5直流斩波电路

1第5章直流-直流变流电路2第5章直流-直流变流电路5.1基本斩波电路5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结3第5章直流-直流变流电路·引言直流斩波电路（DCChopper）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/DCConverter）。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。4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。55.1基本斩波电路5.1.1降压斩波电路5.1.2升压斩波电路5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路65.1.1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是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。降压斩波电路（BuckChopper)7工作原理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。8数量关系电流连续负载电压平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUIMoo（5-2）ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：9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，改变占空比—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10TIETRIoM2o同样可以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不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI11一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。输出功率=输入功率可将降压斩波器看作直流降压变压器。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI12负载电流断续的情况：I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）memt)1(1lnxtxtoff电流断续的条件：11emeREUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1负载电流平均值为：EmTttTEttTEtUxonMxonono1)(输出电压平均值为：135.1.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理保持输出电压14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Uo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。图3-2升压斩波电路及工组波形15数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量设V断态的时间为toff，则此期间L释放能量稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffono化简得：ontEI1off1otIEU=16T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和的关系：因此，上式可表示为off/tT1bEEUb111oTtoffb电压升高的原因是什么呢？17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：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo电源电流的平均值I1为：REIEUI2oo11b182)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图5-3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19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。20数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIobbM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。Eb21如图5-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（5-31）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5-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett11lnonxbeem11--------电流断续的条件txt0ff225.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构23基本工作原理图5-4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。24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Ttu0L0d所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE25图5-4b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：offon21ttII由上式得：11onoff21IIttI结论当0a1/2时为降压，当1/2a1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。2o1IUEI265.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路275.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系Tti0C0dV处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：off1on2tItI1onononoff12ttTttII28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。EEtTtEttU1ononoffono29例：如图所示斩波电路，直流电源电压E=100V，斩波频率f=1kHz。若要求输出电压ud的平均值=25V~75V可调，试计算斩波器V的占空比α的变化范围以及相应的斩波器V的导通时间ton的变化范围。305.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5.2.1电流可逆斩波电路5.2.2桥式可逆斩波电路5.2.3多相多重斩波电路315.2.1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32电路结构V1和VD1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。图5-7电流可逆斩波电路及波形33半桥式电流可逆斩波电路34工作过程（三种工作方式)第3种工作方式：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。电路响应很快。355.2.2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5-8桥式可逆斩波电路使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，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。36a)b)d)c)双极性:37a)c)b)38•在正转T1关断时，因为T3恒通，电感L要经EM→T3→D4形成回路，ud=uAB=0。•在D4续流时，尽管T4有驱动信号，但是被导通的D4短接，T4不会导通。电动机反电动势EM将通过T4和D3形成回路。•在t=T时，T4关断，电感L将经D1→E→D3放电，电动机处于回馈制动状态，ud=uAB=E。单极性：39不管何种情况，一周期中负载电压ud只有正半周，故称为单极式斩波控制。因为单极式控制正转时T3恒通，反转时T2恒通，单极式可逆斩波控制的输出平均电压为：EETTUond且Ton，在正转时是T1的导通时间，在反转时是T4的导通时间，在正转时Ud为“＋”，反转时Ud应为“－”.40a）b）415.2.3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423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5-93相3重斩波电路及其波形43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。44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。45习题：在降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton=5μs时，计算输出电压平均值Uo、输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小瞬时值并判断负载电流是否连续。