第3章 直流斩波电路Word

　　第3章 直流斩波电路

　　3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结

　　3-1

　　第3章 直流斩波电路 引言直流斩波电路(DC Chopper)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/DC Converter)。 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直 流—交流—直流。

　　电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。3-2

　　3.1

　　基本斩波电路

　　3.1.1 降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路

　　3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

　　3-3

　　3.1.1

　　降压斩波电路全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势

　　降压斩波电路 (Buck Chopper)电路结构

　　续流二极管

　　典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。3-4

　　3.1.1工作原理

　　降压斩波电路VE iG L io R

　　+VD u o M EM

　　t=0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向 负载供电，负载电压uo=E,负 载电流io按指数曲线上升。 t=t1 时控制 V 关断，二极管 VD 续流，负载电压 uo 近似为零， 负载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感 L 使负载电 流连续且脉动小。 动画演示。

　　iG O io

　　a) 电路图t onT i1 I 10 i2 I 20 t1 E t t t off t

　　O uo

　　O iG iG O io O uo O t on i1 E t1

　　b)电流连续时的波形t off Tt I 20

　　tx

　　i2 t2 E EM t

　　t

　　图3-1 降压斩波电路得原理图及波形

　　c) 电流断续时的波形

　　3-5

　　3.1.1数量关系

　　降压斩波电路

　　电流连续ton ton Uo E E E ton tof f T负载电流平均值：U o EM Io R

　　负载电压平均值：

　　(3-1)

　　ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比

　　(3-2)

　　电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。3-6

　　3.1.1

　　降压斩波电路此种方式应用 最多

　　斩波电路三种控制方式

　　T不变，变ton —脉冲宽度调制(PWM)。 ton不变，变T —频率调制。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。

　　第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时 段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进 行解析。分V处于通态和处于断态 初始条件分电流连续和断续3-7

　　基于“分段线性”的思想，对降压斩波电 路进行解析 V通态期间，设负载电流为i1,可列 出如下方程： d i1 L d t Ri1 EM E (3-3) 设此阶段电流初值为I10, =L/R,解 上式得 t ti1 I10e

　　E EM R

　　V断态期间，设负载电流为i2,可列出 如下方程： 设此阶段电流初值为I20,解上式得：t E M i2

　　I 20e 1 e R t

　　1 e

　　( 3 4)

　　d i2 L Ri 2 EM 0 (3-5) dt(3 6)

　　当电流连续时，有： I10 i2 (t2 )

　　I 20 i1 (t1 )

　　(3 7) (3 8)3-8

　　即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值， 反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电 流值。由式(3-4)、( 3-6)、( 3-7)、(3-8)得出： t / e 1 1 E EM e 1 E I10 e 1 m R eT / 1 R R (3-9) 1 e t1 / E EM 1 e E I 20 1 e m R (3-10) 1 e T / R R t1 T t / m EM / E ;1 式中: T / ; T 。由图3-1b可知，I10

　　和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式(3-9)和式(3-10)用泰勒级数近似，可得 m E I I I 10 20

　　(3-11)

　　R

　　o

　　上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负 载电流平均值Io,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。3-9

　　3.1.1

　　降压斩波电路

　　同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变

　　电源只在V处于通态时提供能量，为 EI oton在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT

　　一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。 E EM 2 EIoton RI o T EM I oT Io R

　　EI1 EI o U o I o

　　t on I1 I o I o T

　　输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。3-10

　　3.1.1

　　降压斩波电路式(3-6)

　　负载电流断续的情况：I10=0,且t=tx时，i2=0式(3-4)

　　1 (1 m)e t x ln (3-16) m

　　电流断续的条件：

　　txtoff

　　e 1 m e 1 t

　　(3-17)

　　i1 I10 e t

　　E EM R

　　t 1 e

　　t E M i2 I 20e 1 e R

　　(3 6)

　　3-11

　　3.1.1

　　降压斩波电路

　　输出电压平均值为： t E (T ton tx ) EM U o on T ton tx 1 m E T 负载电流平均值为：tx 1 ton I o i1 d t i2 d t 0 T 0 ton tx E U o Em m T R R

　　(3-18)

　　(3-19)

　　3-12

　　3.1.2

　　升压斩波电路

　　升压斩波电路 (Boost Chopper) 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构储存电能

　　保持输 出电压

　　3-13

　　3.1.2工作原理

　　升压斩波电路

　　假设L和C值很大。V处

　　于通态时，电源E向电感 L充电，电流恒定I1,电容C 向负载R供电，输出电压Uo 恒定。 V处于断态时，电源E和电感 L同时向电容C充电，并向负 载提供能量。 动态演示。3-14a) 电路图

　　iGE0

　　ioI10 b) 波形

　　图3-2 升压斩波电路及工组波形

　　3.1.2数量关系

　　升压斩波电路

　　设V通态的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff,则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： EI1ton (Uo E) I1toff (3-20)ton tof f T E E 化简得：U o tof f tof f

　　(3-21)

　　T/toff1,输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

　　tof f 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ,即 b T b和 的关系： b 1 (3-22) 1 1 因此，式(3-21)可表示为 U o E E (3-23) b 1 3-15

　　3.1.2

　　升压斩波电路电容C可将输出电压保持住

　　电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R 消耗，即 ： EI1 U o I o 。 (3-24)

　　与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：Io

　　电源电流的平均值Io为：

　　Uo 1 E R b R

　　(3-25)

　　Uo 1 E I1 Io 2 E b R

　　(3-26)3-16

　　3.1.2

　　升压斩波电路

　　2) 升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正(PFC)电路 三是用于其他交直流电源中

　　用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈 给直流电源。 电动机电枢电流连续和 断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是 恒定的，不必并联电容 器。 图3-3 动画演示。

　　u

　　a)o

　　E

　　uo

　　E

　　O i

　　t i1 I10

　　i2

　　O io

　　t

　　i20

　　1

　　i I 20 t T1

　　2

　　I O

　　I toff

　　10

　　t

　　on

　　t

　　O

　　t

　　on

　　t

　　x

　　t

　　T b)

　　toff

　　2

　　t

　　c)

　　用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a) 电路图 b) 电流连续时 c) 电流断续时

　　3-17

　　3.1.2数量关系

　　升压斩波电路

　　当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1,得下式： d i1 (3-27) L Ri1 EM dt 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2,得下式：L d i2 Ri 2 EM E dt(3-29)

　　当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电 枢电流的平均值Io,即I o m b E EM bE R R(3-36)

　　该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电 压看作是被降低到了bE。3-18

　　3.1.2

　　升压斩波电路

　　如图3-3c,当电枢电流断续时： 当t=0时刻i1=I10=0,令式(3-31) 中I10=0即可求出I20,进而可写出uo

　　E

　　i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0,可求得i2持 续的时间tx,即1 me t x ln 1 m to n

　　O io

　　t

　　i

　　1

　　i I20

　　2

　　O

　　t

　　on

　　tT c)

　　1

　　t

　　x

　　toff

　　2

　　t

　　t

　　txt0ff1 e

　　b m 1 e

　　图3-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形

　　--------电流断续的条件3-19

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)电路结构

　　3-20

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使 其贮能，此时电流为i1。同时， C维持输出电压恒定并向负载 R供电。 V断时，L的能量向负载释放， 电流为i2。负载电压极性为上 负下正，与电源电压极性相 反，该电路也称作反极性斩 波电路。 动态演示。

　　i1 IL

　　ton

　　a) toff

　　oi2 IL

　　t

　　ob)

　　t

　　图3-4 升降压斩波电路及其波形 a)电路图 b)波形 3-21

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

　　V处于通态 uL = E

　　T

　　uL d t 0

　　(3-39)

　　E ton U o tofftoff

　　(3-40)

　　V处于断态 uL = - uo

　　所以输出电压为： U ton E o

　　ton E E (3-41) T ton 1 3-22

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路结论当01/2时为降压，当1/21时为升压，故称作升降 压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。 图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者 的平均值分别为I1和I2,当电流脉动足够小时，有：t I1 on I2 t off(3-42)i1 IL t ton toff

　　toff 1 (3-43) i o 2 I2 I1 I1 由上式得： IL ton

　　EI1 U o I 2

　　(3-44)

　　ob)

　　t

　　其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。3-23

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2) Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

　　图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a) 电路图 b) 等效电路 3-24

　　3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系同理： V处于通态的时间ton,则电容电流和时间的乘积为I2ton。 V处于断态的时间toff,则电容电流和时间的乘积为I1 toff。 由此可得： I 2ton I1toff (3-46) t T ton I2 1 off (3-46) I1 ton ton Uo

　　T

　　iC d t 0

　　(3-45)

　　优点(与升降压斩波电路相比):

　　ton ton E E E toff T ton 1

　　(3-48)

　　输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。3-25

　　3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构

　　Sepic电路原理V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2 回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，E—L1—C1—VD—负载回路 及L2—VD—负载回路同时导电，此 阶段E和L1既向负载供电，同时也向 C1充电(C1贮存的能量在V处于通态时向 L2转移)。a) Se

　　pic斩波电路

　　输入输出关系： 图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 ton ton Uo E E E (3-49) toff T ton 1 3-26

　　b) Zeta斩波电路

　　3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路原理V处于通态期间，电源E经开关 V向电感L1贮能。

　　V 关断后， L1 - VD - C1 构成振荡回路， L1的能量转移至C1, 能量全部转移至C1上之后，VDb) Zeta斩波电路

　　图3-6 Sepic斩波电路 关断，C1经L2向负载供电。 和 Zeta斩波电路 输入输出关系： U o E (3-50) 1 相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均 连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。

　　两种电路输出电压为正极性的。3-27

　　3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路

　　3.2.1 电流可逆斩波电路3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路

　　3-28

　　3.2.1

　　电流可逆斩波电路

　　复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 电流可逆斩波电路斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可 电动运行，又可再生制动。 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组 合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能 是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。3-29

　　3.2.1电路结构

　　电流可逆斩波电路

　　V1和VD1构成降压斩波电路，电动机 为电动运行，工作于第1象限。

　　V2和VD2构成升压斩波电路，电动机 作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电 源短路。

　　uo

　　a) 电路图

　　io

　　iV1 iD2

　　iD1 iV2 b)

　　t

　　工作过程(三种工作方式)

　　t

　　图3-7 电流可逆斩波电路及波形

　　第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压 斩波电路工作。 当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作， 让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。 电路响应很快。3-30

　　3.2.2

　　桥式可逆斩波电路

　　桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。 使 V4 保持通时，等效为图 3-7a 所示的电流可逆斩波电 路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流 可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工 作于第3、4象限 。

　　图3-8 桥式可逆斩波电路3-31

　　3.2.3 多相多重斩波电路 基本概念 多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个 结构相同的基本斩波电路而 构成

　　相数

　　一个控制周期 中电源侧的电 流脉波数 负载电流脉波数

　　重数

　　3

　　-32

　　3.2.3 多相多重斩波电路3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个 降压斩波电路单元并联 而成。总输出电流为 3 个斩波电路单元输出 电流之和，其平均值为单元输出电流 平均值的3倍，脉动频率也为3倍。 总的输出电流脉动幅值变得很小 。1

　　O u2 O u3 O uo O i1 O i2 O i3 O io O

　　t t t t t t t

　　所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率(电流脉动幅 值与电流平均值之比)与相数的平方成 反比。

　　t

　　图3-9 3相3重斩波电路及其波形

　　3-33

　　3.2.3 多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为 3 个独立负载时， 则为3相1重斩波电路。而当电源为 3 个独立电源，向一个负载供电时， 则为1相3重斩波电路。 多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电 路单元可互为备用。

　　3-34

　　本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电 路及多相多重斩波电路。 本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波 电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出 关系、电路解析方法、工作特点 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关 电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用 在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的 一大热点。3-35