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六种斩波电路原理分析

发表于 2019-05-31 09:46:10 收藏 已收藏
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六种斩波电路原理分析

发表于 2019-05-31 09:46:10
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斩波电路(又叫直流斩波电路)是指在电力运用中,出于某种需要,将正弦波的一部分“斩掉”。(例如在电压为50V的时候,用电子元件使后面的50~0V部分截止,输出电压为0.)后来借用到DC-DC开关电源中,主要是在开关电源调压过程中,原来一条直线的电源,被线路“斩”成了一块一块的脉冲。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器(DC/DCConverter)。

直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置,亦称直流斩波器或DC/DC变换器。用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流,在一定滤波的条件下,在负载上可以获得平均值可小于或大于电源的电压或电流。如果改变开关器件通、断的动作频率,或改变开关器件通、断的时间比例,就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度,以实现输出电压、电流平均值的调节

目前,斩波器广泛用于电力牵引。例如地铁、电力机车、无轨电车和电 瓶搬运车等直流电动机的无级调速上。与传统的在电路中串电阻调压的方法 相比,不仅有较好的起动、制动特性,而且省去体积大的直流接触器和耗电 大的变阻器,电能损耗也大大减少。

当晶闸管VTH导通时,加到负载上的电压UL= E,VTH关断时则为零。如果令周期为Te,则负载上的平均电压为

式中 te——晶闸管VTH导通持续时间。从上式可知,欲改变负载上的直流平均电压UL,有两种方法:①周期 Te为常数,改变te,叫脉宽调制法,即定频调宽式;②te为常数,改变周 期Te的大小,叫频率控制法,即定宽调频式。

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六种斩波电路原理分析

1、降压斩波电路

六种斩波电路原理分析

图1:降压斩波电路(Buck Chopper)原理图及波形图

如上图1:降压斩波电路原理图及波形图所示,图中V为全控型器件,选用IGBT;D为续流二极管。由图1中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向负载供电,UD=Ui。当V处于断态时,负载电流经二极管D续流,电压UD近似为零,至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一周期的过程。负载电压的平均值为:

六种斩波电路原理分析

式中ton为V处于通态的时间,toff为V处于断态的时间,T为开关周期,α为导通占空比,简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知,输出到负载的电压平均值UO最大为Ui,若减小占空比α,则UO随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。

2、升压斩波电路

六种斩波电路原理分析

图2:升压斩波电路(Boost Chopper)原理图及波形图

如上图2:升压斩波电路原理图及波形图所示,电路也使用一个全控型器件V。由图2中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向电感L1充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电,因C1值很大,基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton,此阶段电感L1上积蓄的能量为Ui*I1*ton。当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电,并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui)*I1*toff。当电路工作于稳态时,一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等,即:

六种斩波电路原理分析

上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。

3、升降压斩波电路

六种斩波电路原理分析

图3:升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)原理图及波形图

如上图3:升降压斩波电路原理图及波形图所示,电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量,同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。此后,V关断,电感L1中贮存的能量向负载释放。可见,负载电压为上负下正,与电源电压极性相反。输出电压为:

六种斩波电路原理分析

若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,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

4、Cuk斩波电路

六种斩波电路原理分析

图4:Cuk斩波电路原理图

如上图4:Cuk斩波电路原理图所示,电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。当V处于断态时,Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流,输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为:

六种斩波电路原理分析

若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,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。

5、Sepic斩波电路

六种斩波电路原理分析

图5:Sepic斩波电路原理图

如上图5:Sepic斩波电路:原理图所示,电路的基本工作原理是:可控开关V处于通态时,Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电,L1和L2贮能。当V处于断态时,Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电,此阶段Ui和L1既向R供电,同时也向C2充电,C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。输出电压为:

六种斩波电路原理分析

若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,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。

6、Zeta斩波电路

六种斩波电路原理分析

图6:Zeta斩波电路原理图

如上图6所示:Zeta斩波电路原理图所示,电路的基本工作原理是:当可控开关V处于通态时,电源Ui经开关V向电感L1贮能。当V处于断态后,L1经D与C2构成振荡回路,其贮存的能量转至C2,至振荡回路电流过零,L1上的能量全部转移至C2上之后,D关断,C2经L2向负载R供电。输出电压为:

六种斩波电路原理分析

若改变导通比α,则输出电压可以比电源电压高,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。

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