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(kāi)關(guān)型變換器的基本工作特性，簡(jiǎn)化分析，假定的理想條件是：（1）開(kāi)關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間均為零；（2）開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無(wú)限大，漏電流為零；（3）電路中的電感和電容均為無(wú)損耗的理想儲(chǔ)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(dòng)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(kāi)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(shí)id達(dá)到I20,同時(shí)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(jìn)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(shí)，較小的電感L就可以使電流連續(xù),且電流電流連續(xù)時(shí)，電流的脈動(dòng)很小，可以認(rèn)為電流id不變。在占空比α較小時(shí)，電感儲(chǔ)能不足，仍會(huì)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(shí)，負(fù)載側(cè)電壓可視為恒值，但實(shí)際電容都是有限制的，負(fù)載側(cè)電壓仍會(huì)有脈動(dòng)。

二反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載

T導(dǎo)通時(shí)的電路方程：

T關(guān)斷時(shí)：在電流連續(xù)時(shí)忽略電流的脈動(dòng)，則式中：

在占空比較小時(shí)id會(huì)斷續(xù)（圖4.2c）。在電流斷續(xù)時(shí)，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(shí)抬高，機(jī)械特性上翹特性變軟

電流斷續(xù)時(shí)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(kāi)關(guān)電路的輸出端與負(fù)載之間加接一個(gè)LC濾波電路，減少負(fù)載上的諧波電壓。濾波電感的作用：對(duì)交流高頻電壓電流呈高阻抗，對(duì)直流暢通無(wú)阻濾波電容的作用：對(duì)直流電流阻抗為無(wú)窮大，對(duì)交流電流阻抗很小。濾波器電抗對(duì)諧波的阻抗為：ωL濾波器電容對(duì)諧波的阻抗為：1/ωC如果：各諧波經(jīng)過(guò)濾波器后幾乎衰減為零。直流量通過(guò)濾波器時(shí)其大小不受任何影響。濾波Buck變換器有兩種可能的運(yùn)行工況：（1）電感電流連續(xù)模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指電感電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都不為零；（2）電感電流斷流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在開(kāi)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(kāi)關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。1.電流連續(xù)時(shí)只有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)(2)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷,D管導(dǎo)通(1)開(kāi)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(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)電感L、T流通，

iL上升,電感儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管T放電的回路。開(kāi)關(guān)管IGBT的導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)on設(shè)占空比則狀態(tài)二

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

的共同作用下充電，電感釋放儲(chǔ)能，電流iL下降，iL同時(shí)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(dòng)不大(

)，負(fù)載R的電流iR是連續(xù)的。

設(shè)，D導(dǎo)通時(shí)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?yàn)樵赥關(guān)斷區(qū)間，電容C在電源E和電感反電動(dòng)勢(shì)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(guò)高的電壓將損壞電路元器件，因此升壓電路不允許空載運(yùn)行，并要注意采取過(guò)電壓保護(hù)措施。

(1)電流連續(xù)時(shí)

(2)電流斷續(xù)時(shí)

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(dá)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(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)管T的電流平均值為：電感電流的脈動(dòng)量為：通過(guò)開(kāi)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(dòng)等于開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chǔ)能，如果電感電流是連續(xù)的，則電流從T導(dǎo)通時(shí)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(shí)，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(kāi)關(guān)T關(guān)斷

開(kāi)關(guān)T關(guān)斷時(shí)，電感電流iL從T關(guān)斷時(shí)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(chǔ)能，電容儲(chǔ)能。而電感電流iL

能否連續(xù)，則取決于電感的儲(chǔ)能。

如果在狀態(tài)一時(shí)，電感儲(chǔ)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(chǔ)能足夠大，或者盡管電感儲(chǔ)能不足，但是電容儲(chǔ)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(shí)

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

uL=E,

iL的終止電流I02為；

占空比

（4.16）

在T關(guān)斷時(shí)（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(shí)，Ud<E,在0.5≤α<1時(shí)，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(guò)程的電壓波動(dòng)，引起負(fù)載電流的波動(dòng)，因此Buck-Boost斬波電路輸入和輸出端的電流脈動(dòng)量都較大。

Cuk電路的特點(diǎn)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(dòng)，可以改善電路產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題。

模式一開(kāi)關(guān)T導(dǎo)通

電源E經(jīng)L1和開(kāi)關(guān)T短路，iL1線性增加，L1儲(chǔ)能電容C1經(jīng)開(kāi)關(guān)T對(duì)C2和負(fù)載R放電，并使電感L2電流增加，L2儲(chǔ)能。在這階段中，因?yàn)镃1釋放能量，二極管被反偏而處于截止?fàn)顟B(tài)。

模式二開(kāi)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(dòng)勢(shì)與電源E順向串聯(lián)，對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，電容C1由電源E和電感L1充電，產(chǎn)生升壓作用在開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，電容C1經(jīng)過(guò)開(kāi)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(gè)開(kāi)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(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)只能作單方向電動(dòng)運(yùn)行，如果電動(dòng)機(jī)需要快速制動(dòng)或可逆運(yùn)行，要采用橋式斬波電路。一電動(dòng)狀態(tài)

T1以PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)

T1導(dǎo)通時(shí)電流自電源E→T1→R→L→電動(dòng)機(jī)。

T1關(guān)斷時(shí)電感儲(chǔ)能經(jīng)電動(dòng)機(jī)和D2續(xù)流

二制動(dòng)狀態(tài)

T2以PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

T2導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)電感L、T2形成回路，電感L電流上升。

T2關(guān)斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)EM，和電感電動(dòng)勢(shì)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(dòng)脈沖的占空比α可以調(diào)節(jié)Ud，控制制動(dòng)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(diǎn)經(jīng)電動(dòng)機(jī)流向B點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；

T2、T4導(dǎo)通時(shí)，電流自B點(diǎn)經(jīng)電動(dòng)機(jī)流向A點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。橋式（H型）斬波電路驅(qū)動(dòng)三種控制方式一雙極式斬波控制

模式1：T1、T3同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(duì)作PWM控制，并且驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)。為避免“直通”現(xiàn)象，上下橋臂兩個(gè)開(kāi)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(dòng)，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芰⒓礊?，電流id2的通路是E－→D4→R→L→EM→D2→E+,L電流下降。因?yàn)殡姼薪?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(shí)，α＝1；在Ton＝0時(shí)，α＝－1，占空比的調(diào)節(jié)范圍為－1≤α≤1。在－1≤α<0時(shí)，Ud<0,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)在0<α≤1時(shí)，Ud>0,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)模式3：－1≤α<0,Ud<0,即AB間電壓反向模式4：在電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，T2、T4關(guān)斷T2、T4被驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電流id從正變到負(fù)在變化過(guò)程中電流始終連續(xù)。即使在α＝0時(shí)，Ud＝0，電動(dòng)機(jī)不是完全靜止不動(dòng)，是在正反電流作用下微振。

二單極式斬波控制

正轉(zhuǎn)時(shí)：T3門(mén)極給正信號(hào)（恒通），T2門(mén)極給負(fù)信號(hào)（恒關(guān)斷）反轉(zhuǎn)時(shí)：T2恒通，T3恒關(guān)斷，減小T2、T3開(kāi)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向

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

反轉(zhuǎn)T4導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)和模式3相同。

不同在T1或T4關(guān)斷時(shí)，電感L的續(xù)流回路模式2

和模式4。

在D4續(xù)流時(shí)，盡管T4被驅(qū)動(dòng)，但是有導(dǎo)通的D4短接，T4不會(huì)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(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)EM將通過(guò)T4和D3形成回路（圖4.13b），電流反向，電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)階段，。模式2－1（a）

模式2－1

正轉(zhuǎn)T1關(guān)斷時(shí)，因?yàn)門(mén)3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(shí)，電感L將經(jīng)D1→E→D3放電（圖4.13c），電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)，

ud=uAB=E。

模式2－3電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)是T1的導(dǎo)通時(shí)間，在反轉(zhuǎn)時(shí)是T4的導(dǎo)通時(shí)間，Ud：正轉(zhuǎn)時(shí)為“＋”，反轉(zhuǎn)時(shí)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(wú)論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，都只有一只開(kāi)關(guān)管處于PWM方式（T1或T4），減小了開(kāi)關(guān)損耗和橋臂直通可能。

電流較?。ㄝp載）時(shí)，沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)EM經(jīng)過(guò)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(shí)要抬高，即電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)轉(zhuǎn)速提高，機(jī)械特性變軟（圖4.3）。

電流連續(xù)時(shí)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(dòng)控制

PWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用鋸齒波或三角波與脈寬控制信號(hào)Uct比較產(chǎn)生。單極性調(diào)制：載波（鋸齒波）沒(méi)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(hào)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(gè)雙門(mén)限比較器，一個(gè)恒流源和外接充放電電容CT組成。鋸齒波的上升時(shí)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(shí)間為：

PWM發(fā)生器由比較器組成。比較器輸出PW