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1、1,第3章 直流斩波电路,3.1 基本斩波电路3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结,2,第3章 直流斩波电路引言,直流斩波电路:恒定直流电变成另一种恒定电压或可调电压的直流电，又称为直流-直流变换器。一般指直接DC/DC,不包括DC/AC/DC。,电路种类：6种 最基本的斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路 基本的斩波电路：升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路：不同结构的基本斩波电路组合。多相多重斩波电路：相同结构基本斩波电路组合。,3,3.1 基本斩波电路,3.1.1 降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和C
2、uk斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,4,3.1.1 降压斩波电路,电路结构：,全控型器件，若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的反电动势,典型用途之一：拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,降压斩波电路,5,3.1.1 降压斩波电路,工作原理：,图3-1 降压斩波电路得原理图及波形,t=0：V通，E V L R M，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升，L储能。t=t1：V断，L R M VD，uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，L放能。串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示。,6,3.1.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续:负载电压
3、平均值,（3-1）,（3-2）,式中：Ton是V通的时间，toff是V断的时间，a是导通占空比（a小于或等于1）。U0小于电源电压E。,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,t,7,3.1.1 降压斩波电路,斩波电路三种控制方式:ton/T1.T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。2.ton不变，变T 频率调制。3.ton和T都可调，改变占空比混合型。,此种方式应用最多,a=,8,3.1.1 降压斩波电路,能量传递关系:,(负载电流Io不变),1.电源只在V处于通态时提供能量,2.在整个周期T中，负载消耗的能量,输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,
4、一个周期中，不计损耗，据能量守恒，由1.2得：,L无穷大，设电源平均电流为I1:,9,3.1.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况：,I10=0，且t=tx时，i2=0,（3-16）,电流断续的条件：,（3-17）,10,3.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路,保持输出电压,储存电能,电路结构：,11,3.1.2 升压斩波电路,工作原理：设L和C值无穷大。,V导通：EL(充电)V，I1恒定，L储能。C(放电)R，Uo恒定 V断态：E L C(充电)，L放能 E L(放电)R，L放能动态演示。,图3-2 升压斩波电路及工组波形,a)电路图,b)波形,12,3.1.2 升压斩波电路,数量关系：,1
5、.V通态（ton），L储能 2.V断态（toff)，L放能一个周期T中L储能与放能相等：,（3-21）,（3-20）,化简得：,T/toff1，U0 E，故为升压斩波电路。,升压比；其倒数b，即。b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为,（3-23）,（3-22）,13,3.1.2 升压斩波电路,电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住。,忽略损耗，整个T，电源供能由R消耗，即：（3-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。,输出电流的平均值Io为：,(3-25),电源电流的平均值Io为：,(3-26),14,3.1.2 升压斩波电路,2)升压斩波
6、电路典型应用：,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 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时,一 用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。,15,3.1.2 升压斩波电路,数量关系：,结论：电动机为基准看，可将直流电源电压看 作是被降低到了。,16,3.1.2 升压斩波电路,如图3-3c，当电枢电流断续时：,t=0时：i1=I10=0，令式（3-31）中 I10=0，可求出I20，得 i2的表达。t=t2时，i2=0，得i2持续的时间tx,图3-3 用于直流电动机回馈能量
7、的升压斩波电路及其波形,-电流断续的条件 单相功率因数校正（PFC）电路三 其他交直流电源中,17,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路,电路结构,18,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,V通时：EVL(贮能)，电流为i1C（放电）R，U0 恒定V断时：L（放电）R，电流为i2 L（放电）C(贮能)U0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。动态演示,19,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,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,（3-3
8、9）,V处于通态uL=E,V处于断态uL=-uo,20,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2.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：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,结论,1.当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。,3.输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,（3-44）,21,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2)Cuk斩波电路,V通时，EL1V，RL2CV。L1，L2储能，C放能 V断时，EL1CVD，RL2VD。C储能；L1，L2放能 输出电压的极性与电源电压
9、极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路,22,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,同理：,数量关系,（3-45）,（3-46）,（3-48）,与升降压斩波电路相比的优点：电源电流和负载电流连续，脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。,23,b)Zeta斩波电路,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,a)Sepic斩波电路,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,电路结构,Speic电路原理V通态：EL1V；C1VL2；C2R;L1和L2贮能，C1放能，C2放能。V断态：EL1C1VDR,C2；
10、L2VDR,C2，E和L1向负载供电，同时向C1充电（C1贮能在V通时向L2转移）。输入输出关系：,（3-49）,24,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Zeta斩波电路原理,V通态：EVL1（贮能），E C1 R，C2，C1放，C2储V关断：L1VDC1，C2 R,L1放，C1充，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：,图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路,（3-50）,与Speic输入输出关系相同；不同：Sepic电源电流和负载电流均连续，Zeta电路是断续的。两种电路输出电压为正极性的。,b)Zeta斩波电路,25,3.2复合
11、斩波电路和多相多重斩波电路,3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路3.2.3 多相多重斩波电路,26,3.2.1 电流可逆斩波电路,复合斩波电路：降压、升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合构成,1.斩波电路拖动直流电动机，电动机可电动也可制动运行。2.降压斩波电路使电动机工作于第1象限，电动运行。3.升压斩波电路使电动机工作于第2象限，再生制动运行。4.电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。,电流可逆斩波电路：,27,3.2.1 电流可逆斩波电路,
12、电路结构：,a)电路图,V1和VD1构成降压斩波电路，电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，再生制动运行，工作于第2象限。防止V1和V2同时导通导致电源短路。,工作过程,工作方式：降压斩波电路和升压斩波电路一个周期内交替工作。一个斩波电路电流断续为零时，另一个斩波电路工作，电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。,图3-7 电流可逆斩波电路及波形,28,3.2.2 桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路：两个电流可逆斩波电路组合，向电动机提供正向和反向电压。,图3-8 桥式可逆斩波电路,1.V4通，等效为图3-7a，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。
13、2.V2通，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,29,3.2.3 多相多重斩波电路,基本概念,多相多重斩波电路,在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成,相数,一个控制周期中电源侧的电流脉波数,重数,负载电流脉波数,30,3.2.3 多相多重斩波电路,3相3重降压斩波电路：,电路结构：3个降压斩波电 路单元并联而成。,总输出电流：3 个斩波电路输出电流之和，平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均
14、值之比）与相数的平方成反比。,图3-9 3相3重斩波电路及其波形,31,3.2.3 多相多重斩波电路,当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。,32,本章小结,本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。,
