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1、第七章 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.斩控式交流调压器,直流斩波电路(DC Chopper),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/DC Converter),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,一.概述,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：,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，
2、假设：,升降压型,1.降压型直流斩波器(Buck Chopper),a.主电路,加入电感L和续流二极管VD,形成直流通道，起滤波作用。,b.工作过程分析,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(Boost Chopper),原理图：,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。,升压型直流斩波器(Boost Chopper),升压型直流斩波器(Boost Chop
3、per),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：,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,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。,升压型直流斩波器(Boost电路),结
4、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),原理图：,又称为升降压型斩波器,极性反转型斩波器(Buck-Boost电路),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。,极性反转型斩波器(Buck-Boost电路),极
5、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),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,由上式可得：,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。,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,4.丘克电路(Cuk电路),图 Cuk斩波电路及其等
6、效电路a）电路图 b）等效电路,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。,V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流。,V断时，EL1CVD回路和RL2VD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。,21,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
7、间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得:,从而可得:,20,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。,四.斩控式交流调压器,斩控式交流调压器特点 输入、输出都是交流电压，调幅不调频;电力电子开关是双向导电的。结构 双向电力电子开关一般由多个电力电子器件组合而成，下图是几种双向电力电子开关的结构，不同结构的电力电子开关各有优缺点和适用场合。,36,1.互补控制斩控式交流调压器,主电路结构 S1、S2
8、均为双向电力电子开关，其中S1为斩波开关，S2为续流开关。基本原理 通断规律是：S1闭合S2断开，S1断开时S2闭合。即S1和S2 的动作规律在时间上是互补的，所以称为互补式控制方式。,S1闭合、S2断开期间，u=u0；S2闭合、S1断开期间，负载被S2短路，u0=0 对于电感性负载，S2为其提供续流通路。,25,26,负载电压可表示为,输出电压的波形如图730所示，波形为一列幅度按正弦规律变化的脉冲，其包络线即为电源电压波形。改变占空比可以调节脉冲宽度，达到调节输出电压有效值的目的.,24,2.非互补控制斩控式交流调压器,互补控制斩控式交流调压器存在问题互补式控制斩控式交流调压器在工作中必须
9、严格执行互补控制，开通一个电子开关的同时必须关断另一个电子开关。如果S1、S2 同时导通则会造成电源短路。为了避免S1和S2 同时导通，通常要在驱动信号中设置一个时间间隔，在一个电子开关关断后，另一个电子开关延迟一定的时间后再开通，这一时间间隔称为死区。在死区中，S1和S2 均为阻断状态，对于感性负载，必须再为其电流提供一个通路，通常由器件的阻容式缓冲电路实现这一功能。在死区中，感性负载电流将使缓冲电路中的电容充以较高的电压。为此，必须加大电容的容量。这对于提高斩波器的效率、缩小体积都是不利的。,24,主电路结构VA1、VA2 为电源电子开关；VN1、VN2 为续流电子开关。基本工作原理在电源
10、电压正半周：保持VN1的发射结为零电压，使其不能导通，VN2的发射结加正向偏压，待导通。斩波控制信号仅作用于VA1 的发射结，使其按要求通断。这样，在VA1 导通时，电源对负载供电，此时VN2 虽加有正向偏压，但集射间为反向电压，故不能导通。在VA1 关断时，,在负载电感电势的作用下，VN2 导通,负载电流通过VN2 形成续流回路。在电源电压的负半周：保持VN2 的发射结为零电压，VN1 的发射结加正向偏压，斩波信号仅作用于VA2 的发射结，使其按要求通断，VA2 导通时电源对负载供电；VA2关断时VN1 形成负载续流回路。,非互补控制斩控式交流调压器,28,阻感负载问题1 电流i0滞后于电压
11、u0一定的相位角，在u0过零后的一段时间，i0和u0方向相反。例如，在0S t 时，u00,i0o。在i0与u0方向相反时，按上述控制规则不能形成续流回路。解决办法 在电源电压的正半周，VA2 的发射结保持正偏，在0 S t 区间有电感自感提供正向电压，使VA2 导通，形成续流回路。同理，在电源电压的负半周，VA1 的发射结保持正偏，在 S t+区间VA1 导通，形成续流回路。,由图734所示输出电压和各晶体管控制信号的波形可看出，在i0、u0同向区间，VA1 和VA2 斩波调压，VN1和VN2 仅在斩控过程中续流作用；在i0、u0反向区间，续流通道不起作用，由VA1 和VA2 提供负载电流通
12、过电源的通路，u0恒与电源电压相等。,27,35,问题2,在i0、u0反向期间，输出电压发生了畸变不能调控,进一步的解决办法,在正半周0 S t 区间，仍保持VA2 的发射结保持正偏，以提供负载电流通过电源的通路；同时使VA1 的发射结为零偏压,以防止同时导通现象；对VN1加斩波信号，按规律通断。在VN1 导通时，负载电流通过VN1 续流，u0=0；在VN1 关断时，负载电流通过VA2 流向电源，u0=u；在负半周 S t+区间，保持VA1 的发射结正偏，VA2 发射结零偏，斩波信号加于VN2 的发射结。u0、i0同方向区间，控制方法不变,3、电源端与负载端的电气隔离,斩控式交流调压器的电源与
13、负载有一个公共的端子，在要求电源与负载电气隔离的场合不能直接采用。为此，在电源与负载间可以接入高频变压器来实现电气隔离.S1、S2、S3均为双向电力电子开关。电路采用互补控制方式，S1、S3同步动作，与S2互补。S1、S3闭合时S2断开；S1、S3断开时S2闭合。,4、斩控式三相交流调压器,斩控式交流调压技术可用于三相电源调压。图738是一种三相斩控式交流调压器主电路原理图。电路中有3个用于斩控电源电压的双向电力电子开关SA、SB、SC，有3个续流开关SAB、SBC、SCA。在0tDT0期间，SA、SB、SC闭合，SAB、SBC、SCA断开，负载线电压为电源线电压。在DT0tT0期间，电力开关SA、SB、SC断开，续流开关SAB、SBC、SCA闭合，形成续流通路，负载电压均为零。,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，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点.另外还介绍了斩控式交流调压器的结构和基本工作原理.,第7章 小结,28,输出电压的波形如图730所示，波形为一列幅度按正弦规律变化的脉冲，其包络线即为电源电压波形。改变占空比可以调节脉冲宽度，达到调节输出电压有效值的目的.,23,
