第三章直流斬波電路

1、1第第3 3章章 直流斬波電路直流斬波電路3.1 3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.2 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?第第3 3章章 直流斬波電路直流斬波電路直流斬波電路（直流-直流變換器） 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電（不包括直流交流直流）直流斬波電路的種類l 6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬 波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中 前兩種是最基本的電路。l復(fù)合斬波電路不同基本斬波電路組合l 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合 33.1 3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.1.1

2、降壓斬波電路3.1.2 升壓斬波電路3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路43.1.1 3.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形a)電路圖uV為該電路全控型器件，若采用晶閘管，需設(shè)置使其關(guān)斷的輔助電路。u為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。u斬波電路用途之一是拖動(dòng)直流電機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，負(fù)載均會(huì)出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)。5當(dāng)t = 0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升當(dāng)t = t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電

3、流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L值較大的電感。當(dāng)電路工作于穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。tttOOOb)TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uo圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形b)電流連續(xù)時(shí)的波形6EETtEtttUoonoffononREUIooM（3-1）（3-2）負(fù)載電壓平均值為式中， ton為V處于通態(tài)的時(shí)間； toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期； 為導(dǎo)通占空比（簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū龋＝祲簲夭娐罚ń祲簲夭娐罚˙uckBuck變換器）變換器） 輸出到負(fù)載的電壓平均值U0最大為E，若減小占空比a，則U0隨之減小。負(fù)載電流平均

4、值為7OOOtttTEEc)uGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形c)電流斷續(xù)時(shí)的波形負(fù)載中L值較小，則在V關(guān)斷后，到了t2時(shí)刻，負(fù)載電流已衰減為零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)，由波形可見，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 8斬波電路三種控制方式1 1） 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWM 脈沖調(diào)寬型脈沖調(diào)寬型) ) 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton 2) 2) 頻率調(diào)制（調(diào)平型）頻率調(diào)制（調(diào)平型） 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)周期T 3)3)混合型混合型 ton和T都可調(diào)，占空比改變V為通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流

5、為i1，可列出如下方程設(shè)此階段電流初值為I10， =L/R，解上式得EERitiLM11dd（3-3）tteREEeIi1101M（3-4）9V處于斷態(tài)期間斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，有 I10 = i2 (t2) I20 = i1(t1) V進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流初值就是V在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值，反過來，V進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是V在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值。0ddM22ERitiL（3-53-5）tteREeIi1202M（3-63-6）（3-73-7）（3-83-8）10REmeeREREeeITt1111M/101REmeeRER

6、EeeITt1111/201M由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出/TEEm/MTTtt11/（3-93-9）（3-103-10）式中 ； ；將式（3-9）和式（3-10）用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得上式表示了平波電抗器L為無窮大，負(fù)載電流完全平直時(shí)的負(fù)載電流平均值Io，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。o2010IREmII（3-113-11）11從能量傳遞關(guān)系推導(dǎo)得，由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變，電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為EI0ton。從負(fù)載看，在整個(gè)周期T中負(fù)載一直在消耗的能量為(RI2T + EMIoT)。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗

7、的能量相等，即oTIETRItEIooMon20REEIoM（3-123-12）（3-133-13）假設(shè)L值無窮大，且負(fù)載電流平直，假設(shè)電源電流平均值為I1，則有ooIITtIon1（3-143-14）12I1值小于等于負(fù)載電流I0，由上式得即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器假如負(fù)載中L值較小，可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)，電流斷續(xù)時(shí)有I10 = 0、且t = ton + ，i2 = 0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tX為電流斷續(xù)時(shí)， tx1，輸出電壓高于電源電壓，該電路為升壓斬波電路升壓斬波電路T/toff表示升壓比，改變輸出電壓Uo的大小，升壓比的倒數(shù)b b = to

8、ff /T,則b和導(dǎo)通占空比的關(guān)系 式（3-21）可表示為offoontIEUtEI11)(（3-203-20）EtTEtttUoffoffoffono（3-213-21）1b（3-223-22）（3-233-23）EEUb111o17升壓斬波電路輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵原因 L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住實(shí)際輸出電壓會(huì)略低式（3-23）結(jié)果。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（3-23）得出輸出電流的平均值Io為 由式（3-24）即可得出電源電流I1為oo1IUEI（3-243-24）（3-263-26）（3-253-2

9、5）RERUIb1ooREIEUI2oo11b18 直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)用于 單相功率因數(shù)校正（PFC）電路 其他交直流電源中2. 升壓斬波電路的典型應(yīng)用圖3-2 升降壓斬波電路圖用于直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給 直流電源，實(shí)際電路中電感L值不可能為無窮大，因此該電路和降壓斬 波電路一樣，也有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù) 和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于圖3-2電路中的電源，而此時(shí)的直流電源相當(dāng)于圖3-2中電路中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是定的，因此不必并 聯(lián)電容器。19圖3-3 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí)20V處于通態(tài)時(shí)，

10、設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式 設(shè)i1的初值為I10，解上式得當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式 設(shè)i2的初值為I20，解上式得 M11ddERitiLtMteREeIi1101EERitiLM22ddonttMtteREEeIi1202on(3-27)(3-27)(3-28)(3-28)（3-293-29）（3-303-30）21當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，t=ton時(shí)刻， i1 = I20；t =T 時(shí)刻，i2 = I10 ，由此可得由上兩式求得 )1 (1020onontMteREeII(3-31)(3-31)1(2010offofftMteREEeII(3-32)(3-32)REeemR

11、EeeREITtMoffb111110(3-33)(3-33)REeeemREeeeREITTtMon1120(3-34)(3-34)22將式（3-33）和式（3-34）用泰勒級(jí)數(shù)線性近似該式表示了L為無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了bE。REmIIb2010（3-353-35）REEREmIobbM（3-363-36）23圖3-3 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波波形c） 電流斷續(xù)時(shí)當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)， t = 0時(shí)刻，i1=I10=0，令式（3-31）中I10= 0即可求出I20，進(jìn)而可寫出 i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t = t2時(shí)

12、，i2= 0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間txmmett11lnonx（3-373-37）當(dāng)txtoff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)beem11（3-383-38）243.1 3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.1.1 降壓斬波電路3.1.2 升壓斬波電路3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路253.1.3 3.1.3 升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和CukCuk斬波電路斬波電路1. 升降壓斬波電路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形u 可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)

13、，電源經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，電容C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。u V關(guān)斷時(shí)，電感L中的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路反極性斬波電路26穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即當(dāng)V處于通態(tài)期間時(shí)，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間時(shí)，uL=-uo 輸出電壓為改變導(dǎo)通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2 1時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路（buck-boost 變換器）。Ttu0L0d（3-393-39）offoontUtE（3-4

14、03-40）EEtTtEttU1ononoffono（3-413-41）27offon21ttII11onoff21IIttI（3-433-43）2o1IUEI （3-443-44）圖3-4b中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有 由上式可得如果V、VD為沒有耗損的理想開關(guān)時(shí)，則其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。（3-423-42）282. Cuk斬波電路ERVDa)CVL1L2uoRb)CBASEi1L1L2i2uCuAuBuo圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路u V處于通態(tài)時(shí)，EL1V回路和R

15、L2CV回路分別流過電流。u V處于斷態(tài) 時(shí)，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過電流u 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。u 等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。29穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即 在圖3-5b的等效電路中，開關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得 從而可得 Tti0C0doff1on2tItI1onononoff12ttTttII（3-453-45）（3-463-46

16、）（3-473-47）30當(dāng)電容C很大使電容電壓uc的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求得當(dāng)開關(guān)S合到B 點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓uB=0，A點(diǎn)電壓uA=-uc當(dāng)開關(guān)S合到A 點(diǎn)時(shí)，uB=uc,uA=0,B點(diǎn)電壓uB平均值為又因電感L1的電壓平均值為零，所以電感L2的電壓平均值為零，A點(diǎn)的電壓平均值為CoffBUTtUCoffBUTtUEConAUTtU31圖3-5b中輸出電壓Uo可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時(shí)的情況相同。CukCuk 斬波電路優(yōu)點(diǎn)斬波電路優(yōu)點(diǎn)輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。 EEt

17、TtEttU1ononoffono（3-483-48） ConoUTtU323.1 3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.1.1 降壓斬波電路3.1.2 升壓斬波電路3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路333.1.4 Sepic3.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和ZetaZeta斬波電路斬波電路l當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，EL1V回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。圖3-6 a)Sepic斬波電路ElV處于斷態(tài)時(shí)，EL1C1VD負(fù)載（C2和R）回路及L2VD負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電，C1貯存的能量在

18、V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。Sepic斬波電路的輸入輸出關(guān)系由下式給出EEtTtEttU1ononoffono（3-493-49）Sepic斬波電路工作原理34在V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。待V關(guān)斷后，L1經(jīng)VD與C1構(gòu)成振蕩回路，其貯存的能量轉(zhuǎn)移至C1，至振蕩回路電流過零，L1上的能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。EU1o（3-503-50） Zeta斬波電路的輸入輸出關(guān)系為b）圖3-6 b)Zeta斬波電路Zeta斬波電路(雙Sepic斬波電路) 工作原理35兩種電路相比，具有相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路中，電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸入、

19、輸出濾波，反之，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。另外，與升降壓斬波電路和Cuk斬波電路相比， Sepic電路和Zeta電路輸出電壓為正極性的。 36第第3 3章章 直流斬波電路直流斬波電路3.1 3.1 基本斬波電路基本斬波電路3.2 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?7 3.2 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窋夭娐?.2.1 電流可逆斬波電路3.2.2 橋式可逆斬波電路3.2.3多相多重?cái)夭娐?8復(fù)合斬波電路 降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐?相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 3.2 3.2 復(fù)合

20、斬波電路和多相多重復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窋夭娐?93.2.13.2.1電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路圖3-7 電流可逆斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 波形lV1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限lV2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限l若V1和V2同時(shí)導(dǎo)通將導(dǎo)致的電源短路40ttOOb)uoioiV1iD1iV2iD2l當(dāng)電路只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)，V2和VD2總處于斷態(tài)l當(dāng)電路只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則V1和VD1總處于斷態(tài)l一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升

21、壓斬波電路工作 當(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。圖3-7 b）電流可逆斬波電路波形41 3.2 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窋夭娐?.2.1 電流可逆斬波電路3.2.2 橋式可逆斬波電路3.2.3多相多重?cái)夭娐?23.2.2 3.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路ELR+ -V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M圖3-8 橋式可逆斬波電路 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)時(shí)，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，即成為橋式可逆橋式可逆斬波電路斬波電路43 3.2 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窋夭娐?.2.1 電流可逆斬波電路3.2.2 橋式可逆斬波電路3.2.3多相多重?cái)夭娐?43.2.3 3.2.3 多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭?/p>