1、第3章 直流斬波電路,電力電子技術(shù)電子教案,Power Electronics Technology,(DC Chopper),目 錄,3.1基本斬波電路 3.1.1 降壓斬波電路 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 3.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路 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多相多重斬波電路,第三章 直流斬波電路,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/DC Converter） 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括?/p>

2、流交流直流 習(xí)慣上，DCDC變換器包括以上兩種情況，且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,Zeta斬波電路,復(fù)合斬波電路 不同基本斬波電路組合,多相多重斬波電路 相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合,兩種是最基本的電路,3.1 基本斬波電路,重點介紹最基本的兩種基本電路,降壓斬波電路,升壓斬波電路,3.1.1 降壓斬波電路,斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中EM所示,b）電流連續(xù)時的波形 c）電流斷續(xù)時的波形,t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)

3、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)且脈動小通常使串接的電感L值較大,工作原理,數(shù)量關(guān)系,b）電流連續(xù)時的波形 c）電流斷續(xù)時的波形,電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值,tonV通的時間 toff V斷的時間 a-導(dǎo)通占空比,Uo最大為E ，減小占空比a，Uo隨之減小。因此稱為降壓斬波電路。,負(fù)載電流平均值,基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析 V通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1，可列出如下方程：,斬波電路三種控制方式,T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）,ton

4、不變，變T 頻率調(diào)制,ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型,設(shè)此階段電流初值為I10，=L/R，解左式：,V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程：,設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得：,當(dāng)電流連續(xù)時，有：,把上式用泰勒級數(shù)近似，可得,上式表示了平波電抗器L為無窮大，負(fù)載電流完全平直時的負(fù)載電流平均值Io，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。,由以上公式得到：,由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變 電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為 在整個周期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,從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo),在上述情況中

5、，均假設(shè)L值為無窮大，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，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。,負(fù)載電流斷續(xù)的情況,I10=0，且t=tx時，i2=0,電流斷續(xù)時，txtoff，得出電流斷續(xù)的條件為：,在負(fù)載電流斷續(xù)工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管VD即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓等于EM。輸出電壓平均值為：,Uo不僅和占空比a 有關(guān)，也和反電動勢EM有關(guān),此時負(fù)載電流平均值為,3.1.2 升壓斬波電路,1. 工作原理,假設(shè)L值很大，C值也很大 V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C

6、值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為 EI1Ton V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為,穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等, 輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路,化簡得：,升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo大小，調(diào)節(jié)方法與改變導(dǎo)通比a的方法類似。將升壓比的倒數(shù)記作b ，即,b 和導(dǎo)通占空比a有如下關(guān)系：,因此,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,以上分析中，認(rèn)為V通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不

7、變，但實際C值不可能無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低,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,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,輸出電流的平均值Io為,即可得出電源電流I1為：,2. 升壓斬波電路的典型應(yīng)用,通常是用于直流電動機(jī)再生制動時把電能回饋給直流電源,實際電感L值不可能為無窮大，因此也有電動機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài),由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器。,一是用于直流電動機(jī)傳動,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,電路分析,V處于通態(tài)時, 設(shè)電動機(jī)電樞電流為

8、i1, 得下式,式中R為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。,設(shè)i1的初值為I10，解上式得,當(dāng)V處于斷態(tài)時, 設(shè)電動機(jī)電樞電流為i2, 得下式：,設(shè)i2的初值為I20，解上式得,當(dāng)電流連續(xù)時，t=ton時刻i1=I20， t=toff時刻i2=I10，由此可得：,由以上兩式求得,與降壓斬波電路一樣，把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得,該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即,該式表明: 以電動機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看, 可將直流電源看作是被降低到了,當(dāng)電樞電流斷續(xù)時,當(dāng)t=0時刻i1=I10=0，即可求出I20，進(jìn)而可寫出i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即,當(dāng)tx

9、t0ff時, 電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài), txt0ff是電流斷續(xù)的條件, 即,根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。,3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk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。 基本工作原理 V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。,1. 升降壓斬波電路,V斷時，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,穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即,當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL = E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL = -

10、 uo。于是：,所以輸出電壓為：,改變導(dǎo)通比a，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2a 1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。也有文獻(xiàn)直接按英文稱之為buck-boost 變換器（Buck-Boost Converter）,圖中給出了電源電流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)電流脈動足夠小時，有,由上式可得：,如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則,其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。,I2,圖3-5所示為Cuk斬波電路的原理圖及其等效電路。 V通時，EL1V回路和RL2CV回路分別流過電流 V斷時，EL1CV

11、D回路和RL2VD回路分別流過電流 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)于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換,2. Cuk斬波電路,圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路,a） 電路圖,b） 等效電路,穩(wěn)態(tài)時電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對時間的積分為零，即,從而可得,在圖3-5b的等效電路中，開關(guān)S合向B點時間即V處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。開關(guān)S合向A點的時間為V處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得,當(dāng)電容C很大使電容電壓uC的脈動足夠小時，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出

12、: 當(dāng)開關(guān)S合到B點時，B點電壓uB=0，A點電壓uA= - uC；相反，當(dāng)S合到A點時，uB= uC，uA=0。因此，B點電壓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 。另一方面，A點的電壓平均值為 ，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有 。,于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：,這一輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時的情況相同。,優(yōu)點:（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，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。,3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,圖3-6分別給出了Sepic斬波電路

13、和Zeta斬波電路的原理圖。 Sepic斬波電路的基本工作原理是：當(dāng)V處于通態(tài)時，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。V處于斷態(tài)時，EL1C1VD負(fù)載（C2和R）回路及L2VD負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時也向C1充電，C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移。,Sepic斬波電路的輸入輸出關(guān)系由下式給出： （3-49） Zeta斬波電路也稱雙Sepic斬波電路，其基本工作原理是：在V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。待V關(guān)斷后，L1經(jīng)VD與C1構(gòu)成振蕩回路，其貯存的能量轉(zhuǎn)移至C1，至振蕩回路電流過零，L1上的能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C

14、1經(jīng)L2向負(fù)載供電。,Zeta斬波電路的輸入輸出關(guān)系為： （3-50） 兩種電路相比，具有相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路中，電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸入、輸出濾波，反之，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。另外，與前一小節(jié)所述的兩種電路相比，這里的兩種電路輸出電壓為正極性的，且輸入輸出關(guān)系相同。,3.2.1 電流可逆斬波電路,斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，常要使電動機(jī)既可電動運行，又可再生制動 降壓斬波電路拖動直流電動機(jī)時，如圖3-1所示，電動機(jī)工作于第1象限 圖3-3所示升壓斬波電路中，電動機(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，拖動直流電動機(jī)時，

15、電動機(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,3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路,V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動運行，工作于第1象限 V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗闺妱訖C(jī)作再生制動運行，工作于第2象限,圖3-7 電流可逆斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 波形,必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路 只作降壓斬波器運行時，V2和VD2總處于斷態(tài) 只作升壓斬波器運行時，則V1和VD1總處于斷態(tài) 第3種工作方式：一個周期內(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

16、或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)電樞回路總有電流流過。以圖b為例說明。 在一個周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。,3.2.2 橋式可逆斬波電路,電流可逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運行，但電壓極性是單向的 當(dāng)需要電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動又可制動的場合，須將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機(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，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供正電壓，可使電動機(jī)工作于第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動和正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài) 使V2保持通時，V3、VD3和V4、V

17、D4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動機(jī)工作于第3、4象限,圖3-8 橋式可逆斬波電路,多相多重斬波電路是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的 相數(shù) 一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù) 重數(shù) 負(fù)載電流脈波數(shù) 示例：圖3-9，3相3重降壓斬波電路 相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成，總輸出電流為3個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，脈動頻率也為3倍 由于3個單元電流的脈動幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動幅值變得很小,3.2.3 多相多重斬波電路,總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比 和單相時相比，設(shè)輸出電流最大脈動率一定時，所需平波電抗器總重量大為減輕 當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3個獨立負(fù)載時，則為3相1重斬波電路 而當(dāng)電源為3個獨立電源，向一個負(fù)載供電時，則為1相3重斬波電路 多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用,圖3-9 多相多重斬波電路及其波形,a）電路圖,b）波形,本章小結(jié),本章介紹了6種