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斬波電路 本章小結(jié),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。 多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。,3.1 基本斬波電路,3.1.1 降壓斬波電路 3.1.2 升壓斬

2、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,3.1.1 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,負載出現(xiàn)的反電動勢,典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。,降壓斬波電路（Buck Chopper),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時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。 t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。 通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。,3

3、.1.1 降壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,電流連續(xù),負載電壓平均值：,（3-1）,（3-2）,tonV通的時間 toffV斷的時間 a-導通占空比,電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。,負載電流平均值：,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)，改變占空比混合型。,此種方式應(yīng)用最多,電力電子電路的實質(zhì)上是分時段線性電路的思想。 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)和斷續(xù),3.1.1 降壓斬波電路,V斷態(tài)期間，設(shè)負載電流為i2，可列出如下方程： 設(shè)此

4、階段電流初值為I20，解上式得：,（3-5）,（3-6）,3-9,3.1.1 降壓斬波電路,由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出： 式中： ； ； 。 由圖3-1b可知，I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。,（3-9）,（3-10）,（3-7）,（3-8）,負載電流連續(xù)：,3.1.1 降壓斬波電路,負載電流斷續(xù)的情況：,I10=0，且t=tx時，i2=0,（3-16）,電流斷續(xù)的條件：,（3-17）,3.1.2 升壓斬波電路,升壓斬波電路（Boost Chopper）,保持輸出電壓,儲存電能,電路結(jié)構(gòu),1) 升壓斬波電路的基本原理,3.1.2 升壓斬波電路,工

5、作原理,假設(shè)L和C值很大。 V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1；電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。 V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。,圖3-2 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,3.1.2 升壓斬波電路,數(shù)量關(guān)系,設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為 設(shè)V斷態(tài)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：,（3-21）,（3-20）,化簡得：,T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。,3.1.2 升壓斬波電路,電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可

6、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),3.1.2 升壓斬波電路,2) 升壓斬波電路典型應(yīng)用,一是用于直流電動機傳動 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,3-16,3.1.2 升壓斬波電路,2) 升壓斬波電路典型應(yīng)用,圖3-3 用于直流電動機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 c） 電流斷續(xù)時,用于直流電動機傳動 再生制動時把電能回饋給直流電源。

7、電動機電樞電流連續(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。,3.1.2 升壓斬波電路,V處于通態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i1，得下式 式中R為電機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,（3-27）,(3-28),3-18,3.1.2 升壓斬波電路,當V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i2，得下式： 設(shè)i2的初值為I20，解上式得：,（3-29）,（3-30）,3-19,3.1.2 升壓斬波電路,當電流連續(xù)時，從圖3-3b的電流波形可看出， t=ton時i1=I20，t=toff時i2=I10，由此可得：,（3-31）,（3-32）,3.1.2 升壓

8、斬波電路,當電樞電流斷續(xù)時：,當t=0時刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進而可寫出i2的表達式。另外，當t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即,圖3-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形,-電流斷續(xù)的條件,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper),電路結(jié)構(gòu),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，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載R供電。 V斷時，L的能量

9、向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。,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，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即,（3-39）,V處于通態(tài) uL = E,V處于斷態(tài) uL = - uo,3.1.3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和負載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,結(jié)論,當0a 1/2時為降壓，當1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。,其輸出功

10、率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。,（3-44）,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，EL1V回路和RL2CV回路有電流。 V斷時，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。 電路相當于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。,圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,同理：,數(shù)量關(guān)系,（3-45）,（3-46）,（3-48）,優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）： 輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進行濾波。,3.1.4 Sepic斬

11、波電路和Zeta斬波電路,a) Sepic斬波電路,圖3-6 Sepic斬波電路,電路結(jié)構(gòu),Speic電路原理 V通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時導電，L1和L2貯能。 V斷態(tài)，EL1C1VD負載回路及L2VD負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，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）。 輸入輸出關(guān)系：,（3-49）,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， 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向負載供電。 輸入輸

12、出關(guān)系：,圖3-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路,（3-50）,相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負載電流均連續(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,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,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 多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成,斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。 降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。 升

13、壓斬波電路能使電動機工作于第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。此電路電動機的電樞電流可正可負，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,3.2.1 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，電動機為電動運行，工作于第1象限。 V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。,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。 當一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。 電路響應(yīng)很快。,圖3-7 電流可逆斬波電路及波形,第3種工作方式,3.2.2 橋式可逆斬波電路,橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。,圖3-8 橋式可逆斬波電路,使V4保持通時，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。 使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。,本章小結(jié),本章介紹了6種基本斬波電路、2