第六章  直流斩波变换电路
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第六章 直流斩波变换电路. 直流斩波电路: 将一个固定的直流电压变换成大小可变的直流电压的电路。也称之为直流变换电路。 直流斩波技术的应用: 被广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中,如不间断电源 (UPS) 、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。 直流变换系统的结构如图 6-1 所示 :. 图 6-1 直流变换系统的结构图. 第一节 降压式斩波变换电路. 一、基本斩波器的工作原理 降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压 U d 。

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第六章 直流斩波变换电路

直流斩波电路:将一个固定的直流电压变换成大小可变的直流电压的电路。也称之为直流变换电路。

直流斩波技术的应用:被广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中,如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。

直流变换系统的结构如图6-1所示:

图6-1 直流变换系统的结构图


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第一节 降压式斩波变换电路

一、基本斩波器的工作原理

降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压Ud 。

最基本的降压式斩波电路如图6-2所示:Q为斩波开关,是斩波电路中的关键功率器件,它可用普通型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者其它自关断器件来实现。

T=Ton+Toff

Q交替通断,在负载上就可得到方

波电压。


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6.1 降压式斩波变换电路

  • 若定义斩波器的占空比k=ton/T ,则由波形图上可获得输出电压平均值为

  • 由上式可知,当占空比k从0变到1时,输出电压平均值从0变到Ud。占空比k的改变可以通过改变ton或T来实现。

  • 斩波电路三种控制方式

    T不变,变ton —脉冲宽度调制(PWM)

    ton不变,变T —频率调制

    ton和T都可调,改变占空比—混合型


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6.1 降压式斩波变换电路

  • 实际应用中负载多为电感性,多采用如图6-3所示电路。

  • 稳态分析表明,若输出端上的电容C很大,则输出电压可近似为常数uo(t)≈UO。由于稳态时电容器的平均电流为零,因而电感中的平均电流等于输出平均电流。根据电感中的电流连续与否,以下分别对电流连续和电流不连续(断续)的两种工作模式进行讨论。

图6-3 带感性负载的斩波电路


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6.1 降压式斩波变换电路

二、电流连续的导通工作模式

  • V导通

  • V关断

图6-4 降压式斩波器的电路工作状态

一周期内


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6.1 降压式斩波变换电路

  • 在电流连续导通工作模式状态下,降压式变换电路等效于一个直流变压器,其等效变比可以通过控制开关的占空比k在0到1的范围内连续控制。

  • 电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化,即电感电流由连续变为不连续。如图6-5a所示为电流临界连续状态时的uL和iL波形。

图6-5 临界连续时的电压、电流波形


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6.1 降压式斩波变换电路

电流临界连续时

  • i0min=0

  • 平均电感电流

平均负载电流

在给定T、UO、L和k等参数的条件下,如果平均输出电流或平均电感电流小于由上式给出的ILB值,那么iL将不再连续。


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6.1 降压式斩波变换电路

三、电流不连续导通时的工作模式

  • 电流不连续导通的工作模式分为输入电压Ud不变和输出电压UO不变两种情况,这里主要介绍Ud不变的非连续导通模式。

  • Ud不变的非连续导通模式常用于直流电机的速度控制。输入电压Ud保持不变,输出电压UO可通过调整斩波器的占空比k进行控制。

  • 由于UO=kUd,在iL=0 的特定情况下,电感电流的表达式可改写为

图6-6Ud不变时非连续的电压、电流波形


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6.1 降压式斩波变换电路

  • 假定Ud和所有参数不变,对于连续导通模式来说在k=0.5时输出的电流最大,其值为

因此:

  • 在给定了T、L、Ud和k值以后并假定这些参数均不变化,这时若负载电流减小,即负载电阻值增加,那么平均电感电流将随之而减小。当I L<IOB时,电感电流的波形如图6-6所示,图中表明电感L贮能较小,不足以维持在全部关断时间toff内导通,因此出现电感电流不连续的现象。

  • 电流不连续导通工作模式的另一种情况是Ud可能变动而保持输出电压Uo不变。它在直流可调电源中得到广泛应用,输出电压Uo可通过调整占空比k使其维持不变。


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6.1 降压式斩波变换电路

四、输出电压纹波

  • 斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大,输出电压含有脉动成分,如图6-8波形所示。在连续导通工作模式中,假定iL中的谐波分量通过电容器短路,其直流分量流过负载电阻。图中阴影部分表示由电容C存贮并释放的电荷ΔQ。

  • 纹波电压的峰-峰值ΔUO:

  • 其纹波电压相对值:

式中fs----开关频率, ;

fC为L、C低通滤波器的固有频率  。


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第二节 升压式斩波电路

储存电能

一、 原理图:

保持输出电压

图6-7 升压式斩波电路

该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中,假定滤波电容很大,并使输出电压保持不变,即uo(t)=Uo。


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6.2 升压式斩波电路

二、电流连续导通时的工作模式

  • V导通:电感储能,负载由电容C供电。

  • V关断:电感释放能量,与Ud一起作用向负载供电。

  • 电感电压在一个周期内的平均值为0

图6-8 升压式斩波电路及波形


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6.2 升压式斩波电路

  • 临界连续导通时,电感中的电压和电流波形如图6-9a所示。该工作模式下,iL在关断结束时刚好变为零。此时流过电感中的电流平均值为

  • 在升压式斩波电路中,电路结构决定了电感电流和输入电流是一样的,即id=iL。可求得输出电流的平均值:

图6-9 升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形


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6.2 升压式斩波电路

  • 在升压式斩波电路的大多数应用中都需要Uo保持不变。只要占空比可以调整,就允许输入电压变动。

  • Io、ILB与占空比k的函数关系如图6-9所示。由图可知,ILB在k=0.5时出现最大值ILBmax,而IO在k=1/3时出现其最大值Ioma

  • ILB和Io可用它们的最大值表示:

  • 如果负载电流平均值降到低于Io,那么电流将由连续导通变为不连续导通的工作模式。


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6.2 升压式斩波电路

三、电流不连续导通的工作模式

  • 在Ud和k保持不变的条件下,逐步减小输出负载功率的,升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式变化,波形如图6-10所示。图6-10a为连续导通时电感中的电压与电流波形;图6-10b为电流不连续导通时电感中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值iLm是一样的,但是非连续导通模式的输出功率将减小。

图6-10 升压式斩波电路的电压与电流波形


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6.2 升压式斩波电路


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