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第六章直流斩波变换电路直流斩波电路：将一个固定的直流电压变换成大小可变的直流电压的电路。也称之为直流变换电路。直流斩波技术的应用：被广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。直流变换系统的结构如图6-1所示:图6-1直流变换系统的结构图第一节降压式斩波变换电路一、基本斩波器的工作原理降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压Ud。最基本的降压式斩波电路如图6-2所示：Q为斩波开关，是斩波电路中的关键功率器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者其它自关断器件来实现。T=Ton+ToffQ交替通断，在负载上就可得到方波电压。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若定义斩波器的占空比k=ton/T,则由波形图上可获得输出电压平均值为ontddonkUUTtdtuTU0001由上式可知，当占空比k从0变到１时，输出电压平均值从0变到Ud。占空比k的改变可以通过改变ton或T来实现。6.1降压式斩波变换电路实际应用中负载多为电感性，多采用如图6-3所示电路。稳态分析表明，若输出端上的电容C很大，则输出电压可近似为常数uo(t)≈UO。由于稳态时电容器的平均电流为零，因而电感中的平均电流等于输出平均电流。根据电感中的电流连续与否，以下分别对电流连续和电流不连续（断续）的两种工作模式进行讨论。6.1降压式斩波变换电路图6-3带感性负载的斩波电路V导通dtdiLUUuLdL0onLdtiiLdtdiLUUmin0max00V关断offoffLtiiLtiiLdtdiLUmin0max0max0min00一周期内000TtLtLTLonondtudtudtu)()(0onoondtTUtUUddonokUUTtU6.1降压式斩波变换电路二、电流连续的导通工作模式图6-4降压式斩波器的电路工作状态在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空比k在０到１的范围内连续控制。电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电流由连续变为不连续。如图6-5a所示为电流临界连续状态时的uL和iL波形。6.1降压式斩波变换电路图6-5临界连续时的电压、电流波形电流临界连续时i0min＝０平均电感电流max0min0max021)(21iiiILBBOOdOdonLBIUULkTUULtI)(2)(2在给定T、UO、L和k等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于由上式给出的ILB值，那么iL将不再连续。平均负载电流6.1降压式斩波变换电路电流不连续导通的工作模式分为输入电压Ud不变和输出电压UO不变两种情况，这里主要介绍Ud不变的非连续导通模式。三、电流不连续导通时的工作模式图6-6Ud不变时非连续的电压、电流波形Ud不变的非连续导通模式常用于直流电机的速度控制。输入电压Ud保持不变，输出电压UO可通过调整斩波器的占空比k进行控制。由于UO=kUd，在iL=0的特定情况下，电感电流的表达式可改写为)1(2kkLUTIdLB6.1降压式斩波变换电路假定Ud和所有参数不变，对于连续导通模式来说在k=0.5时输出的电流最大，其值为LTUIdLBMAX8因此：)1(4maxkkIILBLB6.1降压式斩波变换电路在给定了T、L、Ud和k值以后并假定这些参数均不变化，这时若负载电流减小，即负载电阻值增加，那么平均电感电流将随之而减小。当IL＜IOB时，电感电流的波形如图6-6所示，图中表明电感L贮能较小，不足以维持在全部关断时间toff内导通，因此出现电感电流不连续的现象。电流不连续导通工作模式的另一种情况是Ud可能变动而保持输出电压Uo不变。它在直流可调电源中得到广泛应用，输出电压Uo可通过调整占空比k使其维持不变。四、输出电压纹波斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含有脉动成分，如图6-8波形所示。在连续导通工作模式中，假定iL中的谐波分量通过电容器短路，其直流分量流过负载电阻。图中阴影部分表示由电容C存贮并释放的电荷ΔQ。纹波电压的峰－峰值ΔUO：其纹波电压相对值：6.1降压式斩波变换电路TCITICCQULLO82221.122200))(1(2)1(81fsfkLCkTUUC式中fs----开关频率，；fC为L、C低通滤波器的固有频率。LCfC2/1TfS/1EVRLVDCioi1iGuo第二节升压式斩波电路一、原理图：保持输出电压储存电能该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定滤波电容很大，并使输出电压保持不变，即uo(t)=Uo。图6-7升压式斩波电路二、电流连续导通时的工作模式V导通：电感储能，负载由电容C供电。V关断：电感释放能量，与Ud一起作用向负载供电。电感电压在一个周期内的平均值为00)(offOdondtUUtUktTTtTUUonoffdO11dOUKU11offOdtUTU6.2升压式斩波电路图6-8升压式斩波电路及波形临界连续导通时，电感中的电压和电流波形如图6-9a所示。该工作模式下,iL在关断结束时刚好变为零。此时流过电感中的电流平均值为在升压式斩波电路中，电路结构决定了电感电流和输入电流是一样的，即id=iL。可求得输出电流的平均值：2)1(2kkLUTIOO)1(22121kkLTUtLUiIOondLMLB6.2升压式斩波电路图6-9升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形在升压式斩波电路的大多数应用中都需要Uo保持不变。只要占空比可以调整，就允许输入电压变动。Io、ILB与占空比k的函数关系如图6-9所示。由图可知，ILB在k=0.5时出现最大值ILBmax，而IO在k＝1/3时出现其最大值Ioma6.2升压式斩波电路LTUIOLB8maxLUTIOO074.0maxILB和Io可用它们的最大值表示：max)1(4LBLBIkkImax2)1(427OOIkkI如果负载电流平均值降到低于Io，那么电流将由连续导通变为不连续导通的工作模式。三、电流不连续导通的工作模式在Ud和k保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的，升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式变化，波形如图6-10所示。图6-10a为连续导通时电感中的电压与电流波形；图6-10b为电流不连续导通时电感中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值iLm是一样的，但是非连续导通模式的输出功率将减小。6.2升压式斩波电路图6-10升压式斩波电路的电压与电流波形6.2升压式斩波电路