基本斩波电路.docx
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基本斩波电路
3.1基本斩波电路
重点:
最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。
3.1.1降压斩波电路
ØØ 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3-1中Em所示
ØØ 工作原理,两个阶段
✧✧ t=0时V导通,E向负载供电,uo=E,io按指数曲线上升
✧✧ t=t1时V关断,io经VD续流,uo近似为零,io呈指数曲线下降
✧✧ 为使io连续且脉动小,通常使L值较大
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
ØØ 数量关系
电流连续时,负载电压平均值
(3-1)
α导通占空比,简称占空比或导通比
Uo最大为E,减小α,Uo随之减小降压斩波电路。
也称为Buck变换器(BuckConverter)。
负载电流平均值
(3-2)
电流断续时,uo平均值会被抬高,一般不希望出现
ØØ 斩波电路三种控制方式
(1)脉冲宽度调制(PWM)或脉冲调宽型——T不变,调节ton
(2)频率调制或调频型——ton不变,改变T
(3)混合型——ton和T都可调,使占空比改变
其中PWM控制方式应用最多
ØØ 基于“分段线性”的思想,可对降压斩波电路进行解析
3.1.2升压斩波电路
1.升压斩波电路的基本原理
图3-2升压斩波电路及其工作波形
a)电路图b)波形
ØØ 工作原理
✧✧假设L值、C值很大
✧✧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EI1ton
✧✧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
(3-20)
化简得:
(3-21)
,输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。
也称之为boost变换器
——升压比,调节其即可改变Uo。
将升压比的倒数记作β,即
。
β和导通占空比α有如下关系:
(3-22)
因此,式(3-21)可表示为
(3-23)
ØØ 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因
✧✧ L储能之后具有使电压泵升的作用
✧✧ 电容C可将输出电压保持住
2.升压斩波电路的典型应用
✧✧ 直流电动机传动
✧✧ 单相功率因数校正(PowerFactorCorrection—PFC)电路
✧✧ 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
ØØ 用于直流电动机传动时
✧✧ 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源
✧✧ 实际L值不可能为无穷大,因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态
✧✧ 电机反电动势相当于图3-2中的电源,此时直流电源相当于图3-2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。
ØØ 电路分析
基于“分段线性”的思想进行解析
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:
(3-33)
(3-34)
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)
对电流断续工作状态的进一步分析可得出:
电流连续的条件为
(3-38)
根据此式可对电路的工作状态作出判断。
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
1.升降压斩波电路
图3-4升降压斩波电路及其波形
a)电路图b)波形
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。
ØØ 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
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)
改变α,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。
当0<α<1/2时为降压
当1/2<α<1时为升压
因此称作升降压斩波电路。
或称之为buck-boost变换器。
2.Cuk斩波电路
图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。
图3-5Cuk斩波电路及其等效电路
a)电路图b)等效电路
✧✧ V通时,E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流
✧✧ V断时,E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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3-5b所示,相当于开关S在A、B两点之间交替切换
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
(3-45)
在图3-5b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点的时间为V处于断态的时间toff,则电容电流和时间的乘积为I1toff。
由此可得
(3-46)
从而可得
(3-47)
当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时,输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出:
当开关S合到B点时,B点电压uB=0,A点电压uA=-uC;
当S合到A点时,uB=uC,uA=0
因此,B点电压uB的平均值为
(UC为电容电压uC的平均值),又因电感L1的电压平均值为零,所以
。
另一方面,A点的电压平均值为
,且L2的电压平均值为零,按图3-5b中输出电压Uo的极性,有
。
于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系:
(3-48)
这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。
ØØ 优点(与升降压斩波电路相比):
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。
3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。
图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
a)Sepic斩波电路b)Zeta斩波电路
Sepic斩波电路的基本工作原理是:
当V处于通态时,E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电,L1和L2贮能。
V处于断态时,E—L1—C1—VD—负载(C2和R)回路及L2—VD—负载回路同时导电,此阶段E和L1既向负载供电,同时也向C1充电,C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出:
(3-49)
Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路,其基本工作原理是:
在V处于通态期间,电源E经开关V向电感L1贮能。
同时,E和C1共同向负载R供电,并向C2充电。
待V关断后,L1经VD向C1冲电,其贮存的能量转移至C1。
同时,C2向负载供电,L2的电流则经VD续流。
Zeta斩波电路的输入输出关系为:
(3-50)
两种电路相比,具有相同的输入输出关系。
Sepic电路中,电源电流和负载电流均连续,有利于输入、输出滤波,反之,Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。
另外,与前一小节所述的两种电路相比,这里的两种电路输出电压为正极性的,且输入输出关系相同。
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