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1、1,第3章 直流斩波电路引言,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。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。,电路种类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。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。,2,3.1 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Cuk斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3,
2、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,典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,降压斩波电路（Buck Chopper),4,3.1.1 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时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，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。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示。,5,3.1.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续,输出电压平均值：,（3-1）,（3-2）,t
3、onV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比（a1),电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,6,3.1.1 降压斩波电路,斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton和T都可调混合型。,此种方式应用最多,第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续,7,3.1.1 降压斩波电路,同样可以从能量传递关系出发进行的推导,假定L为无穷大，负载电流Io维持不变（详见P101102）,电源只在V处于通态时提供能量
4、，为,在整个周期T中，负载消耗的能量为,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。,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,I1为电源电流平均值,8,3.1.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况（L值较小时）,I10=0，且t=tx时，i2=0,（3-16）,电流断续的条件：,（3-17）,9,3.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路（Boost Chopper）,保持输出电压,储存电能,电路结构,1)升压斩波电路的基本原理,10,3.1.2 升压斩波电路,工作原理,假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压U
5、o恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。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,11,3.1.2 升压斩波电路,数量关系,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为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：,（3-21）,（3-20）,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,12,3.1.2 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,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：。（3-24）与
6、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I1为：,(3-26),13,3.1.2 升压斩波电路,2)升压斩波电路典型应用,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,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,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,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
7、定的，不必并联电容器。动画演示。,14,3.1.2 升压斩波电路,数量关系,当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：,（3-29）,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。,15,3.1.2 升压斩波电路,如图3-3c，当电枢电流断续时：,当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即,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,-电流断续的条件,16,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1）升降压斩波电路(buck-boost C
8、hopper),电路结构,17,3.1.3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，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。动态演示。,18,3.1.3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,（3-39）,V处于通态uL=E,V处于断态uL=-uo,19,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,图3-4b中
9、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,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。也有称之为buck-boost 变换器。,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,（3-44）,20,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2)Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。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
10、 b）等效电路,21,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,稳态时，一个周期内电容电流ic的平均值为零：,数量关系,（3-45）,（3-46）,（3-48）,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。,22,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,Sepic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载回路及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C
11、1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：,（3-49）,电源电压与输出电压极性相同,23,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Zeta斩波电路原理,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1VDC1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，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）,两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，有利于输入输出滤波。,b)Zeta斩波电路,24,3.2复合斩波电路和多相多重
12、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,25,3.2.1 电流可逆斩波电路,复合斩波电路降压斩波电路和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,斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。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,26,3.2.1 电流可逆斩波电路,电路结构,a)电路图,V1和VD
13、1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。,工作过程,一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过，电流连续。电路响应很快。,图3-7 电流可逆斩波电路及波形,27,3.2.2 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起来，分别向电动机提供正向和反向电压。,图3-8 桥式可逆斩波电路,使V4保持通态时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供
14、正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通态时，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。,28,3.2.3 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,29,3.2.3 多相多重斩波电路,3相3重降压斩波电路,电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。,总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其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
15、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,30,3.2.3 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。,31,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。,
