1、3-1,第3章 直流斬波電路,3.1 基本斬波電路 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?本章小結(jié),3-2,第3章 直流斬波電路引言,直流斬波電路（DC Chopper） 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。 一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流交流直流?電路種類 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。 復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)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。,3-3,3.1 基本斬波電路,3.1.1 降壓斬波

2、電路 3.1.2 升壓斬波電路 3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,3-4,3.1.1 降壓斬波電路,電路結(jié)構(gòu),全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。,續(xù)流二極管,負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢,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。,降壓斬波電路（Buck Chopper),3-5,3.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖3-1 降壓斬波電路得原理圖及波形,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)控制V關(guān)斷，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。 通常串

3、接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 動(dòng)畫演示。,3-6,3.1.1 降壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,電流連續(xù),輸出電壓平均值：,（3-1）,（3-2）,tonV通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間 a-導(dǎo)通占空比（a1),電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。,負(fù)載電流平均值：,3-7,3.1.1 降壓斬波電路,斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)混合型。,此種方式應(yīng)用最多,第2章2.1節(jié)介紹過：電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。 分V處于通態(tài)和處于斷態(tài) 初始條件分電流連續(xù)

4、和斷續(xù),3-8,3.1.1 降壓斬波電路,同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo),假定L為無窮大，負(fù)載電流Io維持不變（詳見P101102）,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)載消耗的能量為,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。,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。,I1為電源電流平均值,3-9,3.1.1 降壓斬波電路,負(fù)載電流斷續(xù)的情況（L值較小時(shí)）,I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0,（3-16）,電流斷續(xù)的條件：,（3-17）,3-10,3.1.2 升壓斬波電路,升壓斬波電路（Boost Chopper）,保持輸出電壓,儲(chǔ)存電能

5、,電路結(jié)構(gòu),1) 升壓斬波電路的基本原理,3-11,3.1.2 升壓斬波電路,工作原理,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。 動(dòng)態(tài)演示。,圖3-2 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,3-12,3.1.2 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）,化簡得：,T/toff1，輸出電壓高于電源電

6、壓，故為升壓斬波電路。,3-13,3.1.2 升壓斬波電路,電壓升高的原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用 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僅由負(fù)載R消耗，即 ： 。 （3-24） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。,輸出電流的平均值Io為：,(3-25),電源電流的平均值I1為：,(3-26),3-14,3.1.2 升壓斬波電路,2) 升壓斬波電路典型應(yīng)用,一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng) 二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路 三是用于其他交直流電源中,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,o

7、ff,u,o,圖3-3 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí),用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng) 再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。 電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。 動(dòng)畫演示。,3-15,3.1.2 升壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式：,（3-29）,該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了 。,3-16,3.1.2 升壓斬波電路,如圖3-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)：,當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進(jìn)而

8、可寫出 i2的表達(dá)式。 另外，當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即,圖3-3 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形,-電流斷續(xù)的條件,3-17,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,1）升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper),電路結(jié)構(gòu),3-18,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a),圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形,V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

9、反極性斬波電路。 動(dòng)態(tài)演示。,3-19,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk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,3-20,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,圖3-4b中給出了電源電流i1和負(fù)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)0a 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2a 1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

10、）,3-21,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,2) Cuk斬波電路,V通時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路有電流。 V斷時(shí)，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。,圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,3-22,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電容電流ic的平均值為零：,數(shù)量關(guān)系,（3-45）,（3-46）,（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，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。,3-23,b)

11、 Zeta斬波電路,3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,圖3-6 Sepic斬波電路和Zeta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）,電源電壓與輸出電壓極性相同,3-24,3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,Zeta斬波電路原理,V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。 V關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路，

12、 L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。 輸入輸出關(guān)系：,圖3-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路,（3-50）,兩種電路有相同的輸入輸出關(guān)系，且輸出電壓均為正極性。 Sepic電路的電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸入輸出濾波。,b) Zeta斬波電路,3-25,3.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?3.2.1 電流可逆斬波電路 3.2.2 橋式可逆斬波電路 3.2.3 多相多重?cái)夭娐?3-26,3.2.1 電流可逆斬波電路,復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成,斬波電路用于拖動(dòng)直流

13、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)。 降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。 升壓斬波電路能使電動(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。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。,電流可逆斬波電路,3-27,3.2.1 電流可逆斬波電路,電路結(jié)構(gòu),a) 電路圖,V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，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，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。,工作過程,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)

14、一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過，電流連續(xù)。 電路響應(yīng)很快。,圖3-7 電流可逆斬波電路及波形,3-28,3.2.2 橋式可逆斬波電路,橋式可逆斬波電路兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。,圖3-8 橋式可逆斬波電路,使V4保持通態(tài)時(shí)，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。 使V2保持通態(tài)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 。,3-29,3.2.3 多相多重?cái)夭娐?基本概念,多相多重

15、斬波電路,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),3-30,3.2.3 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，脈動(dòng)頻率也為3倍。 總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小 。 所需平波電抗器總重量大為減輕。 總輸出電流最大脈動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。,圖3-9 3相3重?cái)夭娐芳捌洳ㄐ?3-31,3.2.3 多相多重?cái)夭娐?當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個(gè)獨(dú)立負(fù)載時(shí)，則為3