第五章斩控调压电路 二 斩波器的工作原理 一 概述 三 直流斩波器的主要类型及电量分析 四 复合斩波电路和多重多相斩波电路 直流斩波电路 DCChopper 用于将不可控直流电源变换成适合于负载要求的可控直流电源 也称为直流电压变换器 DC DCConverter 一般指直接将直流电直接变为另一直流电 不包括直流 交流 直流 输入输出用脉冲变压器隔离 一 概述 二 斩波器的工作原理 二 斩波器的工作原理 将固定直流变成脉冲输出 调节脉冲宽度即可调节输出平均电压 斩波器的工作原理 斩波电路的电能转换与传递由电力电子开关控制 控制的主要方式为 U 脉冲宽度调制PWM 开关元件具有理想的开关特性 储能元件足够大 斩波器为无损电能变换器 负载为RC并联模型 时间常数即稳态时端电压不变 4 采用定频调宽方式实现占空比调节 三 直流斩波器的主要类型及电量分析 1 主要类型 按电能变换功能分为 2 电量分析 为了简化分析 假设 升降压型 1 降压型直流斩波器 BuckChopper a 主电路 1 为了降低输出纹波 加入电感L和电容C滤波 VD为续流二极管 2 电路工作中通过电感的电流iL是否连续取决于S的开关频率和L C的数值 3 假设开关频率和L C的数值都很大 电路稳态工作时iL连续 Ud值为定值 1 降压型直流斩波器 BuckChopper b 工作过程分析 降压型直流斩波器 Buck电路 c 数量关系 降压型直流斩波器 Buck电路 c 数量关系 对于降压型斩波器而言 电源电流为脉动断续电流 供电方式为脉冲供电方式 但负载电流可以是连续且平稳的 降压型直流斩波器在直流电动机拖动系统中的应用 2 升压型直流斩波器 BoostChopper a主电路 保持输出电压 储存电能 为了实现升压变换和能量传递 在脉冲升幅斩波电路和负载之间接一逆止二极管VD 假设L和C值很大 V导通时 电源E向电感L充电 电流恒定I1 电容C向负载R供电 输出电压Uo恒定 V处于关断时 电源E和电感L同时向电容C充电 并向负载提供能量 2 升压型直流斩波器 BoostChopper b工作原理 升压型直流斩波器 BoostChopper 升压型直流斩波器 BoostChopper V通时 E向L充电 充电电流恒为I1 同时C的电压向负载供电 因C值很大 输出电压uo为恒值 记为Uo 设V通的时间为ton 此阶段L上积蓄的能量为 V断时 E和L共同向C充电并向负载R供电 设V断的时间为toff 则此期间电感L释放能量为 c数量关系 升压型直流斩波器 BoostChopper 稳态时 一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 化简得 数量关系 升压型直流斩波器 BoostChopper 数量关系 升压型直流斩波器 BoostChopper 数量关系 升压型斩波器电源电流为脉动电流 以上讨论中假定电流是连续的 由于逆止二极管VD的作用 电流断续时仍能实现电能变换功能 对于RC并联负载 负载电流也是脉动直流 是断续受电状态 电流中的交流成分通过电容C 直流成分通过电阻R 结论 以上分析中 认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变 但实际C值不可能无穷大 在此阶段其向负载放电 Uo必然会有所下降 故实际输出电压会略低 升压型直流斩波器 BoostChopper 升压型直流斩波器在直流电动机拖动系统中的应用 3 极性反转型斩波器 Buck Boost电路 a主电路 又称为升降压型斩波器 极性反转型斩波器 Buck Boost电路 b基本工作原理 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 uL E uL uo 极性反转型斩波器 Buck Boost电路 极性反转型斩波器 Buck Boost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 所以输出电压为 数量关系 V处于通态期间uL E V处于断态期间uL uo 极性反转型斩波器 Buck Boost电路 结论 改变占空比D 输出电压既可以比电源电压高 也可以比电源电压低 当0 D 1 2时为降压 当1 2 D 1时为升压 因此将该电路称作升降压斩波电路 极性反转型斩波器 Buck Boost电路 图中给出了电源电流i1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 由上两式可得 结论 其输出功率和输入功率相等 可看作直流变压器 降压斩波器 升压斩波器 升降压斩波器 4 丘克电路 Cuk电路 Cuk斩波电路 电容为电场储能元件 也可以构成直流斩波器 实现能量的储存与传递 实现直流电能的斩波变换 这种电路称为丘克电路 可以获得稳定的输出电流 4 丘克电路 Cuk电路 图Cuk斩波电路及其等效电路a 电路图b 等效电路 V通时 E L1 V回路和R L2 C V回路分别流过电流 V断时 E L1 C VD回路和R L2 VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反 等效电路如图 b 所示 相当于开关S在A B两点之间交替切换 丘克电路 Cuk电路 稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零 也就是其对时间的积分为零 即 在图 b 的等效电路中 开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton 则电容电流和时间的乘积为I2ton 开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff 则电容电流和时间的乘积为I1toff 丘克电路 Cuk电路 稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零 也就是其对时间的积分为零 即 从而可得 丘克电路 Cuk电路 同理可得出输出电压Uo与电源电压E的关系 上述输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同 优点 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 直流斩波器分析几点注意 L和C的值都很大 保证C两端的电压基本不变 过L的电流基本不变 关系推导分析时将其过L电流和C两端电压两者都视为常定值 实际工作时有小的脉动电路工作时分析的是稳态 L与C中已经储存了一定量的能量 在一个周期内两者从电源吸收的能量等于释放的能量 分析时所有的元件都是无损耗元件 电源提供的能量都被负载消耗 降压斩波器 升压斩波器 升降压斩波器 升降压斩波器 Cuk斩波电路 升降压斩波器 PWM控制 uc载波 uk调制波uk uc时V导通 四 复合斩波电路和多重多相斩波电路 1电流可逆斩波电路2桥式可逆斩波电路3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 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 1 电流可逆斩波电路 正向电动 反向电动 正向回馈 转速反向 正向能耗 反向能耗 电枢反接 反向回馈 Ia T n 降压斩波电路 升压斩波电路 复合斩波电路 电路结构 a 电路图 V1和VD1构成降压斩波电路 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 电动机作再生制动运行 工作于第2象限 必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路 电流可逆斩波电路及波形 1 电流可逆斩波电路 a 电路图 工作过程 三种工作方式 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 当一种斩波电路电流断续而为零时 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 电路响应很快 电流可逆斩波电路及波形 1 电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 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 桥式可逆斩波电路 使V4保持通时 等效为图所示的电流可逆斩波电路 提供正电压 可使电动机工作于第1 2象限 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 2 桥式可逆斩波电路 3多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路 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 图7 93相3重斩波电路及其波形 本章介绍了4种基本斩波电路 其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种 对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心 也是学习其他斩波电路的基础 因此 本章的重点是 理解降压斩波电路 升压斩波电路和升降压电路的工作原理 掌握这两种电路的输入输出关系 电路解析方法 工作特点 另外还简要介绍了多重斩波电路基本工作原理 第5章小结