第4章直流斬波電路

1、1第4章 直流斬波電路2第4章 直流斬波電路引言直流斬波電路（直流斬波電路（DC ChopperDC Chopper）v將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。( (即利即利用電力電子器件將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過用電力電子器件將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通斷的時間變化來改變負(fù)載電壓平均值。通斷的時間變化來改變負(fù)載電壓平均值。) ) v也稱為也稱為直流直流-直流直流變換器（變換器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。 電路種類電路種類v6 6種基本斬波電路：種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升

2、壓斬波電路升壓斬波電路、 升升降壓斬波電路、降壓斬波電路、CukCuk斬波電路、斬波電路、SepicSepic斬波電路和斬波電路和ZetaZeta斬斬波電路。波電路。v復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合?；緮夭娐方M合。v多相多重斬波電路多相多重斬波電路相同結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合基本斬波電路組合。3斬波電路三種控制方式斬波電路三種控制方式主開關(guān)通斷的周期主開關(guān)通斷的周期T T保持不變，而每次通電時間保持不變，而每次通電時間t ton on 可變可變脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWMPWM，SG1525SG1525，SG3525SG3525） 。主開關(guān)每次通電時間主開

3、關(guān)每次通電時間 t tonon保持不變，而通斷的周期保持不變，而通斷的周期T T可變可變頻率調(diào)制。頻率調(diào)制。主開關(guān)通斷的周期主開關(guān)通斷的周期T T、每次通電時間、每次通電時間t tonon 均可變均可變混合型?；旌闲?。此種方式應(yīng)用最多第4章 直流斬波電路引言44.1 基本斬波電路54.1.1 降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)64.1.1 降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOO

4、b)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖4-1 降壓斬波電路得原理圖及波形較大電感較大電感L L時：時：vt t=0=0時刻驅(qū)動時刻驅(qū)動V V導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源E E向向負(fù)載供電，負(fù)載電壓負(fù)載供電，負(fù)載電壓u uo o= =E E，負(fù)，負(fù)載電流載電流i io o按指數(shù)曲線上升。按指數(shù)曲線上升。vt t= =t t1 1時控制時控制V V關(guān)斷，二極管關(guān)斷，二極管VDVD續(xù)流，負(fù)載電壓續(xù)流，負(fù)載電壓u uo o近似為零，近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。負(fù)載電流呈指數(shù)曲線

5、下降。較小電感較小電感L L時：電流斷續(xù)。時：電流斷續(xù)。v動畫演示動畫演示74.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v電流連續(xù) 負(fù)載電壓平均值：ttUEEEttTtTaa=+=ononoonoffon式 中（4-1）UEIR-=oMo（4-2）tonV通的時間通的時間 toffV斷斷的時間的時間 -導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比 負(fù)載電流平均值：c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖8()()1 21111111

6、011010,( )(0 )( )1( ); (0 )1(1)tMtMMttMi iiiiieiE EiIRE EiE EIeRRE EI eeR(1)的 求 解 ， （ 用 三 要 素 法 ）L=Rttttt+-輊= +-臌 =-=-輊-犏=-+-犏臌-=+ -4.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖94.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系22222220220

7、20( )(0 )( )( ), (0 )()(1)tMtMMttMiiiieEiIIREEiIeRREI eeRtttt+-輊= +-臌- =-=+-=+-c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖101122102011120221020101020(2),( ), ( )(1)(1)MttMttMIIEtTmETi tIi tIEEII eeREII eeR， 的求解當(dāng)負(fù)載電流連續(xù)時,設(shè)，ttttra

8、t-=-=+-=-4.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系10201020(2)1()11()1IIeEImeReEImeR， 的 求 解解 以 上 兩 式 得 ：arrarr-=-=-=-114.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系10201022(3)()1. 12!1. 12!()nnIIIEnmRnEmRarararrrra=輊犏+-犏-犏犏+-犏犏臌=-，的的近近似似值值（由由泰泰勒勒級級數(shù)數(shù)）（）！124.1.1 降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系201020()()oEImREIImRIaa=-換-=同同理理：即即：上式表明平波電抗上式表明平波電抗L L為無窮為無窮大時，負(fù)載電流完全平

9、直。大時，負(fù)載電流完全平直。134.1.1 降壓斬波電路()2RI TE I T+oMo同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導(dǎo)v 由于由于L L為無窮大，故負(fù)載電流維持為為無窮大，故負(fù)載電流維持為I Io o不變不變v 電源只在電源只在V V處于通態(tài)時提供能量，為處于通態(tài)時提供能量，為v 在整個周期在整個周期T T中，負(fù)載消耗的能量為中，負(fù)載消耗的能量為onotEI輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作器看作直流降壓變壓器直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。能量與負(fù)載消耗的能量相等。2EI

10、tRI TE I T=+o onoM oE EIRa-=MoEtIIITa=onooEEIEIU Ia=oo o（主電路）144.1.1 降壓斬波電路220220(1 )( )(1 )0(4 15)xxttMttMxEiI eeREi tI eeRtttt-=+-=+-=- 負(fù)載電流斷續(xù)的情況：負(fù)載電流斷續(xù)的情況： 求解求解U Uo o的關(guān)鍵是的關(guān)鍵是t tx x, , 因為電流因為電流斷續(xù)，所以斷續(xù)，所以I I1010=0=0，且，且t t= =t tx x時，時，i i2 2 ( (t tx x)=0)=01111 1201020( )(1)(1)(4 16)ttMtMi tIE EI e

11、eRE EIeR又即 :ttt=-=+ -= -154.1.1 降壓斬波電路 負(fù)載電流斷續(xù)的情況負(fù)載電流斷續(xù)的情況： :1 (1)lnmetmart-輊- -犏=犏臌x由 ( 4-15) 、 ( 4-16) 得（4-17）11emearr-（4-18）tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。off/tT（4-23）（4-22）(4 21)onoffOoffoffttTUEEtt+=-1ab+=111oUEEba=-21如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載由負(fù)載R R消耗，即消耗，即 ： （4-244-24）。）。 與降壓斬波電路

12、一樣，升壓斬波電路可看作直流與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。變壓器。4.1.2 4.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路1ooUEIRRb=1o oEIU I=輸出電流的平均值輸出電流的平均值I Io o為：為：(4-25)電源電流的平均值為：電源電流的平均值為：(4-26)（主電路）121ooUEIIERb=22v用于直流電動機傳動 再生制動時把電能回饋給直流電源。 電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。4.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路升壓斬波電路的應(yīng)用234.1.34.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬

13、波電路 (buck -boost Chopper)(buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)(降壓斬波電路降壓斬波電路)244.1.34.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路基本工作原理基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖4-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形vV V通時，電源通時，電源E E經(jīng)經(jīng)V V向向L L供供電使其貯能，此時電流為電使其貯能，此時電流為i i1 1。同時，。同時，C C維持輸出電維持輸出電壓恒定并向負(fù)載壓恒定并向負(fù)載R R供電。供電。vV V斷時，斷時，L L的能量向負(fù)載的能量向負(fù)載釋放，電流為釋放，電流為i i2 2

14、。負(fù)載電。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。也稱作反極性斬波電路。254.1.34.1.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系所以輸出電壓為：所以輸出電壓為：（3-41）V V處于通態(tài)時處于通態(tài)時L L儲存的能量為儲存的能量為: :LonI EtV V處于斷態(tài)時處于斷態(tài)時L L釋放的能量為釋放的能量為: :LO offI U t忽略電路損耗則有忽略電路損耗則有: :LonLO offI EtI U t=1ononooffonttUEEEtT taa=-（主電路）264.1.34.1.3升降壓斬波電路升降壓

15、斬波電路v圖圖3-4b3-4b中給出了電源電流中給出了電源電流i i1 1和負(fù)載電流和負(fù)載電流i i2 2的的波形，設(shè)兩者的平均值分別為波形，設(shè)兩者的平均值分別為I I1 1和和I I2 2，當(dāng)電，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：流脈動足夠小時，有： 結(jié)論結(jié)論v當(dāng)當(dāng)00 1/21/2時為降壓，當(dāng)時為降壓，當(dāng)1/21/2 1-（4-17）ooUEEUIRa=-=o1ttUm ETa輊 驏+犏=+-犏桫臌onxottUEEImTRRa驏+-=-=桫onxomo374.1.1 降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu)典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)384.1.2 升壓斬波電路 升壓斬波電路升壓斬波電路（Boost Chopper）保持輸保持輸出電壓出電壓儲存電能儲存電能 電路結(jié)電路結(jié)構(gòu)構(gòu)1) 升壓斬波電路的基本原理升壓斬波電路的基本原理394.1.1 降壓斬波電路 電路結(jié)構(gòu)典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)404.1.3升