直流斬波電路

直流斬波電路1第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六第3章直流斬波電路·引言直流斬波電路（DCChopper）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/DCConverter）。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?/p>

電路種類6種基本斬波電路（chopper）：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk、Sepic和Zetachopper。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娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。2第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六第3章直流斬波電路·引言直流斬波電路工作原理斬波輸出直流平均電壓：Uo=aUs斬波電路輸出功率： Po=UoIo斬波電路輸入功率： Ps=UsI1忽略其他損耗，可看作直流變壓器：UoIo=UsI13第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1基本斬波電路3.1.1降壓斬波電路3.1.2升壓斬波電路3.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路3.1.4Sepic和Zeta斬波電路(略)4第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.1降壓斬波電路電路結(jié)構(gòu)全控型器件，多為IGBT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（BuckChopper)電源輸出能量等于負(fù)載消耗能量i15第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.1降壓斬波電路工作原理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)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。c)電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuotttooob)電流連續(xù)時(shí)的波形TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uooootttTEEuGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)電路圖圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形6第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負(fù)載電壓平均值：（3-1）（3-2）ton——V通的時(shí)間toff——V斷的時(shí)間a

——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：3.1.1降壓斬波電路7第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六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)用最多基于“分段線性”的思想，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)3.1.1降壓斬波電路8第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六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。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。3.1.1降壓斬波電路9第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.2升壓斬波電路升壓斬波電路（BoostChopper）保持輸出電壓儲(chǔ)存電能電路結(jié)構(gòu)1)升壓斬波電路的基本原理電感的存儲(chǔ)能量等于其釋放能量10第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六工作原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。0uGE0ioI1圖3-2升壓斬波電路及工組波形a)

電路圖b)波形3.1.2升壓斬波電路11第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為(Uo-E)I1toff穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：化簡(jiǎn)得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。T/toff>1——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b

，即b=toff/T 。b和a的關(guān)系：a+b=13.1.2升壓斬波電路12第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六電壓升高的原因：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：EI1=UoIo。與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。輸出電流的平均值Io為：電源電流的平均值I1為：3.1.2升壓斬波電路13第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六2)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)校正電路三是用于其他交直流電源中ttTEioob)電流連續(xù)時(shí)a)電路圖i1i2I10I20I10tontofftoToEtc)電流斷續(xù)時(shí)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。14第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(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：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：當(dāng)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

bE。m=EM/E15第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)：可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即——電流斷續(xù)的條件tx<t0ff3.1.2升壓斬波電路toToEtc)電流斷續(xù)時(shí)uoioi1i2t1t2txtontoffI2016第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路1）升降壓斬波電路(buck-boostChopper)電路結(jié)構(gòu)電感的存儲(chǔ)能量等于其釋放能量17第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路基本工作原理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。18第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(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，即所以輸出電壓為：V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo19第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖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：當(dāng)0<a<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<a<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。otb)oti1i2tontoffILIL20第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路2)Cuk斬波電路V通時(shí)，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有電流。V斷時(shí)，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD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3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路電容的存儲(chǔ)能量等于其釋放能量21第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關(guān)系V通態(tài)時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。V斷態(tài)時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由此可得：I2

ton=I1

toff

優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(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。22第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2復(fù)合斬波電路3.2.1電流可逆斬波電路（兩象限斬波電路）3.2.2

橋式可逆斬波電路（四象限斬波電路）23第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六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。3.2.1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。24第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1電流可逆斬波電路電路結(jié)構(gòu)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V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。25第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1電流可逆斬波電路工作過程（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26第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.2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、VD