直流斬波電路分析與實(shí)踐

1、知識目標(biāo)技能目標(biāo) 了解降壓式直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握斬波主電路在負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征； 熟悉升壓式直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握升壓式斬波電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原理，掌握數(shù)據(jù)測量方法 熟悉升降壓式直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握升降壓斬波主電路在負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征； 進(jìn)一步熟悉電力電子器件的基本應(yīng)用要求與使用方法。 研究觸發(fā)電路的形成及觸發(fā)脈沖輸出特點(diǎn)，掌握該電路的調(diào)試和數(shù)據(jù)測量的方法； 研究斬波主電路在負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征，掌握升壓式直流斬波電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)測方法； 能利用PROTEL軟件根據(jù)給定要求進(jìn)行升降壓斬波電路原

2、理圖繪制，并完成升降壓式直流斬波電路的調(diào)試與相關(guān)數(shù)據(jù)記錄； 能獨(dú)立設(shè)計、制作并調(diào)試常見DC-DC開關(guān)電源。1 1、什么叫直流斬波電路、什么叫直流斬波電路 將一個固定的直流電壓變換成大小可變的直流電壓的電路。2 2、直流斬波技術(shù)的應(yīng)用、直流斬波技術(shù)的應(yīng)用 不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)動車輛，直流開關(guān)穩(wěn)壓電源；焊接電源；直流電機(jī)調(diào)速控制等3 3、直流斬波電路的基本組成、直流斬波電路的基本組成一、直流斬波電路的基本概念一、直流斬波電路的基本概念不可控整流單、三相交流蓄電池濾波電路直流斬波器負(fù)載控制信號1）非隔離型（即直流斬波電路）非隔離型（即直流斬波電路）降壓型電路升壓型

3、電路升降壓電路庫克式斬波電路等2）隔離型電路）隔離型電路 正勵電路 反勵電路 半橋電路 全橋電路 推挽式電路等4、常見類型、常見類型5 5、斬波器的基本原理、斬波器的基本原理 占空比D或kTtDkon 或式中：式中：T或或TS為開關(guān)為開關(guān)S的工作周期，的工作周期， ton為導(dǎo)通時間為導(dǎo)通時間 輸出平均電壓ddontooDUUTtdtuTUon 016、直流斬波電路的常用控制方式、直流斬波電路的常用控制方式（1）時間比控制方式）時間比控制方式定頻調(diào)寬控制方式定頻調(diào)寬控制方式或稱或稱脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制方式控制方式-開關(guān)頻率開關(guān)頻率fS不變不變(即開關(guān)周期即開關(guān)周期T 不變），導(dǎo)通時間不

4、變），導(dǎo)通時間tON改變改變 。定寬調(diào)頻控制方式定寬調(diào)頻控制方式或稱或稱脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)控制方式控制方式-開關(guān)頻率開關(guān)頻率fS改變改變(即開關(guān)周期即開關(guān)周期T改變），導(dǎo)通時間改變），導(dǎo)通時間tON不變不變 。調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式-開關(guān)頻率開關(guān)頻率fS改變改變(即開關(guān)周期即開關(guān)周期T改變），導(dǎo)通時間改變），導(dǎo)通時間tON改變改變 。6、直流斬波電路的常用控制方式、直流斬波電路的常用控制方式（2）瞬時值控制方式）瞬時值控制方式 用負(fù)載電流的平均值與給定電流值相比較，利用用負(fù)載電流的平均值與給定電流值相比較，利用其偏差值去控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制

5、方式。其偏差值去控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制方式。（3）平均值控制方式）平均值控制方式 瞬時值結(jié)合控制方式是分別預(yù)先給定電流（或電壓）瞬時值結(jié)合控制方式是分別預(yù)先給定電流（或電壓）的上限值和下限值，并將其與輸出電壓（或電流）反饋的上限值和下限值，并將其與輸出電壓（或電流）反饋的瞬時值相比較，如果電流（或電壓）達(dá)到上限值就關(guān)的瞬時值相比較，如果電流（或電壓）達(dá)到上限值就關(guān)斷斬波電路的開關(guān)元件。斷斬波電路的開關(guān)元件。 為輸入端的濾波電容，為輸入端的濾波電容，VDVD為續(xù)流管，當(dāng)斬波開關(guān)為續(xù)流管，當(dāng)斬波開關(guān)V V關(guān)斷時，關(guān)斷時，續(xù)流管為感性負(fù)載提供電流通路；電感續(xù)流管為感性負(fù)載提供電流通路；電感L

6、 L和電容和電容C C組成低通濾波組成低通濾波器，以減小輸出電壓的波動。器，以減小輸出電壓的波動。dC二、二、降壓式直流斬波電路（BUCK電路） 的作用：的作用：由于輸入電流由于輸入電流 i i總是瞬間從峰值跳變到零，將產(chǎn)生輸入電流總是瞬間從峰值跳變到零，將產(chǎn)生輸入電流的高頻諧波分量，為了抑制諧波的影響，需增加濾波器的高頻諧波分量，為了抑制諧波的影響，需增加濾波器 。dCdC1 1、電流連續(xù)的工作原理、電流連續(xù)的工作原理充電時即V開通放電時即V關(guān)斷1）導(dǎo)通期間（ton ）：電力開關(guān)器件導(dǎo)通，電感蓄能，二極管D反偏阻斷。 dtdiLUUuLodLonooLodtiiLdtdiLUUminmax電

7、感中的電流為線性上升，電感中的電流為線性上升，即有1 1、電流連續(xù)的工作原理、電流連續(xù)的工作原理充電時即V開通放電時即V關(guān)斷2）關(guān)斷期間（toff）：電力開關(guān)器件斷開，電感釋能，二極管D導(dǎo)通續(xù)流。 電感經(jīng)過二極管放能，電感經(jīng)過二極管放能，電感的電流呈線性下降電感的電流呈線性下降dtdiLUuLOLoffoooffooLOtiiLtiiLdtdiLUminmaxmaxmin即有穩(wěn)態(tài)條件下，電感穩(wěn)態(tài)條件下，電感L L上的電壓在一個周期內(nèi)的積分為零，上的電壓在一個周期內(nèi)的積分為零， 故可表示為：故可表示為：)()(onoonodtTUtUUddonODUUTtU 2 2、基本電量關(guān)系、基本電量關(guān)系（

8、1）輸出平均電壓（負(fù)載電壓）輸出平均電壓（負(fù)載電壓) UO（2）輸出平均電流（負(fù)載電流）輸出平均電流（負(fù)載電流) IORUIO0 TtDon 式中：式中：oododDIIUUI ( (忽略器件功率損耗忽略器件功率損耗) )2 2、基本電量關(guān)系、基本電量關(guān)系（4）輸入平均電流（電源電流）輸入平均電流（電源電流) Id（3）輸入功率）輸入功率Pi及輸出功率及輸出功率P0ooIUP 0ddiIUP 0PPi （5）維持電流臨界連續(xù)的電感值維持電流臨界連續(xù)的電感值L L0 0 )1(2DDITULLBdo ILB-臨界連續(xù)時的電感電流平均值（6）紋波電壓相對值紋波電壓相對值LCDTUU)1 (8120

9、0 2 2、基本電量關(guān)系、基本電量關(guān)系升壓直流斬波電路結(jié)構(gòu)升壓直流斬波電路結(jié)構(gòu)升壓式斬波電路由功率開關(guān)管升壓式斬波電路由功率開關(guān)管V V、儲能元、儲能元件件L L、升壓二極管、升壓二極管VDVD和濾波電容和濾波電容C C組成。組成。5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路一、電流連續(xù)導(dǎo)通的工作原理一、電流連續(xù)導(dǎo)通的工作原理5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路1）導(dǎo)通期間（ton ）：當(dāng)斬波開關(guān)管當(dāng)斬波開關(guān)管V接通時，二極管接通時，二極管VD反向偏置，將輸入電源與輸出反向偏置，將輸入電源與輸出極極 隔離，這時電源向電感中儲能，負(fù)載由濾波電容隔離，這時電源向電感中儲能，

10、負(fù)載由濾波電容C供電。供電。 電感中的電流為線性上升，電感中的電流為線性上升，有dtdiLUuLdL 一、電流連續(xù)導(dǎo)通的工作原理一、電流連續(xù)導(dǎo)通的工作原理5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路2）關(guān)斷期間（toff）：當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)V關(guān)斷時，電感釋放能量，與輸入電壓一起作用，使得二極關(guān)斷時，電感釋放能量，與輸入電壓一起作用，使得二極管導(dǎo)通并向負(fù)載供電。管導(dǎo)通并向負(fù)載供電。電感的電流呈線性下降電感的電流呈線性下降dtdiLuUULLod 5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路oododIDIUUI 11ddONOUDUtTTU 11( (忽略器件功率損耗，利用功率守恒忽

11、略器件功率損耗，利用功率守恒) )二、基本電量關(guān)系二、基本電量關(guān)系（1）輸出平均電壓（負(fù)載電壓）輸出平均電壓（負(fù)載電壓) UO（2）輸出平均電流（負(fù)載電流）輸出平均電流（負(fù)載電流) IORUIO0 （3）輸入平均電流（電源電流）輸入平均電流（電源電流) IdTtDon 式中：式中：5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路（4）維持電流臨界連續(xù)的電感值維持電流臨界連續(xù)的電感值L L0 0 )1(2DDITULLBdo ILB-臨界連續(xù)時的電感電流平均值（5）紋波電壓相對值紋波電壓相對值RCDTUU 00二、基本電量關(guān)系二、基本電量關(guān)系5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電

12、路1、開關(guān)電源開關(guān)電源2、UPSUPS電源電源 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路一、電路的結(jié)構(gòu)一、電路的結(jié)構(gòu)n該電路的結(jié)構(gòu)是儲能電感該電路的結(jié)構(gòu)是儲能電感L與負(fù)載與負(fù)載R并聯(lián)，續(xù)流二極管并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串接在儲反向串接在儲能電感與負(fù)載之間。能電感與負(fù)載之間。 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路二、工作原理二、工作原理 n1）當(dāng)開關(guān)）當(dāng)開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源導(dǎo)通時，電源E經(jīng)經(jīng)VT給給電感電感L充電儲能，電感電壓上正下負(fù)，充電儲能，電感電壓上正下負(fù)，此時此時VD被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感電壓反偏，流過感電壓反偏，流過VT的電流為的電流為i1（

13、=iL），方向如上圖），方向如上圖a所示。由于此時所示。由于此時VD反偏截止，電容反偏截止，電容C向負(fù)載向負(fù)載R供能并維持供能并維持輸出電壓基本恒定，負(fù)載輸出電壓基本恒定，負(fù)載R及電容及電容C上上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反；相反；n2）當(dāng)開關(guān)）當(dāng)開關(guān)VT關(guān)斷時，電感關(guān)斷時，電感L電壓極性變反（上負(fù)下正），電壓極性變反（上負(fù)下正），VD正偏導(dǎo)通，電正偏導(dǎo)通，電感感L中的儲能通過中的儲能通過VD向負(fù)載向負(fù)載R和電容和電容C釋放，放電電流為釋放，放電電流為i2，電容，電容C被充電儲被充電儲能，負(fù)載能，負(fù)載R也得到電感也得到電感L提供的能量。提供的能量。 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路n電路處于穩(wěn)態(tài)時，每個周期內(nèi)電感電壓電路處于穩(wěn)態(tài)時，每個周期內(nèi)電感電壓uL對時間的積分值為零，即對時間的積分值為零，即n在開關(guān)在開關(guān)VT導(dǎo)通期間，有導(dǎo)通期間，有uL=E；而在；而在VT截止期間，截止期間，uL= -u0。于是有。于是有Eton=U0 toff n輸出電壓表達(dá)式可寫成輸出電壓表達(dá)式可寫成n改變改變k輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。n當(dāng)當(dāng) 時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；n當(dāng)當(dāng) 時，斬波