第三章+直流斬波

第三章直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）也稱為直接直流--直流變換器（DC/DCConverter）。用開關(guān)變換技術(shù)構(gòu)成的DC—DC變換器常常被稱為開關(guān)變換器或開關(guān)電源。一般直流斬波是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流。是一種把恒定直流電壓變換成負載所需的直流電壓(固定或可調(diào))的變流電路。其通過對電力電子器件周期性地快速通斷,把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率可實現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。因為從工作波形看，相當于是一個將恒定電流進行斬切輸出的過程，所以稱斬波器。其具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點。作為直流電動機調(diào)速的有效手段，在運輸車輛上得到了廣泛應用，如直流電網(wǎng)供電的城市無軌電車、地鐵列車、工礦電力機車、高速電動機組以及由蓄電池供電的搬運車、叉車、電動汽車等，使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)能的效果。半控性的器件只能通過一些強迫換流措施來實現(xiàn)，造成線路復雜化和成本的提高，因此，直流斬波器多以全控型的器件作為開關(guān)器件。

當直流電動機由不可調(diào)的直流電源供電時，傳統(tǒng)的方法是通過改變串在電路中的電阻值來改變電動機的端壓，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，但是在電阻上將消耗大量的功率，特別是電機的轉(zhuǎn)速較低時，電源供出的功率大部分消耗在電阻上，顯然用改變電阻值的方法調(diào)速是很不經(jīng)濟的。采用直流斬波器后,可方便實現(xiàn)無級調(diào)速、平穩(wěn)運行，比變阻器方式節(jié)電20%-30%，節(jié)能效果巨大。另外，在AC-DC中，還可采用不控整流加直流斬波調(diào)壓來替代晶閘管相控整流，來提高變流裝置的輸入功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)電流諧波和提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度。如果DC—DC開關(guān)變換電路的輸入電壓是一個平直的直流電壓，在開關(guān)接通的占空比為常數(shù)的情況下，輸出電壓除了直流分量外，僅包括開關(guān)頻率及其倍數(shù)次的諧波。在應用中，必須將這些諧波用無源濾波器濾除。因為諧波頻率越高，濾波越簡單，無源濾波器越小，因此，在DC—DC開關(guān)變換電路中，開關(guān)頻率往往較高。如果DC—DC開關(guān)變換電路的輸入電壓不是一個平直的直流電壓，例如，可以是工頻整流后的直流電壓（包含100Hz或300Hz的諧波），在開關(guān)接通的占空比為常數(shù)的情況下，輸出電壓除了直流分量和開關(guān)頻率及其倍數(shù)次的諧波外，還包括100Hz或300Hz的諧波。因為這些諧波頻率較低，很難用無源濾波器濾除。在應用中，可用脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）的方法將這些諧波濾除。DC-DC變換的基本控制方式時間比控制是DC-DC變換中采用最多的控制方式，斬波器的輸出電壓是斬波器導通時間和斬波周期的函數(shù)，無論改變導通時間還是斬波周期都可改變輸出電壓。有三種控制方式，如下：1）脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間ton。由于斬波器開關(guān)頻率固定，為消除開關(guān)頻率諧波的濾波器設(shè)計提供了方便。2）頻率調(diào)制（PFM）開關(guān)導通時間ton不變，調(diào)節(jié)開關(guān)周期T。由于斬波器開關(guān)頻率變化，濾波困難。3）混合型ton和T都可調(diào)，改變占空比?？奢^大幅度改變輸出電壓平均值但濾波困難。瞬時值控制在恒值控制中，常采用瞬時值的斬波方式。先將期望值作為參考值，規(guī)定一個控制誤差，當斬波器實際輸出瞬時值達指令值上限，關(guān)斷斬波器；當達指令值下限時，導通斬波器，從而獲得圍繞參考值在誤差帶的斬波輸出。此控制方式功率器件的開關(guān)頻率較高，此時要注意功率器件的開關(guān)損耗和最大開關(guān)頻率的限制。平均值控制用檢測出的電流平均值與給定值比較，用其差值控制斬波器的通斷。該種方式響應速度稍差，但工作頻率是穩(wěn)定的，一般都采用此方式。直流斬波電路的種類在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中，直流變換電路常常采用變壓器實現(xiàn)電隔離，而在直流電機的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。最常用的無變壓器隔離的DC—DC斬波電路是三種基本斬波電路降壓斬波電路升壓斬波電路升降壓斬波電路；單象限直流斬波器和二象限直流斬波器電源只能從電源傳送給負載的（單象限直流斬波器）復合斬波電路——不同基本斬波電路組合；多相多重斬波電路——相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路的組合，可以工作在兩個或四個象限。需要輸入輸出間的電隔離，也有多種形式的變壓器隔離的DC—DC斬波電路正激式變換電路。反激式變換電路。推挽式變換電路橋式變換電路（橋式電路本質(zhì)上是一種DC—AC—DC變換電路)降壓斬波電路

Buck(stepdown)chopper斬波器的輸出電壓平均值小于輸入電壓,主要用于開關(guān)穩(wěn)壓電源，直流電機速度控制，以及需要直流降壓變換的環(huán)節(jié)。在拖動直流電動機和帶蓄電池負載時，負載會出現(xiàn)反電動勢。負載電動機的調(diào)速范圍為0到額定轉(zhuǎn)速，因此一般情況下電動機直流調(diào)速系統(tǒng)均采用降壓斬波器。根據(jù)功率器件和L的數(shù)值，電感電流可能連續(xù)或斷續(xù)，影響變換器的輸出特性，要分別進行討論。電感電流連續(xù)是指電路中電感的電流在整個開關(guān)周期中都存在；電感電流斷流是指在開關(guān)斷開的toff期間后期內(nèi)電感的電流已降為零。降壓斬波電路的工作原理電路由一個全控型器件和續(xù)流二極管構(gòu)成t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升；t=t1時刻控制V關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大a）電路圖；b）輸出電流連續(xù)時的波形；c）輸出電流斷續(xù)時的波形基本數(shù)量關(guān)系負載中L值較大時，電流為連續(xù)狀態(tài)，負載電壓平均值為

ton——V通的時間toff——V斷的時間α--導通占空比Uo最大為E，減小占空比α，Uo隨之減小。因此稱為降壓斬波電路。負載電流平均值：負載中L值較小時，V關(guān)斷后，到t2，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)狀態(tài)，負載電壓平均值，會被抬高，一般不希望出現(xiàn)。基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析V通態(tài)期間，設(shè)負載電流為i1，可列出如下方程設(shè)此階段電流初值為I10，解上式得：

電流連續(xù)時電路的工作情況

V斷態(tài)期間，設(shè)負載電流為i2，可列出如下方程：設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得：

當電流連續(xù)時，有：即V進入通態(tài)時的電流初值就是V在斷態(tài)階段結(jié)束時的電流值，反過來，V進入斷態(tài)時的電流初值就是V在通態(tài)階段結(jié)束時的電流值。由上述式子得出

式中: ；I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。上兩式用泰勒級數(shù)近似（即ρ趨于零，即L趨于無窮大，e－ρ用等價無窮小代替），可得上式表示了平波電抗器L為無窮大，負載電流完全平直時的負載電流平均值Io，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導（可以得到和前面一樣的結(jié)果）：由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變；電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為；在整個周期T中，負載一直在消耗能量，消耗的能量為；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，

從能量傳遞關(guān)系推導在上述情況中，均假設(shè)L值為無窮大，負載電流平直的情況。這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為I1，則有其值小于等于負載電流Io，由上式得:EI1=U0I0即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。

I10=0，且t=tx時，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx為：電流斷續(xù)時，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為：（=L/R）對于電路的具體工況，可據(jù)此式判斷負載電流是否連續(xù)。

電流斷續(xù)時的工作情況在負載電流斷續(xù)工作情況下，負載電流一降到零，續(xù)流二極管VD即關(guān)斷，負載兩端電壓等于EM。輸出電壓平均值為：

此時Uo不僅和占空比α有關(guān)，也和反電動勢EM有關(guān)。此時負載電流平均值為：

升壓斬波電路

Boost(stepup)chopper斬波器的輸出電壓平均值大于輸入電壓,主要用于開關(guān)穩(wěn)壓電源，直流電機能量回饋制動，單相功率因數(shù)校正（PFC）電路及其他交直流電源中。根據(jù)功率器件和儲能電感L和濾波電容的數(shù)值，電感電流或負載電流可能連續(xù)或斷續(xù)，影響變換器的輸出特性，要分別進行討論。升壓斬波電路工作原理假設(shè)L值很大，C值也很大；V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路升壓斬波電路電路和波形圖T/toff——升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo大小，調(diào)節(jié)方法與3.1.1節(jié)中介紹的改變導通比α的方法類似。將升壓比的倒數(shù)記作β，即

β和導通占空比α有如下關(guān)系：因此，上式可表示為

升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用；二是電容C可將輸出電壓保持。以上分析中，認為V通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際C值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，Uo必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低；如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 （3-24）該式表明，與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（3-23）得出輸出電流的平均值Io為 （3-25)由式（3-24）即可得出電源電流I1為：

（3-26）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b）電流連續(xù)時c）電流斷續(xù)時升壓斬波電路的典型應用用于直流電動機傳動時通常是用于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L值不可能為無窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)；此時電機的反電動勢相當于圖3-2電路中的電源，而此時的直流電源相當于圖3-2中電路中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器。V處于通態(tài)時設(shè)電動機電樞電流為i1，得下式 式中R為電機電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得

V處于斷態(tài)時設(shè)電動機電樞電流為i2，得下式：

設(shè)i2的初值為I20，解上式得：

電路分析從圖3-3b的電流波形可看出，t=ton時刻i1=I20，t=toff時刻i2=I10，由此可得：（3-31）（3-32）由以上兩式求得：（3-33） （3-34）當電流連續(xù)時與降壓斬波電路一樣，把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得（3-35）該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即（3-36）該式表明，以電動機一側(cè)為基準看，可將直流電源被降低到了βE。波形如圖3-3c所示。當t=0時刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進而可寫出i2的表達式。另外，當t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即（3-37）當tx<t0ff時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx<t0ff是電流斷續(xù)的條件，即（3-38）根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。當電樞電流斷續(xù)時升降壓斬波電路Boost-buck

(stepup&down)chopper

和Cuk斬波電路升降壓斬波電路設(shè)L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負載電壓uo基本為恒值?；竟ぷ髟鞻通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，同時向C充電，電流為i2。也稱反極性斬波電路，負載電壓電源電壓極性相反，圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即：當V處于通態(tài)期間，uL=E；而當V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：（3-40） 所以輸出電壓為：（3-41）改變導通比α，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓，當1/2<α<1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。圖3-4b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有:由上式可得：如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則

其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。

以發(fā)明者Cuk命名，又稱最佳拓撲斬波電路。這種電路的特點是，輸出電壓極性與輸入電壓相反，出入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。通過控制晶體管VT導通時間的占空比，可以在0-∞之間控制輸出電壓。CUK電路可以看作是BUCK電路和BOOST電路的組合，圖中左點劃線框是一個BUCK電路，右點劃線框是一個BOOST電路。CUK電路保持了BUCK電路輸出電流連續(xù)和BOOST電路輸入電流連續(xù)的優(yōu)點。與BUCK-BOOST電路相比，CUK電路的輸入和輸出電流連續(xù)，具有輸出電壓脈動小和對輸入電源影響小的優(yōu)點。Cuk斬波電路實質(zhì)上是由升壓和降壓電路組合而成。V通時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流V斷時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流輸出電壓的極性與電源電壓極性相反等效電路如圖3-5b所示，相當于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路穩(wěn)態(tài)時電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應為零，也就是其對時間的積分為零，即（3-45）在圖3-5b的等效電路中，開關(guān)S合向B點時間即V處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。開關(guān)S合向A點的時間為V處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1toff。由此可得（3-46）從而可得 （3-47）當電容C很大使電容電壓uC的脈動足夠小時，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出。當開關(guān)S合到B點時，B點電壓uB=0，A點電壓uA=-uC；相反，當S合到A點時，uB=uC，uA=0。因此，B點電壓uB的平均值為 （UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以 。另一方面，A點的電壓平均值為 ，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有 得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：（3-48）這一輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時的情況相同。優(yōu)點輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)，且脈動很小有利于對輸入、輸出進行濾波。圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路復合斬波電路（電流可逆斬波電路）

斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路拖動直流電動機時，如圖3-1所示，電動機工作于第1象限；圖3-3所示升壓斬波電路中，電動機工作于第2象限；電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動直流電動機時，電動機的電樞電流可正可負，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。V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限。圖3-7電流可逆斬波電路及其波形

a）電路圖b）波形必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路；只作降壓斬波器運行時，V2和VD2總處于斷態(tài)；只作升壓斬波器運行時，則V1和VD1總處于斷態(tài)；第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作；當降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時，則會使另一個斬波電路工作，電流反方向流過。這對應就是第3種工作方式。這時電動機電樞回路總有電流流過。在一個周期內(nèi)，電樞電流沿正、負兩個方向流通，電流不斷，所以調(diào)速的響應很快。電流可逆斬波電路中電樞電流可逆，兩象限運行，但電壓極性是單向的，即電機轉(zhuǎn)向固定。當需要電動機進行正、反轉(zhuǎn)以及可電動又可制動的場合，須將兩個電流可逆斬波電路組