)2)若若 0或或I00，U0始始终为正值。终为正值。(6.5.7)6.5 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术 43第43页，本讲稿共44页 本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重重点点是，理解降降压压斩斩波波电电路路和升升压压斩斩波波电电路路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开开关关电电源源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。44第44页，本讲稿共44页