電力電子第4章直流斬波

第4章

直流/直流變換－直流斬波器

理想的電力電子變換器

為獲得開關(guān)型變換器的基本工作特性，簡化分析，假定的理想條件是：（1）開關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄啵驈淖钄嘧優(yōu)閷?dǎo)通的過渡過程時間均為零；（2）開關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無限大，漏電流為零；（3）電路中的電感和電容均為無損耗的理想儲能元件；（4）線路阻抗為零。電源輸出到變換器的功率等于變換器的輸出功率。4.1直流降壓斬波電路

4.2直流升壓斬波電路

4.3直流升降壓斬波電路

4.4橋式直流斬波調(diào)壓電路

4.5斬波電路的驅(qū)動控制

小結(jié)4.1直流降壓斬波電路

一電阻和電感負(fù)載

t=0IGBT導(dǎo)通，ud＝E。

t=toff,IGBT關(guān)斷，電感L經(jīng)二極管D續(xù)流,

ud

＝0，

輸出平均電壓:

式中：T為開關(guān)周期；為占空比α≦1，

Ud≦E，降壓斬波。

在IGBT導(dǎo)通區(qū)間有電流id,經(jīng)E+→IGBT→L→R→E-,二極管D截止，列電路電壓方程為：

當(dāng)t=toff

時id達到I20,同時IGBT關(guān)斷。電感L經(jīng)電流R和二極管D續(xù)流，回路電壓方程為：在I10＝I30，

I20＝I40，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)。一般PWM調(diào)制的斬波電路，脈沖頻率都比較高，在占空比α較大時，較小的電感L就可以使電流連續(xù),且電流電流連續(xù)時，電流的脈動很小，可以認(rèn)為電流id不變。在占空比α較小時，電感儲能不足，仍會出現(xiàn)電流斷續(xù)（圖4.1e,f）。

如果在負(fù)載R上并聯(lián)電容，則相當(dāng)于增加了電容濾波。在電容很大時，負(fù)載側(cè)電壓可視為恒值，但實際電容都是有限制的，負(fù)載側(cè)電壓仍會有脈動。

二反電動勢負(fù)載

T導(dǎo)通時的電路方程：

T關(guān)斷時：在電流連續(xù)時忽略電流的脈動，則式中：

在占空比較小時id會斷續(xù)（圖4.2c）。在電流斷續(xù)時，負(fù)載側(cè)電壓ud=EM,顯然電流斷續(xù)后電樞側(cè)平均電壓較電流連續(xù)時抬高，機械特性上翹特性變軟

電流斷續(xù)時理想空載轉(zhuǎn)速,

返回LC濾波的buck直流輸出電壓中含有各次諧波電壓，在Buck開關(guān)電路的輸出端與負(fù)載之間加接一個LC濾波電路，減少負(fù)載上的諧波電壓。濾波電感的作用：對交流高頻電壓電流呈高阻抗，對直流暢通無阻濾波電容的作用：對直流電流阻抗為無窮大，對交流電流阻抗很小。濾波器電抗對諧波的阻抗為：ωL濾波器電容對諧波的阻抗為：1/ωC如果：各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。直流量通過濾波器時其大小不受任何影響。濾波Buck變換器有兩種可能的運行工況：（1）電感電流連續(xù)模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指電感電流在整個開關(guān)周期中都不為零；（2）電感電流斷流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在開關(guān)管T阻斷期間內(nèi)經(jīng)二極管續(xù)流的電感電流已降為零。二者的臨界：稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)：指開關(guān)管阻斷期結(jié)束時，電感電流剛好降為零。1.電流連續(xù)時只有兩種開關(guān)狀態(tài)(2)開關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷,D管導(dǎo)通(1)開關(guān)狀態(tài)1：T管導(dǎo)通,D管阻斷Q:電流連續(xù)模式跟哪些因素有關(guān)?4.2直流升壓斬波電路(電感電流連續(xù)）

狀態(tài)一開關(guān)管T導(dǎo)通時，電流經(jīng)電感L、T流通，

iL上升,電感儲能。負(fù)載R由電容C提供電流，二極管的作用是阻斷電容經(jīng)開關(guān)管T放電的回路。開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通時間為Ton設(shè)占空比則狀態(tài)二

T關(guān)斷時，二極管D導(dǎo)通，電容C在電源E和電感反電動勢eL

的共同作用下充電，電感釋放儲能，電流iL下降，iL同時提供電容的充電電流和負(fù)載電流iR。如果電容足夠大，電容兩端電壓ud波動不大(

)，負(fù)載R的電流iR是連續(xù)的。

設(shè)，D導(dǎo)通時間為（t-Ton）,可得

在電路穩(wěn)定后，聯(lián)解式4.12和式4.14，可得

當(dāng)占空比α越接近于1，Ud越高，因為在T關(guān)斷區(qū)間，電容C在電源E和電感反電動勢eL

的共同作用下充電，因此負(fù)載側(cè)電壓Ud可以大于E，電路起升壓作用。

如果是輕載狀態(tài)，iR很小，電容充電電流大于放電電流，負(fù)載側(cè)電壓可以不斷升到很高，這稱為“泵升電壓”，過高的電壓將損壞電路元器件，因此升壓電路不允許空載運行，并要注意采取過電壓保護措施。

(1)電流連續(xù)時

(2)電流斷續(xù)時

Boost三種工作狀態(tài)電感電流連續(xù)電感電流斷續(xù)電感電流臨界連續(xù)理想Boost變換器的變壓比T導(dǎo)通,D截止T阻斷，D導(dǎo)通1、電感電流連續(xù)的工作狀態(tài)工作電流的平均值表達式(電感電流連續(xù)）

假定負(fù)載電流平均值為IO輸入電流和電感電流的電流平均值均為：

通過二極管的電流ID等于負(fù)載電流IO

（電容的平均電流為零）

通過開關(guān)管T的電流平均值為：電感電流的脈動量為：通過開關(guān)管T和D的電流最大值與電感電流的最大值相等：

輸出電壓脈動等于開關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量，V0可近似地由下式確定理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小

T和D所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。理想Boost變換器開關(guān)器件所承受的最大電壓2、電感電流斷續(xù)的工作狀態(tài)VG>0,T管導(dǎo)通,D截止VG=0,T管阻斷，D導(dǎo)通

3、電感電流臨界連續(xù)的工作狀態(tài)臨界負(fù)載電流當(dāng)負(fù)載電流IO>IOB,電感電流連續(xù)當(dāng)負(fù)載電流IO=IOB

,電感電流處于連續(xù)與斷流的邊界當(dāng)負(fù)載電流IO<IOB,電感電流斷流返回4.3直流升降壓斬波電路

4.3.1

Buck-Boost

降壓－升壓斬波電路

狀態(tài)一開關(guān)T導(dǎo)通

電流iT=iL由電源E經(jīng)T和L,電流上升，電感L儲能，如果電感電流是連續(xù)的，則電流從T導(dǎo)通時的I01上升，如果電流是斷續(xù)的，電感電流則從0上升，終止電流I02同式4.12。在狀態(tài)一時，二極管D受反向電壓關(guān)斷，負(fù)載R由電容C提供電流。

狀態(tài)二

開關(guān)T關(guān)斷

開關(guān)T關(guān)斷時，電感電流iL從T關(guān)斷時的I02下降，并經(jīng)C、R的并聯(lián)電路，和二極管D流通，電感L釋放儲能，電容儲能。而電感電流iL

能否連續(xù)，則取決于電感的儲能。

如果在狀態(tài)一時，電感儲能不足，I02不夠大，不能延續(xù)到下次T導(dǎo)通，電感電流就斷續(xù)。如果電感和電容的儲能足夠大，或者盡管電感儲能不足，但是電容儲能足夠大，則負(fù)載電流id是連續(xù)的，否則負(fù)載電流要斷續(xù)。

在電路穩(wěn)定時

如果電容儲能足夠大，負(fù)載電壓不變ud=Ud，在T導(dǎo)通時（模式一），

uL=E,

iL的終止電流I02為；

占空比

（4.16）

在T關(guān)斷時（模式二），uL=Ud,

iL的終止電流I02為；

（4.17）

將式4.17代入式4.16，可得：

當(dāng)0≤α≤0.5時，Ud<E,在0.5≤α<1時，Ud>E,因此調(diào)節(jié)占空比α，電路既可以降壓也可以升壓。

圖4.7直流升降壓斬波電路工作狀態(tài)和波形

1.電感電流連續(xù)

2.電感電流斷續(xù)

4.3.2

Cuk升降壓斬波電路

Buck-Boost型斬波電路中，負(fù)載與電容并聯(lián)，電容充放電過程的電壓波動，引起負(fù)載電流的波動，因此Buck-Boost斬波電路輸入和輸出端的電流脈動量都較大。

Cuk電路的特點是輸入和輸出端都串聯(lián)了電感，減小了輸入和輸出電流的脈動，可以改善電路產(chǎn)生的電磁干擾問題。

模式一開關(guān)T導(dǎo)通

電源E經(jīng)L1和開關(guān)T短路，iL1線性增加，L1儲能電容C1經(jīng)開關(guān)T對C2和負(fù)載R放電，并使電感L2電流增加，L2儲能。在這階段中，因為C1釋放能量，二極管被反偏而處于截止?fàn)顟B(tài)。

模式二開關(guān)T截止

電流iL2連續(xù)

電感電流iL1經(jīng)二極管D續(xù)流，并且L1產(chǎn)生的電感電動勢與電源E順向串聯(lián)，對電容C1充電，uC1可以大于E。

L2經(jīng)二極管D產(chǎn)生維持負(fù)載C2和R的電流。如果L2儲能較大，L2的續(xù)流將維持到下一次T的導(dǎo)通電流iL2斷續(xù)如果L2儲能較小，續(xù)流在下一次T導(dǎo)通前就結(jié)束，電流iL2斷續(xù)，負(fù)載R由電容C2放電維持電流

在Cuk電路中，開關(guān)管T關(guān)斷時，電容C1由電源E和電感L1充電，產(chǎn)生升壓作用在開關(guān)管T導(dǎo)通時，電容C1經(jīng)過開關(guān)T向C2放電，C2兩端平均電壓因此有：

（4.19）

Cuk電路在不同工作情況下的波形圖返回4.4橋式直流斬波調(diào)壓電路

4.4.1半橋式電流可逆斬波電路

一個開關(guān)管組成的直流斬波電路可以調(diào)節(jié)直流輸出電壓，但是輸出電壓和電流的方向不變，如果負(fù)載是直流電動機，電動機只能作單方向電動運行，如果電動機需要快速制動或可逆運行，要采用橋式斬波電路。一電動狀態(tài)

T1以PWM信號驅(qū)動

T1導(dǎo)通時電流自電源E→T1→R→L→電動機。

T1關(guān)斷時電感儲能經(jīng)電動機和D2續(xù)流

二制動狀態(tài)

T2以PWM驅(qū)動信號

T2導(dǎo)通時，電動機經(jīng)電感L、T2形成回路，電感L電流上升。

T2關(guān)斷時，電動機反電動勢EM，和電感電動勢eL（左＋、右－）串聯(lián)相加，產(chǎn)生電流，經(jīng)D1將電能輸入電源E（圖4.9c）。調(diào)節(jié)T2驅(qū)動脈沖的占空比α可以調(diào)節(jié)Ud，控制制動電流。

4.4.2全橋式可逆斬波電路

T1、T3導(dǎo)通，電流自電路A點經(jīng)電動機流向B點，電動機正轉(zhuǎn)；

T2、T4導(dǎo)通時，電流自B點經(jīng)電動機流向A點，電動機反轉(zhuǎn)。橋式（H型）斬波電路驅(qū)動三種控制方式一雙極式斬波控制

模式1：T1、T3同時驅(qū)動導(dǎo)通（T2和T4關(guān)斷），電流id1自E+→T1→R→L→EM→T3→E-,L電流上升，eL和EM極性如圖。

T1、T3和T2、T4成對作PWM控制，并且驅(qū)動脈沖互補。為避免“直通”現(xiàn)象，上下橋臂兩個開關(guān)導(dǎo)通之間要留有一定的“死區(qū)”。

模式2：T1、T3關(guān)斷，T2、T4驅(qū)動，因為電感電流不能立即為0，電流id2的通路是E－→D4→R→L→EM→D2→E+,L電流下降。因為電感經(jīng)D2、D4續(xù)流，短接T2和T4不能導(dǎo)通。

AB間電壓Ud式中：占空比在Ton＝T時，α＝1；在Ton＝0時，α＝－1，占空比的調(diào)節(jié)范圍為－1≤α≤1。在－1≤α<0時，Ud<0,電動機反轉(zhuǎn)在0<α≤1時，Ud>0,電動機正轉(zhuǎn)模式3：－1≤α<0,Ud<0,即AB間電壓反向模式4：在電動機反轉(zhuǎn)狀態(tài)，T2、T4關(guān)斷T2、T4被驅(qū)動導(dǎo)通電流id3的流向：E+→T2→EM→L→R→T4→E-,L電流反向上升，電動機反轉(zhuǎn)。

L電流經(jīng)D1和D3續(xù)流，id4的流向：E-→D3→EM→L→R→D2→E+,

L電流反向下降。（a）正向電流（正轉(zhuǎn)）（b）反向電流（反轉(zhuǎn)）（c）零電流（停止）α從1→－1逐步變化，電動機電流id從正變到負(fù)在變化過程中電流始終連續(xù)。即使在α＝0時，Ud＝0，電動機不是完全靜止不動，是在正反電流作用下微振。

二單極式斬波控制

正轉(zhuǎn)時：T3門極給正信號（恒通），T2門極給負(fù)信號（恒關(guān)斷）反轉(zhuǎn)時：T2恒通，T3恒關(guān)斷，減小T2、T3開關(guān)損耗和直通可能。

T1、T4工作在互反的PWM狀態(tài)（調(diào)壓）以T2、T3控制電動機的轉(zhuǎn)向

正轉(zhuǎn)T1導(dǎo)通時狀態(tài)與雙極式圖4.11的模式1相同，

反轉(zhuǎn)T4導(dǎo)通時的工作狀態(tài)和模式3相同。

不同在T1或T4關(guān)斷時，電感L的續(xù)流回路模式2

和模式4。

在D4續(xù)流時，盡管T4被驅(qū)動，但是有導(dǎo)通的D4短接，T4不會導(dǎo)通。但是電感續(xù)流結(jié)束后（負(fù)載較小情況），D4截止，T4導(dǎo)通，電動機反電動勢EM將通過T4和D3形成回路（圖4.13b），電流反向，電動機處于能耗制動階段，。模式2－1（a）

模式2－1

正轉(zhuǎn)T1關(guān)斷時，因為T3恒通，電感L經(jīng)EM→T3→D4形成回路，電感能量消耗在電阻R上，ud=uAB=0。模式2－2模式2－2模式2－3T4關(guān)斷時，電感L將經(jīng)D1→E→D3放電（圖4.13c），電動機處于回饋制動狀態(tài)，

ud=uAB=E。

模式2－3電動機反轉(zhuǎn)時的情況與正轉(zhuǎn)相似，模式4有類似的變化。

式中：占空比

（4.21）Ton，在正轉(zhuǎn)時是T1的導(dǎo)通時間，在反轉(zhuǎn)時是T4的導(dǎo)通時間，Ud：正轉(zhuǎn)時為“＋”，反轉(zhuǎn)時應(yīng)為“－”。

三受限單極式斬波控制

正轉(zhuǎn):T1受PWM控制,T3恒通；

T4、T2恒關(guān)斷反轉(zhuǎn):

T4受PWM控制,

T2恒通。T1、T3恒關(guān)斷

無論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，都只有一只開關(guān)管處于PWM方式（T1或T4），減小了開關(guān)損耗和橋臂直通可能。

電流較小（輕載）時，沒有反電動勢EM經(jīng)過T4的通路，因此id將斷續(xù)，在斷續(xù)區(qū)間ud=EM，平均電壓Ud較電流連續(xù)時要抬高，即電動機輕載時轉(zhuǎn)速提高，機械特性變軟（圖4.3）。

電流連續(xù)時的工作狀態(tài)與單極式控制相同返回4.5斬波電路的驅(qū)動控制

PWM的驅(qū)動信號采用鋸齒波或三角波與脈寬控制信號Uct比較產(chǎn)生。單極性調(diào)制：載波（鋸齒波）沒有負(fù)值，是單極性的。雙極性調(diào)制：鋸齒波有正負(fù)值，控制信號Uct可以是正負(fù)直流。

集成模塊，如SG1524/1527,TL494,MC34060,可編程UC1840等

SG3525脈沖發(fā)生器

電源UCC1為8～35V，片內(nèi)基準(zhǔn)電壓用于產(chǎn)生5.1V片內(nèi)電源。振蕩電路由一個雙門限比較器，一個恒流源和外接充放電電容CT組成。鋸齒波的上升時間為：鋸齒波的周期為：振蕩頻率：式中：CT,RT,RD均為外接電容和電阻，且,RT>>RD鋸齒波的下降時間為：

PWM發(fā)生器由比較器組成。比較器輸出PW