1、電力電子技術(shù)PowerElectronicTechnology,直流斬波電路,直流斬波電路分析,直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電也稱為直接直流-直流變換器（DC/DCConverter）一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鹘涣髦绷髁?xí)慣上，DCDC變換器包括以上兩種情況，且甚至更多地指后一種情況,直流斬波電路的種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路復(fù)合斬波電路不同基本斬波電路組合多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合,直流斬波電路分析,

2、下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開(kāi)關(guān)S可以是各種電力電子開(kāi)關(guān)器件，輸入電源電壓E為固定的直流電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)S給負(fù)載RL供電；開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，直流電源供給負(fù)載RL的電流被切斷，L的儲(chǔ)能經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載RL兩端的電壓接近于零。,在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，半控元件的切換只能通過(guò)強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)迫換流電路需要較大的換流電容、輔助晶閘管等，造成了線路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以全控型電力電子器件具有自關(guān)斷能力的器件作為開(kāi)關(guān)器件。,降壓斬波電路,斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)

3、勢(shì)，如圖中EM所示,圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時(shí)的波形c）電流斷續(xù)時(shí)的波形,工作原理t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升t=t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L值較大,降壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值tonV通的時(shí)間toffV斷的時(shí)間導(dǎo)通占空比Uo最大為E，減小占空比，Uo隨之減小。因此稱為降壓斬波電路。負(fù)載電流平均值電流斷續(xù)時(shí)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn),（3-1）,（3-2）,降壓斬波電路,斬波電路

4、三種控制方式（根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分）T不變，變ton脈沖寬度調(diào)制（PWM）ton不變，變T頻率調(diào)制（PFM）ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型,此種方式應(yīng)用最多,PWM控制器SG3525,降壓斬波電路(BUCK),從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)由于L為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為在整個(gè)周期T中，負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即則,（3-12）,（3-13）,在上述情況中，均假設(shè)L值為無(wú)窮大，負(fù)載電流平直的情況。這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為I1，則有其值小于等于負(fù)載電流Io，

5、由上式得即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。,（3-14）,（3-15）,升壓斬波電路,1.升壓斬波電路的基本原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。,圖3-2升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形,升壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：,（3-21）,（3-20）,化簡(jiǎn)得：,T/toff1，輸出電壓高于電源電壓

6、，故為升壓斬波電路。,升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b，即。b和a的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為,（3-23）,（3-22）,升壓斬波電路,升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用二是電容C可將輸出電壓保持住,如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即該式表明，與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（3-23）得出輸出電流的平均值Io為由式（3-24）即可得出電源電流I1為：,（3-24）,（3-25),（3-26）,升壓斬波電路(BOOST),NCP1402SN50T1是ONSEMI公司生產(chǎn)的高效率、低功

7、耗升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)置PFM（脈沖頻率調(diào)制）振蕩器、PFM控制器、PFM比較器、軟起動(dòng)電路、電壓基準(zhǔn)及MOEFET開(kāi)關(guān)管，還具有限流電路。其輸入電壓范圍為0.8V5.5V，輸出為固定的5V電壓，輸出額定電流為200mA。內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管腳LX連接的47uH電感進(jìn)行儲(chǔ)能；內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，在管腳OUT產(chǎn)生高于輸入電壓的+5V，通過(guò)電容濾波，得到穩(wěn)定輸出電壓。外接肖特基二極管，使輸出電壓不會(huì)反回至輸入端。,有源功率因數(shù)校正電路,交流輸入電壓經(jīng)橋式整流后，再經(jīng)過(guò)DCDC變換，通過(guò)相應(yīng)的控制使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨整流電壓基準(zhǔn)值，可獲得較高的網(wǎng)側(cè)功率

8、因數(shù)，并保持輸出電壓穩(wěn)定。APFC電路有兩個(gè)反饋控制環(huán)：輸入電流環(huán)使DCDC變換器輸入電流為全波整流波形，并且與全波整流電壓波形相位相同；輸出電壓環(huán)DCDC變換器使輸出端為一個(gè)直流穩(wěn)壓源，達(dá)到直流電源的穩(wěn)壓效果。,有源功率因數(shù)校正電路,在控制電路中設(shè)置按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，并且與電路輸入電壓uS同相位的給定電流iref，并使電感電流iL圍繞iref升降，則iL近似地按正弦絕對(duì)值脈動(dòng)，圖c為VF的漏源極電壓uVF的波形，當(dāng)uVF=Uo時(shí)，VF處于關(guān)斷狀態(tài)，電感L釋放能量，iL下降；當(dāng)uVF=0時(shí)，VF處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感L儲(chǔ)存能量，iL上升。而由于iL=|iS|，可知輸入電流iL近似于正弦波，且與

9、uS同相位，如圖d所示，則網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。,升降壓斬波電路,設(shè)L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uo基本為恒值?；竟ぷ髟鞻通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路,圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形,升降壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,（3-39）,V處于通態(tài)uL=E,V處于斷態(tài)uL=-uo,升降壓斬波電路,圖3-4b中給出了電源電流i1和負(fù)

10、載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,結(jié)論,當(dāng)01/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/21時(shí)為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。,其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。,（3-44）,V通時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路分別流過(guò)電流V斷時(shí)，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過(guò)電流輸出電壓的極性與電源電壓極性相反等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換,圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路,Cuk斬波電路,Cuk斬波電路,穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的

11、平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即在圖3-5b的等效電路中，開(kāi)關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開(kāi)關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由此可得從而可得,（3-45）,（3-46）,（3-47）,Cuk斬波電路,當(dāng)電容C很大使電容電壓uC的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出。當(dāng)開(kāi)關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓uB=0，A點(diǎn)電壓uA=-uC；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，uB=uC，uA=0。因此，B點(diǎn)電壓uB的平均值為（UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以。

12、另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有。,Cuk斬波電路,（3-48）,優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。,Sepic斬波電路,a)Sepic斬波電路,Sepic電路原理V通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載回路及L2VD負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移）。輸入輸出關(guān)系：,（3-49）,Zeta斬波電路,V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開(kāi)關(guān)V向電感L1貯能。E

13、和C1共同向負(fù)載供電，并向C2充電。V關(guān)斷后，L1的能量轉(zhuǎn)移至C1。同時(shí)C2向負(fù)載供電，L2的電流經(jīng)VD續(xù)流。輸入輸出關(guān)系：,（3-50）,相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。兩種電路輸出電壓為正極性的。,b)Zeta斬波電路,電流可逆斬波電路,斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。降壓斬波電路拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作于第1象限；升壓斬波電路中，電動(dòng)機(jī)工作于第2象限；電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于

14、第1象限和第2象限。,V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。,電流可逆斬波電路,第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作；當(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時(shí)，則會(huì)使另一個(gè)斬波電路工作，電流反方向流過(guò)。這對(duì)應(yīng)就是第3種工作方式。這時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以調(diào)速的響應(yīng)很快。電流可逆斬波電路中電樞電流可逆，兩象限運(yùn)行，但電壓極性是單向的，即電機(jī)

15、轉(zhuǎn)向固定。,必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路；只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)，V2和VD2總處于斷態(tài)；只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則V1和VD1總處于斷態(tài)；,橋式可逆斬波電路,當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場(chǎng)合，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路：使V4保持通時(shí)，等效為電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)和正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài)；使V2保持通時(shí)，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限。,橋式可逆斬波電路,1、雙極性工作方式V1與V4同時(shí)通斷，V2與V3同時(shí)通斷V1與V2通斷互補(bǔ)，V3與V4通斷互補(bǔ)輸出電壓波形中電壓有正有負(fù)，故稱雙極性。,2、單極性工作方式V1與V2通斷互補(bǔ)，V3一直斷，V4一直通；V3與V4通斷互補(bǔ)，V1一直斷，V2一直通；輸出電壓波形中電壓只有正或只有負(fù)，故稱單極性。,多相多重?cái)夭娐?基本概念,多相多重?cái)夭娐?在電源和負(fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成,相數(shù),一個(gè)控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù),重?cái)?shù),負(fù)載電流脈波數(shù),多相多重?cái)夭娐?3相3重降壓斬波電路,電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。,總輸出電流為3個(gè)斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍