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直流斩波电路分析
第十二讲直流斩波电路分析
直流斩波电路(DCChopper):
Ø将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电
Ø也称为直接直流--直流变换器(DC/DCConverter)
Ø一般是指直接将直流电变为另一直流电,不包括直流—交流—直流
Ø习惯上,DC—DC变换器包括以上两种情况,且甚至更多地指后一种情况
直流斩波电路的种类
Ø6种基本斩波电路:
降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电
路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,其中前两种是最基本的电路
Ø复合斩波电路——不同基本斩波电路组合
Ø多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合
12.1基本斩波电路
重点介绍最基本的两种基本电路---降压斩波电路和升压斩波电路
12.1.1降压斩波电路
v
斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中EM所示
图3-1降压斩波电路的原理图及波形
a)电路图b)电流连续时的波形c)电流断续时的波形
工作原理
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时刻控制V关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大
数量关系
电流连续时,负载电压平均值
ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比
Uo最大为E,减小占空比a,Uo随之减小。
因此称为降压斩波电路。
负载电流平均值
电流断续时,Uo被抬高,一般不希望出现
斩波电路三种控制方式(根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分)
ØT不变,变ton—脉冲宽度调制(PWM)
Øton不变,变T—频率调制
Øton和T都可调,改变占空比—混合型
基于“分段线性”的思想,对降压斩波电路进行分析
V通态期间,设负载电流为i1,可列出如下方程:
(3-3)
设此阶段电流初值为I10,=L/R,解上式得
(3-4)
V断态期间,设负载电流为i2,可列出如下方程:
(3-5)
设此阶段电流初值为I20,解上式得:
(3-6)
当电流连续时,有:
(3-7)
(3-8)
即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值,反过来,V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。
由式(3-4)、(3-6)、(3-7)、(3-8)得出:
(3-9)
(3-10)
式中:
;;
由图3-1b可知,I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。
把式(3-9)和式(3-10)用泰勒级数近似,可得
(3-11)
上式表示了平波电抗器L为无穷大,负载电流完全平直时的负载电流平均值Io,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
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,负载一直在消耗能量,消耗的能量为
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,即
(3-12)
则
(3-13)
在上述情况中,均假设L值为无穷大,负载电流平直的情况。
这种情况下,假设电源电流平均值为I1,则有
(3-14)
其值小于等于负载电流Io,由上式得
(3-15)
即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。
负载电流断续的情况:
I10=0,且t=tx时,i2=0,利用式(3-7)和式(3-6)可求出tx为:
(3-16)
电流断续时,tx (3-17) 对于电路的具体工况,可据此式判断负载电流是否连续。 在负载电流断续工作情况下,负载电流一降到零,续流二极管VD即关断,负载两端电压等于EM。 输出电压平均值为: (3-18) Uo不仅和占空比a有关,也和反电动势EM有关。 此时负载电流平均值为 (3-19) 12.1.2升压斩波电路 1.升压斩波电路的基本原理 v工作原理 Ø假设L值很大,C值也很大 Ø 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 Ø 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 Ø稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 (3-20) 图3-2升压斩波电路及其工作波形 a)电路图b)波形 化简得: (3-21) ,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。 也称之为boost变换器 ——升压比,调节其大小即可改变Uo大小,调节方法 与3.1.1节中介绍的改变导通比a的方法类似。 将升压比的倒数记作b,即。 b和导通占空比a有如下关系: (3-22) 因此,式(3-21)可表示为 (3-23) 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住 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 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 (3-24) 该式表明,与降压斩波电路一样,升压斩波电路也可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式(3-23)得出输出电流的平均值Io为 (3-25) 由式(3-24)即可得出电源电流I1为: (3-26) 2.升压斩波电路的典型应用 Ø一是用于直流电动机传动 Ø二是用作单相功率因数校正(PFC)电路 Ø三是用于其他交直流电源中 图3-3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时 通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 实际电路中电感L值不可能为无穷大,因此该电路和降压斩波电路一样,也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态 此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源,而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。 由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器。 电路分析 V处于通态时,设电动机电枢电流为i1,得下式 (3-27) 式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。 设i1的初值为I10,解上式得 (3-28) 当V处于断态时,设电动机电枢电流为i2,得下式: (3-29) 设i2的初值为I20,解上式得: (3-30) 当电流连续时,从图3-3b的电流波形可看出,t=ton时刻i1=I20,t=toff时刻i2=I10,由此可得: (3-31) (3-32) 由以上两式求得: (3-33) (3-34) 与降压斩波电路一样,把上面两式用泰勒级数线性近似,得 (3-35) 该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io,即 (3-36) 该式表明,以电动机一侧为基准看,可将直流电源看作是被降低到了。 当电枢电流断续时的波形如图3-3c所示。 当t=0时刻i1=I10=0,令式(3-31)中I10=0即可求出I20,进而可写出i2的表达式。 另外,当t=t2时,i2=0,可求得i2持续的时间tx,即 (3-37) 当tx (3-38) 根据此式可对电路的工作状态作出判断。 12.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 1.升降压斩波电路 设L值很大,C值也很大。 使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。 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 图3-4升降压斩波电路及其波形 a)电路图b)波形 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 (3-39) 当V处于通态期间,uL=E;而当V处于断态期间,uL=-uo。 于是: (3-40) 所以输出电压为: (3-41) Ø改变导通比a,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。
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