《新能源汽车电力电子技术》电子教案 项目四 任务五 直流斩波电路认知及检测

《新能源汽车电力电子技术》教案PAGEPAGE14课题直流斩波电路认知及检测教学目标能力目标1.能够根据需求设计和搭建斩波电路，调试实现所需功能。2.能够使用仪器对斩波电路进行性能测试，并分析测试结果。3.能够识别和排除斩波电路中的故障，并进行维修。知识目标1.掌握直流斩波电路的用途及分类。2.掌握升压斩波电路及其工作原理。3.掌握降压斩波电路及其工作原理。素质目标1.严谨细致，在电路搭建和测试过程中保持严谨细致，确保每一步操作的准确性。2.科学态度，具备科学的工作态度，注重实验的规范性和数据的可靠性。教学重点能够识别和排除斩波电路中的故障，并进行维修。教学难点升压斩波电路和降压斩波电路的工作原理。教学准备投影仪、电阻、电容、电源、二极管、晶体管、电感、示波器、导线、万用表、函数发生器、电器实验设施、实训工作台、教材。课型理实一体课授课课时2课时教学过程教学内容教学方法与手段时间一、导入某新能源汽车公司推出了一款新型电动车型，采用直流斩波电路来调节电机的速度和实现再生制动功能。在实际使用中，发现车辆在某些工况下出现电机转速不稳定和再生制动效率低的问题。为了解决这些问题，工程团队对直流斩波电路进行了详细的调试与维修。如何诊断斩波电路优劣，判断斩波电路是否工作正常，会调试斩波电路是本任务主要内容。讲授法；多媒体课件2分钟二、教学实施1、资讯一、直流斩波电路的用途和分类1.直流斩波电路的用途采用直流电动机驱动的电力牵引(如地铁、电动车、无轨电车等)和传动系统其调速装置的调速性能与直流电源的性能密切相关，直流斩波变换技术可使直流输出电压脉动更小、纹波更低，从而使直流传动装置的稳态性能和动态性能得到进一步提高。高频开关电源可使直流电源的体积减小、质量大幅度减小、效率明显提高。使用开关电源技术的逆变焊机不仅减小了设备的体积和质量、提高了电源的效率，而且使焊接质量明显提高。直流电源的应用越来越广泛，对直流电压的规格和性能要求也越来越高，同时电力电子应用技术不断向两端发展，一方面向更低电压领域拓展，另一方面向更高电压领域延伸。2.直流斩波电路的分类在直流斩波电路中，电力电子开关器件的阳极都在正的直流电压下工作，触发导通很容易。但若采用普通晶闸管作为开关器件，则必须设置换流关断附加电路；若采用自关断电力电子开关器件，则它的关断靠门极(即控制极)控制，其主电路简单、效率高。不论是由普通晶闸管类半控型器件，还是由具有自关断电力的全控型器件组成的直流斩波电路，都由直流电源、斩波器和负载3个基本部分组成，其中负载可以是电阻性负载，也可以是感性或反电动势负载。直流斩波电路能将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能，这些电参数包括直流电幅值、直流电极性、直流电阻抗。目前主要用脉冲调制实现输出电压的控制，调制方法主要有脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种，其中脉冲宽度调制应用比较广泛。二、升压斩波电路及其工作原理1.升压斩波电路的组成升压斩波电路如图4-5-1所示。其中，L和C分别为电感量很大的储能电感和电容量很大的储能电容。当斩波器CH开通时，电源向电感充电，此时电感的自感电动势为左正右负，同时电容C向负载R放电。此时，隔离二极管因受电容反向电压而关断。当斩波器CH关断时，电感L中的电流维持原来的方向不变，其自感电动势改变极性，变为左负右正，并和电源正向叠加向电容充电，同时向负载供电。斩波器导通时存储在电感中的能量便释放到负载和电容上。此时隔离二极管受正压而导通。升压斩波电路的电压和电流波形如图4-5-2所示。图4-5-1升压斩波电路图4-5-2升压斩波电路的电压和电流波形2.升压斩波电路的工作原理在ton期间，电源电压U加在电感L上，电流I1由线性上升至I2，此时有U=LI2-在tOFF期间，电流由I2线性下降至U-Ud=LI比较式（4-5-1）、式（4-5-2），可得Uton=Ud-UtQUOTEUd=Lton+toFFtoFF因为α<1，故由式（4-5-4）可知，UdId=UdR升压斩波电路主要应用于直流电机传动、单相功率因数校正(powerfactorcorrection，PFC)电路及其他交直流电源中。当升压斩波电路用于直流电机传动时，通常所起的作用是在直流电机再生制动时把电能回馈给直流电源。由于实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路有电机电枢电流连续和断续两种工作状态。还需要说明的是，此时电机的反电动势相当于图4-5-1电路中的电源，而此时的直流电源相当于图4-5-1电路中的负载。由于直流电源的电压基本恒定，因此不必并联电容。对升压斩波电路分析如下：当可控开关VD处于导通状态时，设电机电枢电流为i1Ldi1dt+R式中，R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初始值为I1，解式（i1=I1e当VD处于断开状态时，设电机电枢电流为，可得iLdi2dt+R设i2的初始值为I2，解式（i2=I2e当电流连续时，从图4-5-2电路波形可以看出，在t=ton，t=T时刻I2=I1eI1=I2e由式（4-5-10）、式（4-5-11）可得I2=EmRI2=EmR式（4-5-12）、式（4-5-13）用泰勒级数线性近似，可得I2=I1=(m-β)ERL无穷大时电枢电流平均值I0I0=m-βER=E式（4-5-15）表明，以电机一侧为基准，可将直流电源看作是被降低至βE。当t=0时，I1=i1=0，通过以上公式可得出之的表达式。当t=t2时，i2tx=τln1-me当tx<tm<τln1-e-βρ1-三、降压斩波电路及其工作原理1.降压斩波电路的组成降压斩波电路也称降压斩波器，是一种输出电压的平均值低于直流输入电压的变换电路。图4-5-3所示为由一个开关组成的降压斩波电路，E为直流电压源，S为理想开关，R为阻性负载。2.降压斩波电路的工作原理从0时刻开始将开关S闭合，S开通的时间为ton。在此期间，直流电源电压E加到负载R上，此时R两端的电压U即为直流电源电压E，同时R中有直流电流i1流过；从ton时刻起将开关S断开一段时间toFF，这期间R两端电压为零，R中流过的电流也为零，之后让开关S以时间T=ton+tU0=τ1T0图4-5-3降压斩波电路由式（4-5-18）可知，当开关周期T不变时，如果改变S的开通时间，即改变矩形脉冲的宽度，则负载上的平均电压U，也随之改变。这种通过改变矩形脉冲宽度来改变负载输出直流电压的调压方式称为直流脉冲宽度调制(PWM)。将电路中的开关S换成全控型器件，那么对于已知的不同输出直流电压U，以及给定的开关周期T，应用式（4-5-18）可以准确求出全控型器件的开通和关断时刻，然后就可以以此为依据对电路进行控制，从而实现对输出直流电压的调节，这就是直流PWM控制的基本原理。此外，也可以保持开关器件的导通时间ton降压斩波电路常用于给直流电机供电，以构成高性能直流电机调速系统。这里以反电动势阻感负载为例来分析降压斩波电路的工作原理，电路如图4-5-5a所示。图中，E为直流电源，VT为全控型器件IGBT，续流二极管VD在IGBT关断期间为电感储存的能量提供释放通道，EM为反电动势，R、L、EM共同组成反电动势阻感负载。负载两端电压记为uo图4-5-4降压斩波电路的电压和电流波形图4-5-5带反电动势阻感负载的降压斩波电路及其波形3.降压斩波电路在负载电流连续时的工作原理假设图4-5-5a电路已工作在稳定状态，对电路采用PWM控制技术，波形如图4-5-5b所示，在0时刻给VT的栅极施加控制信号，VT导通，电源电压E通过VT作用到负载上，忽略VT的管电压降，负载两端的电压Uo就等于电源电压E，二极管VD处于反向偏置状态，此时电流流通路径为E→VT→L→R→EM→E由于流过电感的电流不能突变，负载电流io开始以指数规律上升，在此过程中，电源E向负载供电，电感开始储存能量。到t1时刻，使栅极控制电压为零，VT随之关断，此时负载电流i0开始通过VD续流，电流流通路径为L→R电感中储存的能量一方面给电源EM充电，另一方面由电阻消耗一部分。随着电感中能量的消耗，负载电流以指数规律下降，二极管VD续流期间两端的电压为零，因此，负载两端的电压U0变为零。到t2时刻，再一次使VT导通一段时间，然后再使其关断，使电路重复0~t2的工作过程。记VT导通的时间为ton，关断的时间为toff，则以T=ton+toff为周期不断开通和关断VT，负载上就会得到如图4-5-5b所示的电压和电流波形，图中I10负载上的平均电压UoUo=式中，α为导通比或占空比，α=tonT。由于ton<T由上面的公式可以看出，输出电压平均值Uo与α成正比，其最大值为E，因此将该电路称为降压斩波电路。由于稳态时一个周期T内电感L的储能为零，因此一个周期内电感两端的电压平均值也为零。电阻R两端的电压平均值就等于负载平均电压Uo与反电动势EMI0=Uo这里需要说明的是，如果电感足够大，则负载电流是一条平行于横轴的近似直线，且其幅值等于I04.降压斩波电路在负载电流断续时的工作原理在占空比不大且负载的电感L较小的情况下，在二极管续流期间有可能使电流断续。电流断续发生时续流二极管关断，此时负载两端的电压为反电动势电压EM，因此负载上电压和电流的实际波形如图4-5-5U0=与负载电流连续时的U0相比，负载电流断续时，反电动势的存在使得负载平均电压UI0=Uo四、升降压斩波电路及其工作原理1.升降压斩波电路的组成升降压斩波电路(buck-boostchopper)如图4-5-6a所示。其中E为直流电源，VT为全控型器件IGBT，二极管VD起续流作用，在全控型器件关断期间为电感L中储存的能量提供释放通道，负载电阻R两端的电压记为u0，流过全控型器件VT的电流记为i1，流过二极管的电流记为图4-5-6升降压斩波电路及其波形2.升降压斩波电路的工作原理同升压斩波电路一样，仍然分VT导通和关断两种情况分析图4-5-6a所示电路。设电路已工作于稳定状态，在零时刻给VT的栅极施加控制电压，则VT导通，此时电源E、VT、L构成导电回路，电感L开始储能，电流i1增加，二极管VD在电源E和电容C的共同作用下反向截止，电流i1之等于零。电容C向负载R供电，两端电压u0随电容储存能量的释放而下降。在t1时刻，使栅极电压等于零，则全控型器件VT立刻关断，电流i1立刻变为零。由于电感电流不能突变，电感两端产生感应电压，其极性为下正上负，使得二极管VD导通，此时电流流通路径为L→(C，R)→VD→L，电感L开始向电阻R和C释放储能，电容C在uL的作用下充电，此时之由初值i1(t1)开始下降，负载R两端的电压u0随着电容的充电而上升。记VT导通的时间为ton，VT关断的时间为toFF，则以T=ton下面将计算输出电压平均值U0，在VT开通期间，电感两端的电压UL=E，所储存的能量为EI1EI1ton因为通过电感L的电流值几乎不变，故有I2U0=由式(4-5-24)可知，当0<α<0.5时，U0≤E，输出电压降低;当0.5≤α<1时，U0≥E，输出电压升高，即输出电压随着占空比的变化既可以升高也可以降低，因此称此电路为升降压斩波电路。流过电阻III因此有I1=α1-五、DC/DC变换器在新能源汽车中的应用在新能源汽车的电子系统中，直流电源电压不可能满足性能各异、种类繁多的元器件对直流电源的电压等级、稳定性等的要求，因此，必须采用各种DC/DC功率变换装置来满足电子系统对直流电源的各种需求。常见的这种装置称为DC/DC变换器。DC/DC变换器(又称直流变压器)位于发动机舱内，如图4-5-7所示。作为新能源汽车动力系统中很重要的一部分，它的其中一个功能是为动力转向系统、空调以及其他辅助设备提供所需的电力；另一个功能是在复合电源系统中，与超级电容串联，起到调节电源输出、稳定母线电压的作用。图4-5-7DC/DC变换器1.DC/DC变换器的结构DC/DC变换器由箱体及电路板等主要部件组成，其中电路板上共有4个接线口，分别为低压输出负极、低压输出正极、低压控制端、高压输入端。DC/DC变换器的结构如图4-5-8所示。图4-5-8DC/DC变换器的结构2.DC/DC变换器的工作原理整车ON挡上电之后，通过低压控制系统唤醒整车控制系统，整车控制器给DC/DC变换器发送控制指令，DC/DC变换器开始工作。此时动力电池中的320V直流电经高压控制盒输送到DC/DC变换器，该高压电经过变换器内部的降压器、滤波器、整流器、振荡电路等一系列作用之后，形成一个14V左右的低压直流电，为低压蓄电池充电，同时供整车低压系统使用。DC/DC变换器的工作流程如图4-5-9所示。图4-5-9DC/DC变换器的工作流程目前，各个新能源汽车厂家配备的DC/DC变换器功率有1kW、1.2kW、1.5kW、2kW、2.5kW、3kW、5kW等规格。讲授法、情景教学法；多媒体课件、实物演示20分钟2、初步训练布置任务：1.升压斩波电路的搭建与测试2.降压斩波电路的搭建与测试分组讨论，小组交流：学生分成两组，依据布置的任务制定出任务实施计划，确定工作步骤和顺序，并进行交流。1.升压斩波电路的搭建与测试（1）按照图4-5-1搭建测试电路板，并连接电源。（2）调节占空比为最小值α，用万用表记录此时电源电压u和负载电压ud的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压ud，的波形和负载电流（3）调节占空比为0.5，用万用表记录此时电源电压u和负载电压ud的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压ud的波形和负载电流（4）调节占空比为最大值b，用万用表记录此时电源电压u和负载电压ud的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压ud的波形和负载电流2.降压斩波电路的搭建与测试（1）根据图4-5-3搭建电路，连接后检查电路是否有误。（2）调节占空比为最小值α，用万用表记录此时电源电压E和负载电压u0的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压u0的波形和负载电流i0的波形(电阻R（3）调节占空比为0.5，用万用表记录此时电源电压E和负载电压u0的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压u0的波形(电阻R两端的电压uR（4）调节占空比为最大值b，用万用表记录此时电源电压E和负载电压u0的数值，验证输出和输入的数量关系；同时用示波器观察记录负载电压u0的波形和负载电流i0的波形（电阻R讨论法、演示法；实物13分钟3强化训练3.升降压斩波电路的搭建与测试（1）根据图4-5-6搭建电路，连接后检查电路是否有误。（2）在开关管的G端接人脉冲输入信号，其脉冲占空比为30%。（3）接通电源，观察输入电压、输出电压幅值及uL和u（4）调节脉冲信号占空比至50%和70%，分别观察输入电压、输出电压幅值及uL和u（5）改变脉冲信号频率至5kHz，调节脉冲信号占空比为30%、50%、70%，分别观察输入电压、输出电压幅值及uL和u4.DC/DC变换器输出电压稳压精度(δu（1）用直流可变电源向DC/DC变换器先后输人额定直流电压、允许的最小电压和允许变化的最大电压。（2）调整直流可变负载，使上述3个不同输人电压下的可变直流负载的电流依次为额定值的0%、50%和100%，将各个条件下的输出电压值分别记入表4-5-1中。DC/DC变换器输出电压稳压精度(δu表4-5-1输出电压值直流输入直流电压/V输出电压/V空载50%额定电流100%额定电流额定值允许的最大值允许的最大值（3）根据表4-5-1中记录的输出电压变化的极限值(最大值和最小值)U和额定输出电压U0，即可由公式计算出不同直流输入电压条件下的稳压精度δ13分钟4、项目检查对学生完成的任务工单结果给予检查，且将检测结果与标准检测值对比。检查作业工单完成情况。项目教学法；实物演示12分钟5、总结评价对学生的表现和操作结果进行评价项目教学法；成果展示6分钟6、项目