直流斬波電路-課件

第4章直流斬波電路DCtoDCConverters(DCChoppers)1PPT課件本章主要內(nèi)容非隔離型斬波電路

BUCK電路，BOOST電路，BUCK-BOOST電路，CUK電路。隔離型斬波電路正激變換電路，反激變換電路，推挽式變換電路，半橋變換電路，全橋逆變電路。DCtoDCConverters2PPT課件按主電路器件：半控型/全控型直流變換器的分類：按輸入輸出電壓：降壓式/升壓式/升－降壓式按工作范圍：?jiǎn)蜗笙?雙象限/四象限按電路結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧娐?多元電路（單重、多重）按輸入輸出電隔離：非隔離/隔離(正激、反激、自激）按輸入濾波結(jié)構(gòu)：電流源/電壓源按器件開(kāi)關(guān)方式：硬開(kāi)關(guān)電路

/軟開(kāi)關(guān)電路DCtoDCConverters3PPT課件4.1概述4PPT課件DC/DC直流降壓電路4.1.1直流斬波的基本工作原理5PPT課件直流－直流變換方案一:電阻降壓4.1.1直流斬波的基本工作原理6PPT課件直流－直流變換方案二:串聯(lián)晶體管4.1.1直流斬波的基本工作原理7PPT課件直流－直流變換方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗4.1.1直流斬波的基本工作原理8PPT課件4.1.1直流斬波的基本工作原理直流－直流變換方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗9PPT課件串聯(lián)LC，濾出諧波,，濾波器的截止頻率<<開(kāi)關(guān)頻率4.1.1直流斬波的基本工作原理直流－直流變換方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗10PPT課件BUCK電路增加控制回路4.1.1直流斬波的基本工作原理直流－直流變換方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗11PPT課件定頻調(diào)寬控制(PulseWidthModulation)

實(shí)現(xiàn)：保持?jǐn)夭ㄖ芷诓蛔儯桓淖冮_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，輸出電壓脈沖寬度隨之改變。特點(diǎn)：電路基本工作頻率固定，濾除輸出電壓中高次諧波的濾波器設(shè)計(jì)較容易。4.1.2直流斬波電路的基本控制方式12PPT課件定寬調(diào)頻控制(PulseFrequencyModulation，簡(jiǎn)稱PFM)

實(shí)現(xiàn)：保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變斬波周期，即改變脈沖頻率，達(dá)到改變占空比的目的，從而改變電路輸出電壓平均值。特點(diǎn)：斬波電路和控制電路簡(jiǎn)單，但電路的控制頻率是變化的，輸出濾波器設(shè)計(jì)較困難。4.1.2直流斬波電路的基本控制方式13PPT課件調(diào)頻調(diào)寬控制實(shí)現(xiàn)：同時(shí)改變斬波電路的工作周期和開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，所以也稱為混合控制（MixedControl）。特點(diǎn)是：可大幅度改變輸出電壓大小，但也存在著由于頻率變化所引起的濾波器設(shè)計(jì)較困難的問(wèn)題。4.1.2直流斬波電路的基本控制方式14PPT課件4.2非隔離型斬波電路15PPT課件

電路結(jié)構(gòu)全控型器件若為晶閘管，需有輔助關(guān)斷電路續(xù)流二極管，在V關(guān)斷期間續(xù)流負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，大多數(shù)情況為反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載

4.2.1降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理16PPT課件工作原理開(kāi)關(guān)V有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，導(dǎo)通，則VD截止。L儲(chǔ)存能量，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。4.2.1降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理17PPT課件工作原理控制V關(guān)斷后，VD導(dǎo)通續(xù)流。uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。4.2.1降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理18PPT課件電感足夠大，電流連續(xù)。則電路穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等負(fù)載電壓平均值：輸出負(fù)載電壓平均值最大為E，改變占空比可改變輸出電壓大小，所以此電路為降壓斬波電路。4.2.1降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理19PPT課件

應(yīng)用：降壓型直流開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓器，不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。不考慮元件損耗，電路輸入功率與輸出功率相等。4.2.1降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理20PPT課件儲(chǔ)存電能

電路結(jié)構(gòu)保持輸出電壓4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理

此電路為降壓電路不考慮開(kāi)關(guān)極性情況下，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°21PPT課件工作原理V導(dǎo)通時(shí)，VD截止，電源向電感提供能量，負(fù)載消耗能量由電容提供。負(fù)載電壓等于電容電壓。電感、電容足夠大，可認(rèn)為負(fù)載電壓和電源電流恒定。4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理22PPT課件工作原理V關(guān)斷時(shí)，VD導(dǎo)通，電源和電感同時(shí)向負(fù)載供電，電容充電。負(fù)載電壓高于電源電壓。4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理23PPT課件工作原理4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理24PPT課件電路數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：化簡(jiǎn)得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路

4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理25PPT課件電壓升高的原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升；電容C可將輸出電壓保持住。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即：升壓斬波電路也可看作為直流變壓器注意：升壓斬波電路輸出電壓不可能低于輸入電壓。占空比不要接近為1，以免電路損耗。

4.2.2升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理26PPT課件

電路結(jié)構(gòu)4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理27PPT課件基本工作原理V導(dǎo)通時(shí)，VD截止，電源向電感提供能量，電感儲(chǔ)能；負(fù)載能量由電容提供。電容電壓極性下正上負(fù)，與電源極性相反。4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理28PPT課件基本工作原理V關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，同時(shí)提供給負(fù)載和向電容充電。電容電壓極性下正上負(fù)，與電源極性相反。4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理29PPT課件數(shù)量關(guān)系

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即所以輸出電壓為：4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理30PPT課件

結(jié)論改變占空比，改變輸出電壓大小。當(dāng)0<D<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<D<1時(shí)為升壓，故稱作降升壓斬波電路，也稱之為buck-boost變換器。4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理31PPT課件設(shè)電源電流i1和負(fù)載電流i2的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：其輸出功率和輸入功率相等，可看作為一升降壓直流變壓器。電路特點(diǎn)：負(fù)載與電容并聯(lián)，電容不是無(wú)窮大，則電容電壓有波動(dòng)，負(fù)載電流也波動(dòng)；輸入電流斷續(xù)。由于輸入和輸出電流波動(dòng)，對(duì)電源和負(fù)載都產(chǎn)生電磁干擾。4.2.3升降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)及工作原理32PPT課件電路結(jié)構(gòu)升壓斬波電路和降壓斬波電路串聯(lián)而成。兩個(gè)電感為儲(chǔ)能電感，電容為傳遞能量的耦合電容。4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理33PPT課件V導(dǎo)通時(shí)，VD截止。電源向電感L1提供能量，負(fù)載能量由電容提供，電感L2儲(chǔ)能。負(fù)載電壓極性下正上負(fù)。4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理34PPT課件V關(guān)斷時(shí)，電感L1釋放能量，VD導(dǎo)通。電源和電感L1同時(shí)向電容充電。負(fù)載由電感L2供電。一周期中，V關(guān)斷時(shí)，C吸收能量；V導(dǎo)通時(shí)，C釋放能量，從而將能量從輸入端傳遞到輸出端，起到了傳遞能量的作用。4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理35PPT課件數(shù)量關(guān)系對(duì)電感L1，一周期內(nèi)電壓積分值為零，有4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間36PPT課件數(shù)量關(guān)系對(duì)電感L2，一周期內(nèi)電壓積分值為零，有4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間又有37PPT課件結(jié)論：Cuk電路輸出與輸入電壓關(guān)系與升降壓電路相同，也是反極性。但輸入和輸出電流均連續(xù)，且脈動(dòng)小，減小了電路的電磁干擾。4.2.4Cuk電路的結(jié)構(gòu)及工作原理38PPT課件4.3隔離型斬波電路39PPT課件概述■直—交—直電路?！鲭娐诽攸c(diǎn)：

◆輸出與輸入隔離。

◆需要相互隔離的多路輸出。

◆輸出電壓與輸入電壓比遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。◆交流環(huán)節(jié)工作頻率較高，可減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。40PPT課件概述■分類：?jiǎn)味穗娐纷儔浩髦辛鬟^(guò)直流脈動(dòng)電流。包括正激電路和反激電路。雙端電路。變壓器中電流為正負(fù)對(duì)稱的交流電流，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。

41PPT課件4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理

電路結(jié)構(gòu)：降壓型斬波電路加變壓器。

變壓器有直流磁化問(wèn)題，加磁芯復(fù)位電路。42PPT課件4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理工作過(guò)程

S開(kāi)通，變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，VD1導(dǎo)通，電源向負(fù)載提供能量，電感上電流逐漸增大。43PPT課件4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理工作過(guò)程

S關(guān)斷，VD1截止，VD2導(dǎo)通，電感釋放能量，電感電流逐漸減小。44PPT課件◆變壓器的磁心復(fù)位?S開(kāi)通后，變壓器激磁電流增大，直到S關(guān)斷，下一周期則在上一周期結(jié)束時(shí)的電流值上增加，導(dǎo)致變壓器激磁電感飽和，損壞開(kāi)關(guān)器件。?須使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通時(shí)間內(nèi)降回零，這一過(guò)程稱為變壓器的磁心復(fù)位。4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理45PPT課件◆變壓器的磁心復(fù)位過(guò)程W3與VD3組成磁心復(fù)位電路。S關(guān)斷后，W3繞組感應(yīng)電勢(shì)極性為上正下負(fù)，使VD3導(dǎo)通，磁場(chǎng)能量回饋給電源，回路電流逐漸減小為零。

S關(guān)斷期間，開(kāi)關(guān)承受的電壓高于電源電壓，為：4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理46PPT課件◆?磁心復(fù)位所需的時(shí)間為4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理47PPT課件◆輸出電壓?輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)

4.3.1正激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理◆結(jié)論：正激變換電路可看作為具有隔離變壓器的降壓斬波電路。48PPT課件◆電路結(jié)構(gòu)與升降壓電路比較，用變壓器代替儲(chǔ)能電感，所以變壓器不僅起隔離作用，還起儲(chǔ)能電感作用。4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理49PPT課件SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程?S開(kāi)通，VD截止，W1電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。負(fù)載由電容供電。?S關(guān)斷，W1電流被切斷，變壓器磁場(chǎng)能量通過(guò)W2和VD向輸出端釋放，提供負(fù)載能量，電容充電。反激：電源能量是在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間傳遞到負(fù)載側(cè)的。4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理50PPT課件SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程?開(kāi)關(guān)器件承受的電壓為4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理51PPT課件SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆工作模式?S開(kāi)通時(shí)，W2中電流尚未下降到零，則稱工作于電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關(guān)系為4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理52PPT課件注意：電路一般工作在電流斷續(xù)模式，否則會(huì)使變壓器鐵心利用率下降。但是負(fù)載為零的極限情況下，，所以應(yīng)該避免負(fù)載開(kāi)路狀態(tài)。

SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO◆工作模式?S開(kāi)通前，W2中電流已經(jīng)下降到零，則稱工作于電流斷續(xù)模式。4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理53PPT課件◆電路特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量少，成本低，小功率開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用。尤其是多電源輸出時(shí)。變壓器利用率低，開(kāi)關(guān)器件承受的電流峰值大，不適用于較大功率的開(kāi)關(guān)電源。4.3.2反激變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理54PPT課件◆電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)變壓器有中心抽頭。二極管既做整流，又做續(xù)流?？煽醋鳛閮蓚€(gè)單端正激組合而成，常用于多端輸出電路。4.3.3推挽型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理55PPT課件◆工作過(guò)程兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通。S1導(dǎo)通時(shí)，VD1也導(dǎo)通，L電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時(shí)，VD2處于通態(tài)，L電流也逐漸上升。4.3.3推挽型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，承受2倍電源電壓。56PPT課件?S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次繞組短路，因此應(yīng)避免，每個(gè)開(kāi)關(guān)占空比不能超過(guò)50%，還要留有死區(qū)。

◆輸出電壓?當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于電流連續(xù)時(shí)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下

4.3.3推挽型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理57PPT課件電路特點(diǎn)輸入回路只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通壓降小。后面的半橋和全橋電路都是兩個(gè)開(kāi)關(guān)，所以通態(tài)損耗小，適合輸入電壓較低的電源。開(kāi)關(guān)器件承受2倍電源電壓。兩個(gè)開(kāi)關(guān)性能不完全相同，兩個(gè)半周期工作情況不完全對(duì)稱，有偏磁問(wèn)題。4.3.3推挽型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理58PPT課件4.3.4半橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電源側(cè)兩個(gè)大電容兩個(gè)開(kāi)關(guān)與電源串接59PPT課件4.3.4半橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理◆工作過(guò)程?S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開(kāi)關(guān)占空比，可改變二次側(cè)整流電壓ud平均值，即改變了輸出電壓Uo。?S1導(dǎo)通時(shí)，VD1導(dǎo)通；S2導(dǎo)通時(shí)，VD2導(dǎo)通。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都導(dǎo)通，各分擔(dān)一半的電流。60PPT課件?S1或S2導(dǎo)通時(shí)L電流逐漸上升；?兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，L電流逐漸下降；?

S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。?由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。4.3.4半橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理61PPT課件◆輸出電壓

?濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)

?輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于連續(xù)時(shí)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下4.3.4半橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理62PPT課件◆電路特點(diǎn)

變壓器利用率高，無(wú)偏磁問(wèn)題；與全橋電路比，開(kāi)關(guān)器件少，但器件承受電壓高；用于數(shù)百瓦至數(shù)千瓦的電源。4.3.4半橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理63PPT課件4.3.5全橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理◆電路結(jié)構(gòu)?互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。64PPT課件4.3.5全橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理◆工作過(guò)程?互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。65PPT課件?當(dāng)S1與S4開(kāi)通后，VD1和VD4導(dǎo)通，L電流逐漸上升。?當(dāng)S2與S3開(kāi)通后，VD2和VD3導(dǎo)通，L電流也上升。?4個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，4個(gè)二極管都導(dǎo)通，各分擔(dān)一半電感電流，L電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。4.3.5全橋型變換電路的結(jié)構(gòu)及工作原理66PPT課件?如S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓uT中含有直流分量，在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，可在一次側(cè)回路串一電容，阻斷直流電流。?為避免同一側(cè)