第3章 直流斩波电路新

3-13.1直流斩波电路•6种基本斩波电路：降压（Buck）斩波电路、升压（Boost）斩波电路、升降压（Buck-Boost）斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。3-23.1.1斩波电路的基本控制方式•DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小。•如果开关S导通时间为ton，关断时间为toff，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间ton、toff的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。3-3一、时间比控制通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小。即（3-1）式中T=ton+toff=1/f为斩波周期；f为斩波频率；为导通比。可以看出，改变导通比即可改变输出电压平均值U0，而的变化又是通过对T、ton控制实现的。时间比控制又有以下几种实现方式：3-4（1）脉宽控制•斩波频率固定（即T不变），改变导通时间ton实现变化、控制输出电压U0大小，常称定频调宽，或脉宽调制（直流PWM）。图3-2脉宽控制方式（a）原理电路；（b）控制波形3-5•图（a）为一电压比较器，UT为频率固定的锯齿波或三角波电压，Uc为直流电平控制信号，其大小代表期望的斩波器输出电压平均值U0。当UcUT，比较器输出UPWM=“1”（高）；当UcUT，UPWM=“0”（低），从而获得斩波器功率开关控制信号UPWM。改变Uc大小，改变斩波器开关导通时间，在UT固定条件下，斩波器开关频率固定，实现了定频调宽。3-6•由于斩波器开关频率固定，这种控制方式下为消除开关频率谐波的滤波器设计提供了方便。（2）频率控制固定斩波器导通时间ton，改变斩波周期T来改变导通比的控制方式。这种方式的实现电路比较简单，但由于斩波频率变化，消除开关谐波的滤波电路较难设计。（3）混合控制这是一种既改变斩波频率（即周期T）、又改变导通时间ton的控制方式，其优点是可较大幅地改变输出电压平均值，但也由于斩波频率变化，滤波困难。3-7二、瞬时值控制在恒值（恒压或恒流）控制或波形控制中，常采用瞬时值控制的斩波方式。此时将期望值或波形作为参考值，规定一个控制误差ε，当斩波器实际输出瞬时值达指令值上限时，关断斩波器；当斩波器实际输出瞬时值达指令值下限时，导通斩波器，从而获得围绕参考值在误差带2ε范围内的斩波输出。下图为实现恒流瞬时值控制原理性框图及斩波器输出波形。3-83.1.2降压斩波电路电路结构主要应用于开关稳压电源，直流电机速度控制，以及需要直流降压变换的场合。降压斩波电路(BuckChopper)全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管L-C形式的低通滤波电路负载电阻3-9电感电流iL可能连续或断续，影响变换器的输出特性。分别讨论1、电流连续时3-10输入、输出电压关系为：（3-2）因，故为降压变换关系。输入、输出电流关系为（3-3）因此电流连续时Buck变换器完全相当于一个“直流”变压器。3-112、电流断续时电流连续与否的临界状态是VT关断结束时（或导通开始时）电感电流iL=0。3-12Buck变换器电流断续运行状态时的波形如图所示。图3-7电流断续时波形3-13■例3-1在3.1.2所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为输出电流平均值为)(805020020onVETtUoo80810()oUIAR3-143.1.3升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构一)升压斩波电路的基本原理3-151、电流连续时电感电流连续iL0时，有关波形及VT导通、关断两工作模式下的等效电路。3-16Boost变换器的输入、输出电压关系为因为，故为升压变换关系。变换器的输入、输出电流关系为因此电流连续时Boost变换器相当一个升压的“直流”变压器。3-172、电流断续时•随着负载的减小，电感电流iL将减小。当VT关断结束时（或导通开始时）iL=0，则进入电流连续与否的临界状态，其电感电压uL、电感电流iL波形如下。3-18■例3-2在3.1.3所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：)(3.13350254040offVEtTUo输出电流平均值为：)(667.6203.133oARUIo3-193、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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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定的，不必并联电容器。动画演示。3-203.1.3升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL(3-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd（3-29）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REEREmIoM（3-36）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。E3-213.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路1）升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构3-223-23•输入、输出关系•Buck-Boost变换器的输入、输出电压关系为•此式说明，当导通比≤0.5，|U0||E|，降压；当0.5，|U0||E|，升压，且输出电压与输入电压反极性。•同样在忽略变换损耗条件下，根据输入、输出功率相等关系，可导出变换器的输入、输出电流平均值间关系3-243.1.4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3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路3-253.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系Tti0C0d（3-45）V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（3-46）1onononoff12ttTttII（3-46）EEtTtEttU1ononoffono（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。3-26b)Zeta斩波电路3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—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：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）3-273.1.4Sepic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，L1－VD－C1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3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路EU1o（3-50）相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。b)Zeta斩波电路3-283-29电路类型主要特点输入-输出电压关系应用场合Buck型只能降压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单降压型开关稳压器Boost型只能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，结构简单升压型开关稳压器，功率因数校正电路（PFC）Buck-Boost型能降压也能升压，输入-输出电压极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单升降压型开关稳压器Cuk型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入输出电流脉动小，结构复杂对输入输出脉动要求较高的升降压型开关稳压器Zeta型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构复杂对输出脉动要求较高的升降压型开关稳压器Sepic型能降压也能升压，输入-输出电压极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，结构复杂升压型功率因数校正电路（PFC）0αUE0α1αUE011αUE0α1αUE0α1αUE0α1αUE3-303.2复合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3-313.2.1电流可逆斩波电路■概念◆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■电流可逆斩波电路◆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。3-323.2.1电流可逆斩波电路ttb)uoioiV1iD1iV2iD2a)图3-7电流可逆斩波电路及其波形a）电路图b）波形◆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同时导通而导致电源短路。◆工作过程☞两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。☞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。☞第3种工作方式下，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。☞一个周期内，电流不断，响应很快。3-333.2.2桥式可逆斩波电路图3-8桥式可逆斩波电路■桥式可逆斩波电路◆将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，使电动机可以4象限运行。◆工作过程☞V4导通时，等效为图5-7a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。☞V2导通时，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。3-343.2.3多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图3-9多相多重斩波电路及其波形a）电路图b）波形■多相多重斩波电路◆是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的。◆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。■3相3重降压斩波电路◆电路及波形分析☞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。☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅