第3章直流斬波電路-精品課程平臺(tái)-蘭州理工大學(xué)

1、1第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路2第第3 3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言直流斬波電路（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：降壓斬波電路降壓斬波電路、升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。33.13.1 基本斬波電路基本斬波電路43.1.13.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路

2、 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(shì)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。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)Buck Chopper)5工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖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)

3、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。6數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負(fù)載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（3-1）REUIMoo（3-2）tonV通的時(shí)間通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間斷的時(shí)間 a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比 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：7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?；凇胺侄尉€性”的思想

4、，對(duì)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)和斷續(xù)8TIETRIoM2o同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo) 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(shí)提供能量，為 在整個(gè)周期T中，負(fù)載消耗的能量為onotEI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。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI9 負(fù)載電流斷續(xù)的情況：負(fù)載電流斷續(xù)的情況： I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0式（3-7）式（3-6）memt)1 (1lnx（3-16）tx1，輸

5、出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和a的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（3-23）（3-22）13電壓升高得原因：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?jī)H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。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(3-25)電源電流的平均值Io為：REIEUI2oo11b(3-26)142) 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

6、（PFCPFC）電路三是用于其他交直流電源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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。15數(shù)量關(guān)系當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL(3-27)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：EERitiLM22dd（3-29）當(dāng)

7、電流連續(xù)時(shí)，考慮到初始條件，近似L無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM（3-36）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 。Eb16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mmett11lnonxbeem11-電流斷續(xù)的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20173.1.33.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電

8、路和CukCuk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)(buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)18基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL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，該電路也稱作反極性斬波電路。動(dòng)態(tài)演示。19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(duì)時(shí)間的積分為零，即Ttu0L0d（3-39）所以輸出電壓為：E

9、EtTtEttU1ononoffono（3-41）V處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE（3-40）20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：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（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。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL212) Cuk2) Cuk斬波電路斬波電

10、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22同理：數(shù)量關(guān)系Tti0C0d（3-45）V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-46）EEtTtEttU1ononoffono（3-48） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和

11、輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很 小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。23b) Zeta斬波電路3.1.4 3.1.4 SepicSepic斬波電路和斬波電路和ZetaZeta斬波電路斬波電路a) Sepic斬波電路圖3-6 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電路結(jié)構(gòu)Speic電路原理V通態(tài)，E EL L1 1V V回路和C C1 1V VL L2 2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，E EL L1 1C C1 1VDVD負(fù)載負(fù)載回路及L L2 2VDVD負(fù)載負(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：EEtTtEt

12、tU1ononoffono（3-49）24Zeta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，L L1 1VDVDC C1 1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(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EU1o（3-50）相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負(fù)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253.23.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?6復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路

13、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。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路27ttb)uoioiV1iD1iV2iD2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V

14、2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過程（三種工作方式)第3種工作方式：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)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。電路響應(yīng)很快。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形28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

15、于第3、4象限 。293.2.33.2.3 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐坊靖拍疃嘞喽嘀財(cái)夭娐吩陔娫春拓?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)30tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3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?？傒敵鲭娏鳛?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?？偟妮敵鲭娏髅}動(dòng)幅值變得很小 。所需平波電抗器總重量大為減輕?？傒敵鲭娏髯畲竺}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?1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 3相相1 1重?cái)夭娐分財(cái)夭娐贰６?dāng)電源為3個(gè)獨(dú)立電源，