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1、第3章 直流斩波电路,直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流习惯上，DCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况,直流斩波电路的种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路复合斩波电路不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合,降压斩波,升压斩波,3.1.1 降压斩波电路,工作原理,t=0时刻驱动V导通，电源E向负
2、载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升,t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大,数量关系,电流连续时，负载电压平均值,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比 Uo最大为E ，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。,负载电流平均值,斩波电路的调制方式,保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton ，称为脉冲宽度调制（PWM）,保持开关导通时间ton不变，改变开关周期 T ，称为频率调制,T和ton都可调，使占空比改变，称为混合型,V通态期间，设负载电流
3、为i1，可列出如下方程：,对电路的分析,设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得,V断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：,设此阶段电流初值为I20，解上式得：,当电流连续时，有：,即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。,由图3-1b可知，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。用泰勒级数近似有：,从能量传递关系出发进行的推导,由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变,由能量守恒可得：,在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有,即输出功率
4、等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,负载电流断续的情况：,电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为：,输出电压、电流平均值为：,3.1.2 升压斩波电路,工作原理,假设L值很大，C值也很大,V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为,V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等,上式中，T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路,二是电容C可将输出电压保持
5、住,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因,一是L储能之后具有使电压泵升的作用,数量分析,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即,该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。,输出电流的平均值Io为,电源电流I1为：,升压斩波电路的典型应用,一是用于直流电动机传动,二是用作单相功率因数校正（PFC）电路,三是用于其他交直流电源中,用于直流电动机传动时,通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源,实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态,此时电机的反电动势相当于图中的电源，而此时的
6、直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。,电路分析,V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式,当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式,当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得,解上两式得：,与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得,该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了 。,当电枢电流断续时的波形如图3-3c所示。,可求得i2持续的时间tx，,当txt0ff时，电路为电流断续工作状态
7、，txt0ff是电流断续的条件，即,根据此式可对电路的工作状态作出判断。,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1、升降压斩波电路,基本工作原理,V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。,V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路,数量分析,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即,当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是：,所以输出电压为：,改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a 1/
8、2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。,图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有,如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器,V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换,2. Cuk斩波电路,稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即,电路分析,在图3-5b的等效电路中，开关S合向
9、B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。,输出电压Uo与输入电压E的关系,当S合到A点时，uB= uC，uA=0。,B点电压uB的平均值为,因电感L1的电压平均值为零,A点的电压平均值为,L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有,输出电压Uo与电源电压E的关系：,这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。,优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩
10、波电路,Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，EL1C1VD负载（C2和R）回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。,输入输出关系为：,Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。,输入输出关系为：,两种电路相比，具有相同的
11、输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,电路图,电流连续时的波形,电流断续时的波形,返回,图3-2 升压斩波电路及其工作波形,电路图,波形,返回,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形,电路图,电流连续时,电流断续时,返回,图3-4 升降压斩波电路及其波形,电路图,波形,返回,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路,返回,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,返回,图3-7 电流可逆斩波电路及其波形,返回,图3-8 桥式可逆斩波电路,返回,图3-9 多相多重斩波电路及其波形,返回,
