第3章直流斬波電路

1、1第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言直流直流-直流變換器直流變換器（DC/DC Converter）直接直接直流直流-直流變換器直流變換器（又稱直流斬波電路（又稱直流斬波電路DC Chopper）間接間接直流直流-直流變換器直流變換器（直流（直流 交流交流-直流變換器）直流變換器）2 直流斬波直流斬波電路的種類電路的種類6種基本斬波電路：種基本斬波電路： 降壓斬波電路、升壓斬波電路、降壓斬波電路、升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、斬波電路、 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合

2、。基本斬波電路組合。多相多重斬波電路多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)的相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路基本斬波電路組合。組合。3本章重點本章重點降壓斬波電路和升壓斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路 理解其基本工作原理；理解其基本工作原理； 掌握其輸入輸出關(guān)系；掌握其輸入輸出關(guān)系； 電路解析方法；電路解析方法； 工作特點；工作特點；4 全控型器件。若為晶閘全控型器件。若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管續(xù)流二極管負載負載出現(xiàn)出現(xiàn)的反的反電動電動勢勢典型用途：典型用途：拖動直流電動機拖動直流電動機 帶蓄電池負載帶蓄電池負載 3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 （Buck Chopper)

3、3.1 基本斬波電路基本斬波電路5工作原理工作原理圖3-1 降壓斬波電路的原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源E向向負載供電，負載電壓負載供電，負載電壓uo=E，負，負載電流載電流io按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制時控制V關(guān)斷，二極管關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓續(xù)流，負載電壓uo近似為零，近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感通常串接較大電感L使負載電使負載電流連續(xù)且脈動小。流連續(xù)且脈動小。uGEuGE6數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系L值足夠大，負載電流連續(xù)時值足夠大，負載電流連續(xù)時負載電壓平均值：負載電壓平均值：EETtdtEdtT

4、UontTtoonon001（3-1）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 -導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比uGE7REUIMoo（3-2）負載電流平均值：負載電流平均值：8 L值不足夠大，負載值不足夠大，負載電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時 與負載電流連續(xù)時相比，與負載電流連續(xù)時相比，Uo被抬高，一般被抬高，一般不希望出現(xiàn)。不希望出現(xiàn)。 uGE9斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式T不變，變不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（第六章（第六章PWM）ton不變，變不變，變T 頻率調(diào)制。頻率調(diào)制。ton和和T都可調(diào)來改變占空比都可調(diào)來改變占空比混合型?；旌闲?。此種方式應(yīng)此種方式應(yīng)用最多用最多

5、10基于基于“分段線性分段線性”的思想，對降壓斬波電路的思想，對降壓斬波電路進行解析。進行解析。分分V處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài)初始條件分初始條件分電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)11V處于通態(tài)期間處于通態(tài)期間EERidtdiLM 11設(shè)負載電流為設(shè)負載電流為i1，可列出如下方程：，可列出如下方程：設(shè)此階段電流初值為設(shè)此階段電流初值為I10，解得，解得)1 (101 tMteREEeIi 其中其中RL 1t2uGE12V處于斷態(tài)期間處于斷態(tài)期間022 MERidtdiL設(shè)負載電流為設(shè)負載電流為i2，可列出如下方程：，可列出如下方程：設(shè)此階段電流初值為設(shè)此階段電流初值為I20，解得，解得)

6、1 (202 ononttMtteREeIi 其中其中RL 2t2uGE13V處于通態(tài)期間處于通態(tài)期間)1(101 tMteREEeIi V處于斷態(tài)期間處于斷態(tài)期間)1(202 ononttMtteREeIi 當電流連續(xù)時，當電流連續(xù)時，)()(11202210tiItiI t2uGE14解得解得REmeeIREmeeI)11()11(2010 其中其中 T EEmM 1t I10和和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值泰勒級泰勒級數(shù)近似數(shù)近似oIREmII )(2010 泰勒級數(shù)展開泰勒級數(shù)展開! 3! 2132nxxxxenx 15TIETRIoM

7、2o還可以從還可以從能量傳遞關(guān)系能量傳遞關(guān)系出發(fā)更簡單地推導(dǎo)出發(fā)更簡單地推導(dǎo) 由于由于L為無窮大，故負載電流維持為為無窮大，故負載電流維持為Io不變不變 電源電源E只在只在V處于通態(tài)時提供能量，為處于通態(tài)時提供能量，為 在整個周期在整個周期T中，負載消耗的能量為中，負載消耗的能量為onotEI 一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMo16輸出功率等于輸入功率，輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器直流降壓變壓器。ooon1IITtIooo1I

8、UEIEI設(shè)設(shè)L值無窮大，能使負載電流連續(xù)且平直，則電源值無窮大，能使負載電流連續(xù)且平直，則電源E的電流平均值的電流平均值電源電源E輸出的功率為：輸出的功率為：17 負載電流斷續(xù)的情況：負載電流斷續(xù)的情況： I10=0，且，且t= ton+ tx時，時，i2=0memt)1 (1lnx（3-16）tx1，輸出電壓高于電源電壓，輸出電壓高于電源電壓， 故稱之為故稱之為升壓斬波電路升壓斬波電路 升壓比；升壓比；升壓比的倒數(shù)記作升壓比的倒數(shù)記作b b ，即，即 升壓比升壓比b b和占空比和占空比 的關(guān)系：的關(guān)系：因此，式（因此，式（3-21）可表示為）可表示為 off/tT1bEEUb111oTto

9、ffbEtTUoffo 22電壓升高的原因：電感電壓升高的原因：電感L儲能使儲能使電壓泵升電壓泵升 電容電容C可將輸出電壓可將輸出電壓保持保持住住因電感儲存的能量的釋放而導(dǎo)致的因電感儲存的能量的釋放而導(dǎo)致的電容電壓的升高，稱為泵升電壓電容電壓的升高，稱為泵升電壓23如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載由負載R消耗，即消耗，即 ： 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流直流變壓器變壓器。oo1IUEI 輸出電流的平均值輸出電流的平均值Io為：為：RERUIb1oo(3-25)電源電流的平均值電源電流的

10、平均值I1為：為：REIEUI2oo11b(3-26)242. 升壓斬波電路典型應(yīng)用升壓斬波電路典型應(yīng)用一是用于一是用于直流電動機傳動直流電動機傳動二是用作單相功率因數(shù)校正（二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路）電路三是用于其他交直流電源中三是用于其他交直流電源中25ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖圖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） 電路圖電路圖 b） 電流連續(xù)時電流連續(xù)時 c） 電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時用于直流電動機傳動用于直

11、流電動機傳動當直流電動機再生制動時，把電能回饋給直流電源。當直流電動機再生制動時，把電能回饋給直流電源。實際電路中電感實際電路中電感L值不可能為無窮大，因此，電動機值不可能為無窮大，因此，電動機電樞電流存在連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。電樞電流存在連續(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。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。26當當V處于處于通態(tài)通態(tài)時，時，VD承受反壓而截止，設(shè)電動機電承受反壓而截止，設(shè)電動機電樞電流為樞電流為i1，得下式：，得下式：M11ddERitiL(3-27)i127當當V處于處于斷態(tài)斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為時，設(shè)電動機電樞電流為i2，得

12、下式：，得下式：EERitiLM22dd（3-29）i228與降壓斬波電路的推導(dǎo)過程一樣，當與降壓斬波電路的推導(dǎo)過程一樣，當電流連續(xù)電流連續(xù)時，時，考慮到初始條件，電樞電流的平均值考慮到初始條件，電樞電流的平均值Io為為REEREmIobbM（3-36）該式表明，以電動機一側(cè)為基準看，可將直流電源電該式表明，以電動機一側(cè)為基準看，可將直流電源電壓看作是被降低到了壓看作是被降低到了 。Eb29如圖如圖3-3c，當電樞電流斷續(xù)時：，當電樞電流斷續(xù)時：當當t=0時刻時刻i1=I10=0，令式（，令式（3-31）中）中I10=0即可求出即可求出I20，進而，進而可寫出可寫出 i2的表達式。的表達式。另

13、外，當另外，當t=t2時，時，i2=0，可求得，可求得i2持續(xù)的時間持續(xù)的時間tx，即，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mmett11lnonxbeem11-電流斷續(xù)電流斷續(xù)的條件的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20303.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)31升降壓斬波電路基本工作原理升降壓斬波電路基本工作原理ototi1i2tontoffILILV通時，電源通時，電源E經(jīng)經(jīng)V向向L供電使其儲能，此時電流

14、供電使其儲能，此時電流為為i1。同時，。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載維持輸出電壓恒定并向負載R供電。供電。32ototi1i2tontoffILILV斷時，斷時，L的能量向負載釋放，電流為的能量向負載釋放，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。相反，該電路也稱作反極性斬波電路。33數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系dttdiLtuLL)()( )0()(1)(0LtLLidttuLti ototi1i2tontoffILILT tLLdttuLti0)(1)( TLLdttuLTi0)(1)( TLdttuL0)(10 T

15、Ldttu0)(034穩(wěn)態(tài)時，一個周期穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感內(nèi)電感L兩端電壓兩端電壓uL對時間對時間的積分為零，即的積分為零，即Ttu0L0d所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffonoV處于通態(tài)處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)處于斷態(tài)uL = - UooffoontUtE35b中給出了電源電流中給出了電源電流i1和負載電流和負載電流i2的波形，設(shè)的波形，設(shè)兩者的平均值分別為兩者的平均值分別為I1和和I2，當電流脈動足夠，當電流脈動足夠小時，有：小時，有： 結(jié)論結(jié)論當當0 1/2時為降壓，當時為降壓，當1/2 1時為升壓，時為升壓，故稱作故稱作升降壓斬波電路升降壓斬

16、波電路。也有稱之為。也有稱之為buck-boost 變換器變換器。otb)oti1i2tontoffILILEU 1o輸輸出出電電壓壓36offon21ttII（3-42）由上式得由上式得：11onoff21IIttI（3-43）其輸出功率和輸入功率相等，可看作其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器直流變壓器。2o1IUEI ototi1i2tontoffILIL372. Cuk斬波電路斬波電路V通時，通時，EL1V回路和回路和RL2CV回路有電流?；芈酚须娏?。V斷時，斷時，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有電回路有電 流。流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓的極性與電源電

17、壓極性相反。電路相當于開關(guān)電路相當于開關(guān)S在在A、B兩點之間交替切換。兩點之間交替切換。圖圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路斬波電路及其等效電路a） 電路圖電路圖 b） 等效電路等效電路38數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系dttduCtiCC)()( )0()(1)(0CtCCudttiCtu tCCdttiCtu0)(1)(0)(1)(0 TCCdttiCTu0)(0 TCdtti39Tti0C0d（3-45）V處于通態(tài)的時間處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘，則電容電流和時間的乘積為積為I1 t

18、off。由此可得：。由此可得：off1on2tItI1onononoff12ttTttII（3-46）40q 輸出電壓輸出電壓Uo與輸入電壓與輸入電壓E的關(guān)系的關(guān)系開關(guān)開關(guān)S合到合到B點時，點時，uB=0， uA=-uC 開關(guān)開關(guān)S合到合到A點時，點時，uA=0， uB=uC 因此，因此，A點電壓點電壓uA的平均值的平均值 B點電壓點電壓uB的平均值的平均值CoffBUTtU ConAUTtU 41電感電感L1的電壓平均值為的電壓平均值為0CoffBUTtUE 42電感電感L2的電壓平均值為的電壓平均值為0ConAOUTtUU 43EEtTtEttU1ononoffono（3-48） 優(yōu)點優(yōu)點

19、（與升降壓斬波電路相比）：（與升降壓斬波電路相比）：不論不論V是通是斷，輸入電源和輸出負載上都有電流，是通是斷，輸入電源和輸出負載上都有電流，脈動小，有利于對輸入、輸出進行濾波。脈動小，有利于對輸入、輸出進行濾波。44電感電感L1的電壓平均值為的電壓平均值為00)( offContUEtECoffUTtE 另外一個角度推導(dǎo)輸出電壓另外一個角度推導(dǎo)輸出電壓Uo與輸入電壓與輸入電壓E的關(guān)系的關(guān)系45電感電感L2的電壓平均值為的電壓平均值為00)0()( offOonCOtUtUUConOUTtU 46CoffUTtE ConOUTtU EEtTtEttU1ononoffono473.1.4 Sep

20、ic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Sepic電路原理電路原理V通態(tài)，通態(tài)，EL1V回路和回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，回路同時導(dǎo)電，L1和和L2貯能。貯能。V斷態(tài)，斷態(tài)，EL1C1VD負載負載回路及回路及L2VD負載負載回路同時導(dǎo)電，此階段回路同時導(dǎo)電，此階段E和和L1既向負載供電，同時也既向負載供電，同時也向向C1充電（充電（C1貯存的能量在貯存的能量在V處于通態(tài)時向處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）轉(zhuǎn)移）輸入輸出關(guān)系：輸入輸出關(guān)系：EEtTtEttU1ononoffono48Zeta斬波電路原理斬波電路原理V處于通態(tài)期間，電源處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)經(jīng)開關(guān)V向電感向電感L1貯能。貯能。

21、V關(guān)斷后，關(guān)斷后，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路，構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移的能量轉(zhuǎn)移至至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，上之后，VD關(guān)斷，關(guān)斷，C1經(jīng)經(jīng)L2向向負載供電。負載供電。輸入輸出關(guān)系：輸入輸出關(guān)系：EU1o49 相同的輸入輸出關(guān)系。相同的輸入輸出關(guān)系。 Sepic電路的電源電流和負載電流均電路的電源電流和負載電流均連續(xù)連續(xù)； Zeta電路的輸入、輸出電流均是電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)斷續(xù)的。的。 兩種電路輸出電壓為兩種電路輸出電壓為正極性正極性的。的。 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路相比：斬波電路相比：50復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬

22、波電路組合構(gòu)成降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路多相多重斬波電路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)成相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路513.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既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?？呻妱舆\行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機工作于第降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第升壓斬波電路能使電動機工

23、作于第2象限。象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路與與升壓斬波電路升壓斬波電路組合組合。此電路電動機的電樞電流可。此電路電動機的電樞電流可正正可可負負，但電壓，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。52ttb)uoioiV1iD1iV2iD2電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)a) 電路圖V1和和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第電動機為電動運行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作電動機作再生制動運行，工作于第于第2象限。象限。必

24、須必須防止防止V1和和V2同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通而導(dǎo)而導(dǎo)致的電源短路。致的電源短路。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形53ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a) 電路圖工作過程（工作過程（三種工作方式三種工作方式)第第1種工作方式：使種工作方式：使V2和和VD2總處于斷態(tài)，只作降總處于斷態(tài)，只作降壓斬波器運行。壓斬波器運行。第第2種工作方式：使種工作方式：使V1和和VD1總處于斷態(tài)，只作升總處于斷態(tài)，只作升壓斬波器運行。壓斬波器運行。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形54ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a) 電路圖第第3種工作方式：在一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波種工作方式：在一個周期內(nèi)交替

25、地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當降壓斬波電路或升壓斬電路和升壓斬波電路工作。當降壓斬波電路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，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，這樣電動機電樞回路總有電流流讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。例如：當降壓斬波電路的過。例如：當降壓斬波電路的V1關(guān)斷后由于積蓄的關(guān)斷后由于積蓄的能量很少，經(jīng)過較短時間能量很少，經(jīng)過較短時間L的儲能即釋放完畢，電樞的儲能即釋放完畢，電樞電流為零。這時使電流為零。這時使V2導(dǎo)通，由于電動機的反電動勢導(dǎo)通，由于電動機的反電動勢EM的作用使電樞中有反向電流流過，的作用

26、使電樞中有反向電流流過，L積蓄能量。積蓄能量。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形55ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a) 電路圖等等V2關(guān)斷后，由于關(guān)斷后，由于L積蓄的能量和積蓄的能量和EM共同作用使共同作用使VD2導(dǎo)通，向電源反送能量。當導(dǎo)通，向電源反送能量。當L積蓄的能量釋放完積蓄的能量釋放完畢即反向電流變?yōu)榱銜r再使畢即反向電流變?yōu)榱銜r再使V1導(dǎo)通，又有正向電流導(dǎo)通，又有正向電流流通，如此循環(huán)，兩個斬波器交替工作。流通，如此循環(huán)，兩個斬波器交替工作。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形563.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路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。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 使使V4保持通時，等效為圖保持通時，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電所示的電流可逆斬波電路，提供路，提供正電壓正電壓，可使電動機工作于，可使電動機工作于第第1、2象限象限。使使V2保持通時，保持通時，V3、VD3和和V4、VD4等效為又一組