降壓斬波電路精品課程課件

1、Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)第3章 直流斬波電路3.1 基本斬波電路3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)第3章 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 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復(fù)合斬波電路不同基本斬波電路組合 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合 2Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1 基本斬波電路3

2、.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3Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1.1 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V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。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。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)。4Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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 = t

3、1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5Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)（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(kāi)關(guān)周期； a為導(dǎo)通占空比（簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū龋?。降壓斬波電路（Buck變換器） 輸出到負(fù)載的電壓平均值U0最大為E，若減小

4、占空比a，則U0隨之減小。負(fù)載電流平均值為6Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)OOOtttTEEc)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(jiàn)，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。 7Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)斬波電路三種控制方式1） 脈沖寬度調(diào)制（PWM 脈沖調(diào)寬型) 保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton 2) 頻率調(diào)制（調(diào)平型） 保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開(kāi)關(guān)周期T

5、 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（3-3）（3-4）8Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)V處于斷態(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(guò)來(lái)，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。（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）9Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3

6、-8）得出（3-9）（3-10）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(wú)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。（3-11）10Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)從能量傳遞關(guān)系推導(dǎo)得，由于L為無(wú)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)載消耗的能量相等，即o（3-12）（3-13）假設(shè)L值無(wú)窮大，且負(fù)載電流平直，假設(shè)電源電流平均值為I1，則

7、有（3-14）11Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)I1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 = toff /T,則b和導(dǎo)通占空比a的關(guān)系 式（3-21）可表示為（3-20）（3-21）（3-22）（3-23）16Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)

8、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（3-24）（3-26）（3-25）17Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué) 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(wú)窮大，因此該電路和降

9、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。18Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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)19Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)V處于通態(tài)時(shí)，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 (3-27)(3-28)（3-29）

10、（3-30）20Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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 (3-31)(3-32)(3-33)(3-34)21Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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(wú)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。（3-35）（3-36）22Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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

11、時(shí)刻，i1=I10=0，令式（3-31）中I10= 0即可求出I20，進(jìn)而可寫(xiě)出 i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t = t2時(shí)，i2= 0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx（3-37）當(dāng)txtoff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)（3-38）23Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1 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24Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路1. 升降壓斬波電路圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形 可控開(kāi)

12、關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，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。 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25Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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a，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0a 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2a 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）。（3-39）

13、（3-40）（3-41）26Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)（3-43）（3-44）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(méi)有耗損的理想開(kāi)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。（3-42）27Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)2. 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 V處于通態(tài)時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路分別流過(guò)電流。 V處于斷態(tài) 時(shí)，EL

14、1CVD回路和RL2VD回路分別流過(guò)電流 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。28Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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(kāi)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(kāi)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 （3-45）（3-46）（3-47）29Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)當(dāng)電容C很大使電容電壓uc的脈動(dòng)足

15、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(kāi)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(kāi)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30Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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。Cuk 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。 （3-48） 31Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1 基本斬波電路3.1.

16、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32Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路當(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EV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（3-49）Sepic斬波電路工作原理33Power Elect

17、ronics廣東工業(yè)大學(xué)在V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開(kāi)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(guò)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。（3-50） 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34Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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、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，

18、Sepic電路和Zeta電路輸出電壓為正極性的。 35Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)第3章 直流斬波電路3.1 基本斬波電路3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?6Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué) 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)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?7Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)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 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?8Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.2.1電

19、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V1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V2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象限若V1和V2同時(shí)導(dǎo)通將導(dǎo)致的電源短路39Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)ttOOb)uoioiV1iD1iV2iD2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)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)一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作 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)，

20、使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。即在一個(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40Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué) 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)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?1Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué)3.2.2 橋式可逆斬波電路圖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(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，即成為橋式可逆斬波電路42Power Electronics廣東工業(yè)大學(xué) 3.2 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)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?3