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电力
电子技术
- 资源描述：
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电力电子技术,电力,电子技术
- 内容简介：
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6.1 概述,6.2直流斩波器的控制,6.3 降压斩波器（BUCK斩波器）,6.4 升压斩波器（BOOST斩波器）,6.5升/降压斩波器（Buck-Boost斩波器）,第六章 开关模式的直流斩波器,6.6 Ck 直流斩波器,6.7 全桥直流斩波器,6.8 直流斩波器的比较,小结,下 页,返回,第六章开关模式的直流斩波器,6.1 概述,开关模式的直流斩波器广泛用于直流电机的驱动和直流供电系统之中。斩波器的输入电压通常是未经调节的直流电压。,第六章开关模式的直流斩波器,降压斩波器Buck斩波电路升压斩波器Boost斩波电路降压/升压斩波器Buck-Boost斩波电路Ck斩波器全桥斩波器,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.2 直流斩波器的控制,开关模式的DC-DC斩波器是利用一个或多个开关将某个直流电压等级转换成另一个电压等级。,直流输入电压是给定的，通过开关器件的导通和关断持续时间（ton和toff）的控制实现输出电压平均值。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,输出电压u0的平均值U0取决于ton和toff。控制输出电压的方法之一是保持开关频率为一个恒定值，,脉宽调制技术,开关周期保持不变，然后再调节开关导通的持续时间，以此控制输出电压的平均值。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,占空比,开关在一个开关周期中的导通时间与整个开关周期之比。,在恒频开关模式下，开关控制信号将电压控制信号uctr与一个重复波形进行比较，然后将比较后的信号经放大后作为开关控制信号，控制开关的通断。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据图中uctr和锯齿波的峰值Ust.m可知，开关占空比为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3 降压斩波器（BUCK斩波器）,降压斩波电路的平均输出电压比它的输入电压Ud低，它主要用于调节直流电源的输出，或调节直流电动机的转速。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据开关的占空比计算降压斩波器基本电路的平均输出电压：,将式 带入到上式得：,k=Ud /Ust.m,只要改变占空比ton /Ts，就能够改变输出电压U0。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,降压斩波器存在两点问题,实际负载可能是感性的。即使在纯电阻负载情况下，连接线路中总会有杂散电感存在，这表明电路中的开关应能吸收或耗散掉感性能量，这样有可能会损坏开关。输出电压在0Ud之间波动。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,通过图中的二极管解决储存的感性能量，通过一个电感和电容构成的低通滤波器来解决大部分输出电压的波动问题。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,没有低通滤波器时斩波器的输出电压波形除了有一个直流电压U0外，还含有随开关频率fs波动的谐波，以及它的倍数次谐波，低通滤波器带有衰减特性。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在开关闭合期间，图中的二极管变为反向偏置，此时，输入电源将能量送到负载和电感中。在开关断开时，电感中的电流则经过二极管将它所储存的能量转移到负载中。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在降压斩波电路中，电感中的平均电流等于平均输出电流I0，因在稳定运行状态下，流过电容的平均电流为零。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3.1 连续导通模式,连续导通模式电感中的电流连续，即 iL(t)0。当开关闭合时，并假定闭合的持续时间为ton，则电感电流通过开关，并对二极管形成反偏。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,电感上的电压uL=Ud -U0为正，这个电压使电感电流iL线性增加。,当开关处于断开状态时，电感电流iL继续保持流动，这个电流此时是经过二极管形成通路，如图所示，此时的电感电压uL=U0。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,稳态运行波形每个周期的波形重复，电感电压uL(t)在一个周期内的积分为零。考虑到Ts=ton+toff，该积分可表示为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,或,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,上式可由uoi的平均值推得。假设电感电压的平均值为零，在稳定运行条件下的电感电压平均值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,经移项后可得，U0 /Ud =ton /Ts=D若所有的电路器件都不存在损耗，则Pd=P0因此Ud Id=U0 I0，整理后得：,电流连续模式下的降压斩波器相当于一个直流变压器，匝数比可通过开关占空比的控制调节。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3.2 开关的连续与断续导通边界,当电感电流iL(t)下降到零时，正好对应关断周期的结束。则有：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,断续,当Ts、Ud、U0、L和D的值给定时，如果输出电流，或平均电感电流小于下式的ILB时，则iL(t)将变得不连续。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3.2.1 Ud保持不变时的断续导通模式,6.3.3 电流断续导通模式,因U0 =DUd，在式表示的临界连续导通模式下，平均电感电流为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,由上式 看出，在连续导通模式下，当D=0.5处时，输出电流达到它的最大值：,由上两式导出：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,假定斩波器在给定的Ts、Ud、L和D一组参数下处于图中所示连续导通模式的临界状态，且所有这些参数均保持不变，则当输出负载减小时平均电感电流将下降。此时U0将增加，同时出现电感电流的断续。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在D2Ts的时间段内，电感电流、电感电压均为零，负载电阻所需的功率由滤波电容提供。此时有：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,由图可知：,所以,由上两式可得到：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,考虑到式 的关系有：,将式 带入上式后得：,最后可得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据式 和 导出：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,Ud保持恒定时，降压斩波器在两种模式下的运行特性。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3.2.2 Ud保持为常数时的断续导通模式,因Ud =U0 /D，在连续导通模式的边界处，平均电感电流可由式,推得：,保持U0为常数，在D=0时ILB为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,由式 和,推得：,得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,U0为常数、Ud /U0取不同值时，占空比D随I0 /ILB.max变化的曲线。,连续运行模式和断续运行模式的边界则由式ILB= (1-D)ILB.max确定。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.3.4 输出电压的纹波,设iL中的所有纹波分量都流经电容，平均电流分量流经负载电阻。纹波电压的峰-峰值DU0为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,借助图中在关断时间段toff内的关系表示DIL的值：,由上式和 得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,进一步推得：,式中, fs=1/Ts,通过合适地选择输出端低通滤波器的转折频率fc就可减小输出电压纹波，此处只要满足fc0。电感电压在一个开关周期内对时间的积分应为零:,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,假设电路不存在损耗，即Pd=P0，或Ud Id=U0 I0，由此可得：,对式 等号两端同除以Ts ，并经重新整理后得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.4.2 连续和断续导通模式的边界,临界状态下的关断时间终点时刻，电流iL降为零。临界状态的电感电流平均值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,因：,所以 可表示为：,升压斩波器的电路中id=iL，根据上两式，临界导通模式下的平均输出电流为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,当D=0.5时，ILB达到最大值ILB.max：,应用中，升压斩波器的输出电压U0保持不变，占空比D不断变化，输入电压不断改变。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,当D=1/3=0.333时, IoB的最大值为：,IoB的最大值为：,ILB的最大值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.4.3 升压斩波器的断续导通模式,Ud和D保持不变时连续导通边界处的波形,Ud和D保持不变时断续导通边界处的波形,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,令电感电压在一个开关周期的积分值为零：,移项整理后可得：,因Pd =P0，所以：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,斩波器的平均输入电流等于电感电流，其表达式为：,将上式代入到式 中得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在电流断续模式下，如果在每个开关周期都不对U0进行控制，那么电感中的能量为 ：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在某一升压斩波器中，欲采用占空比来调节输出电压U0，并使之维持在48V。设斩波器输入电压的波动较大，波动范围为1236V，负载所需的最大输出功率为120W。为保证系统的稳定性，要求斩波器总是以电流断续的方式运行。已知开关频率为50kHz，同时假设所有电路器件均为理想器件，电容C可认为足够大。试根据以上条件计算电感L的值最大能达到多少？,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,解,由给定条件知：U0=48V，Ts=20ms，I0.max=120W/48V=2.5A。根据题意，所求的最大电感值就是要保证电流为断续工作模式，为此，可先假设电感电流处于连续导通的临界状态。,由于斩波器输入电压Ud的波动范围为1236V，在临界连续导通模式下，要求占空比D在0.750.25之间变化。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在0.750.25之间变化范围内，将IoB的最小值D=0.75代入下式：,令所得值为输出电流的最大临界值IoB.max=2.5A，因此，所求电感值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.4.4 器件的寄生效应,升压斩波器中，器件的寄生效应与电路中电感、电容、开关以及二极管的损耗有关。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.4.5 输出电压的纹波,设二极管电流iD的所有纹波分量都从电容流过，平均电流从负载电阻通过，假设输出电流保持恒定，则电压纹波的峰-峰值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,令时间常数t =RC，并将电压波动用输出电压为基数的标幺值来表示，则,可写为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5 升/降压斩波器（Buck-Boost斩波器）,Buck-Boost斩波器主要用于直流电源的调节，这种斩波器具有负极性输出端，其输出电压的幅值可以比输入电压高，也可以比输入电压低。Buck-Boost斩波器可以由两个基本的降压和升压斩波电路级联而成，若两个斩波器的占空比相同，则总的输出电压与输入电压之比即为这两个基本斩波器输出与输入电压之比的乘积。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,随着占空比D的变化，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,当开关闭合时，电感从电源得到能量，此时二极管由于反偏而处于截止状态；,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5.1 连续导通模式,电感电流在连续导通模式下的关波形,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,稳态运行条件下，电感电压在一个开关周期的积分为零，因此有：,经移项整理后得：,假定输入功率Pd等于输出功率P0，还可推导出：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5.2 Buck-Boost斩波器的连续和断续导通边界,开关关断时间结束时，电感电流iL(t)为零。平均电流为：,稳态运行时，电容电流的平均值为零:,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,平均电感电流为：,平均输出电流为：,D=0时ILB的极大值为：,D=0时IoB的极大值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,可得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,输出电压U0保持恒定不变时，ILB和IoB随D变化的曲线。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5.3 断续导通模式,令电感电压在一个开关周期的积分值为零：,经整理后得：,根据输入功率等于输入功率的概念：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据右图可推出：,因U0为常数，根据前面各关系式，可得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在不同U0 /Ud下占空比D随电流比I0 /IoB.max变化的曲线。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,已知某一Buck-Boost斩波器的开关频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容足够大，输入电压Ud =15V。现欲将输出电压维持在10V，并给负载提供10W的功率。试计算此时的占空比D=?,可得：,解,解得: D=0.4,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,将D=0.4代入式 可得:,将D=0.4和IoB.max=5A 代入式IoB=IoB.max(1-D)2得：,因实际输出电流I0=1A，它小于IoB=1.8A，实际运行电流为断续，以上临界初始估算值不符合实际情况。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在电流断续模式下，应用式 得实际所求的占空比为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5.4 断续导通模式,器件的寄生特性对斩波器的电压转换比和反馈调节的稳定性有很大影响。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.5.5 输出电压的纹波,假设输出电流保持恒定，则纹波电压的峰-峰值为：,经移项和整理后得：,式中t =RC为时间常数,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,稳定运行条件下，由于电感电压UL1和UL2在一个开关周期的积分值为零，因此有：,UC1=Ud +U0,6.6 Ck 直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,假设电容电压UC1稳定，根据电感L1、L2在一个开关周期上的平均电压为零的概念，于是得到：,经整理后有:,经整理后有:,解释Ck斩波器原理的第一种方式,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,因此，,设Pd=P0，用Id表示 IL1、I0表示IL2，因此有：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,假设电感电流iL1和iL2均为平稳电流。当开关处于断开状态时，传递到C1中的电荷等于IL1(1-D)Ts；当开关处于闭合状态时，电容的放电量则为IL2DTs。稳定运行条件下，一个开关周期中流动的平均净电荷为零，因此有：,解释Ck斩波器原理的第二种方式,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,由于输入功率等于输出功率，还可得:,采用Ck电路的优点是输入电流和输出级的电流中基本上不含有纹波，在Ck电路中就有可能完全消除iL1和iL2的纹波，从而能有效地降低外部滤波电路的要求。Ck电路的缺点是电容C1要足够大，使之能完全吸收纹波电流的能量。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,设某一Ck电路的开关频率为50kHz，L1=L2=1mH，C1=5mF。已知输出电容已足够大，使输出电压能维持恒定。现利用Ck电路将输入电压为Ud=10V调节到输出电压为U0=5V，负载功率为5W，同时假设电路中的所有器件均为理想器件。现分别假设C1两端电压为恒定值，或假设电感电流iL1和iL2为恒定值时，试分别计算两种方法所得到的结果各为多少？并计算它们的偏差。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,解,设电容电压为恒定值，由式UC1=Ud +U0有： uC1(t)=UC1=10+5=15V,假设电流连续，根据式 可得：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据式 可得到在开关的断开时间段内电流的波动幅值分别为：,由于UC1 Ud =U0，在L1=L2的条件下，会出现DiL1=DiL2的情况。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,因DiL1Id(=IL1)，DiL2 utri时，TA+和TB-触发导通，否则TA-和TB+触发导通。,第六章开关模式的直流斩波器,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,若任意选定一个图示的时间起点，则对应的占空比可表示为：,式中，Utri.m表示三角波的极值。在上图中，当t=t1时，utri =uctr，根据上式可知：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,开关对1（TA+、TB-）的导通持续时间ton为：,根据上式可导出开关对1的占空比为：,开关对2（TB+、TA-）的占空比为：,D2=1D1,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据已求占空比和式,可得UAN和UBN以及对应的输出电压：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,得：,式中，k=Ud /Utri.m （常数）,开关模式的斩波器与单个开关的斩波器平均输出电压均与输入控制信号成线性关系，相当于是一个线性放大器。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,输出电压u0的波形在+Ud和-Ud之间跳变。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,双极性PWM全桥斩波器的输出电压U0可在-UdUd之间连续变化，且该输出电压与输出电流i0无关。双极性PWM全桥斩波器，平均输出电流I0既可以为正，也可以为负。当I0的值比较小时，i0在一个周期的值可能会出现有正有负的情况。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.7.2 单极性PWM开关模式,当TA+和TB+同时处于通态，则无论电流i0的方向如何，输出电压u0为零。,当TA-和TB-同时处于通态时，输出电压为零。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,uctr与utri的比较结果用于桥臂A的控制。-uctr与utri的比较结果用于桥臂B的控制。输出方式为：若uctrutri，触发TA+ 若-uctrutri，触发TB+,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,开关TA+的占空比D1由式 确定。,开关TB+的占空比D2由式D2=1D1确定。,输出电压为：,在单极性PWM开关模式下，平均输出电压U0与双极性PWM开关模式的输出电压表达式是一样的，且都是与uctr呈线性关系。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,在全桥直流斩波器中，已知输出电压Ud为常数，现欲通过改变占空比来调节输出电压。若以平均输出电压U0为变量，在单极性和双极性PWM两种开关模式下，试计算输出电压中的纹波电压有效值Ur =?,解,双极性PWM开关模式：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,输出电压u0的波形不受uctr /Utri.m比值的影响，输出电压的有效值为： U0.rms = Ud,输出电压的平均值U0可直接由下式求得。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据有效值的定义和式U0.rms = Ud 、U0=(2D1-1)Ud的关系，输出电压的纹波为：,随着D1从0逐渐增加到1，U0也会由-Ud逐渐过渡到Ud。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,单极性PWM开关模式：,图中的时间间隔为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,根据上图uctr 0时输出电压u0的波形和式,输出电压的有效值为：,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,可得单极性PWM开关模式下输出电压中纹波电压的有效值为：,式中，uctr 0，0.5D11,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,当uctr /Utri.m比值由0过渡到1时，D1由0.5过渡到1.0。 单极性PWM的输出电压中所含有的纹波分量要小于双极性PWM输出的纹波。,当uctr /Utri.m比值在-1.00之间变化时，也可以得到对应的变化曲线。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,6.8 直流斩波器的比较,降压、升压、Buck-Boost和Ck斩波器的基本结构都能保证在一个方向上的能量传递。 全桥斩波器在两个方向上传输能量，可用于直流交流的转换，作为逆变器使用。,下 页,上 页,返 回,第六章开关模式的直流斩波器,假设,平均电流为额定电流值I0，即是最大设计值。电感中的纹波电流忽略不计，即iL(t)=IL。输出电压u0已达
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