電力電子技術(shù)山大第5章-直流斬波電路

電力電子技術(shù)山大第5章___直流斬波電路第一頁，共50頁。第5章直流斬波電路·引言直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流?/p>

電路種類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。復(fù)合斬波電路——不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重斬波電路——相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。2第二頁，共50頁。5.1

基本斬波電路5.1.1

降壓斬波電路5.1.2

升壓斬波電路5.1.3

升降壓斬波電路和Cuk斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路3第三頁，共50頁。5.1.1

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（BuckChopper)4第四頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路工作原理圖5-1

降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動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。t=t1時控制V關(guān)斷，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。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。動畫演示。5第五頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負(fù)載電壓平均值：（5-1）（5-2）ton——V通的時間

toff——V斷的時間

a--導(dǎo)通占空比

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。負(fù)載電流平均值：6第六頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路工作原理圖5-1

降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動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。t=t1時控制V關(guān)斷，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。t=t1+tx時，電流為零，VD截止負(fù)載電壓uo=EM。動畫演示。7第七頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路斬波電路三種控制方式T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）。ton不變，變T—頻率調(diào)制。ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。此種方式應(yīng)用最多基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)8第八頁，共50頁。參數(shù)計算:(1)電流的瞬時值:①當(dāng)V導(dǎo)通時有:解此方程:

t=0時使V導(dǎo)通,導(dǎo)通前:導(dǎo)通后:5.1.1

降壓斬波電路9第九頁，共50頁。電感電路電流不突變,則有:i0+=i0-5.1.1

降壓斬波電路10第十頁，共50頁。②當(dāng)V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i0=i2，可列出如下方程：設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得5.1.1

降壓斬波電路11第十一頁，共50頁。(2)電流波動值:①電流連續(xù)時:t=t1=ton時i1=I20(V導(dǎo)通的時間為t1)

t=T時,i2=I10則:5.1.1

降壓斬波電路12第十二頁，共50頁。由以上兩式可得:式中:5.1.1

降壓斬波電路13第十三頁，共50頁。由圖3-1b可知，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。當(dāng)平波電抗器L為無窮大時，負(fù)載電流完全平直，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。5.1.1降壓斬波電路可看作是直流變壓器14第十四頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進行的推導(dǎo)

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)時提供能量，為

在整個周期T中，負(fù)載消耗的能量為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。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。15第十五頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路

負(fù)載電流斷續(xù)的情況：

當(dāng)V導(dǎo)通至t1時，i1=I20，起始值I10=0且t=ton+tx時，i2=0則:16第十六頁，共50頁。5.1.1

降壓斬波電路

負(fù)載電流斷續(xù)的情況：

（5-16）tx<toff電流斷續(xù)的條件：（5-17）（5-19）負(fù)載電流平均值為：輸出電壓平均值為：（5-18）17第十七頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路

升壓斬波電路（BoostChopper）保持輸出電壓儲存電能

電路結(jié)構(gòu)1)升壓斬波電路的基本原理18第十八頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路工作原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。動態(tài)演示。0iGE0ioI1圖5-2升壓斬波電路及工組波形a)

電路圖b)

波形19第十九頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（5-21）（5-20）化簡得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b，即 。b和a的關(guān)系：因此，式（5-21）可表示為（5-23）（5-22）20第二十頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路電壓升高的原因：電感L儲能使電壓泵升的作用

電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即：。（5-24）與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。輸出電流的平均值Io為：(5-25)電源電流的平均值I1為：(5-26)21第二十一頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路2)升壓斬波電路典型應(yīng)用tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo圖5-3用于直流電動機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c）電流斷續(xù)時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。i22第二十二頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系(1)V處于通態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i1，得下式式中R為電機電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo23第二十三頁，共50頁。(2)當(dāng)V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機電樞電流為i2，得下式：設(shè)i2的初值為I20，解上式得：5.1.2升壓斬波電路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo24第二十四頁，共50頁。①當(dāng)電流連續(xù)時，從圖3-3b的電流波形可看出，t=ton時刻i1=I20，t=T時刻i2=I10，由此可得：5.1.2升壓斬波電路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo25第二十五頁，共50頁。由以上兩式求得：5.1.2升壓斬波電路26第二十六頁，共50頁。與降壓斬波電路一樣，若L足夠大則電流平直得該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即該式表明，以電動機一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源看作是被降低到了。

5.1.2升壓斬波電路27第二十七頁，共50頁。②當(dāng)電樞電流斷續(xù)時的波形如圖5-3c所示。電流斷續(xù)時：I10=0,t=ton時，i1=I20根據(jù)：有當(dāng)V截止tx時：i2=0tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI2028第二十八頁，共50頁。?。╇娏鞒掷m(xù)時間:ⅱ）電流連續(xù)的條件:即5.1.2升壓斬波電路29第二十九頁，共50頁。5.1.2升壓斬波電路如圖5-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時：當(dāng)t=0時刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20，進而可寫出i2的表達式。另外，當(dāng)t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即圖5-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形--------電流斷續(xù)的條件tx<t0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI2030第三十頁，共50頁。電樞電流斷續(xù)時:tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI2031第三十一頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

升降壓斬波電路

(buck-boostChopper)

電路結(jié)構(gòu)32第三十二頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖5-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時，L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。33第三十三頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即（5-39）所以輸出電壓為：（5-41）V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo（5-40）34第三十四頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

結(jié)論當(dāng)0<α<1/2時為降壓，當(dāng)1/2<α<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。35第三十五頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖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)電流脈動足夠小時，有：（5-42）由上式得：（5-43）

結(jié)論當(dāng)0<a<1/2時為降壓，當(dāng)1/2<a<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。（5-44）otb)oti1i2tontoffILIL36第三十六頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路2)Cuk斬波電路V通時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有電流。V斷時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。圖5-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路37第三十七頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關(guān)系（5-45）V處于通態(tài)的時間ton，電容電流為I2。V處于斷態(tài)的時間toff，電容電流為-I1

。（5-46）38第三十八頁，共50頁。5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關(guān)系（5-48）

優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。39第三十九頁，共50頁。b)Zeta斬波電路5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路a)Sepic斬波電路圖5-6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電路結(jié)構(gòu)Speic電路原理V通態(tài)，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，E—L1—C1—VD—負(fù)載回路及L2—VD—負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。輸入輸出關(guān)系：（5-49）40第四十頁，共50頁。5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路Zeta斬波電路原理V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。V關(guān)斷后，L1－VD－C1構(gòu)成振蕩回路，L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，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。輸入輸出關(guān)系：圖5-6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路（5-50）相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。兩種電路輸出電壓為正極性的。b)Zeta斬波電路41第四十一頁，共50頁。5.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路5.2.1

電流可逆斬波電路5.2.2

橋式可逆斬波電路5.2.3

多相多重斬波電路42第四十二頁，共50頁。5.2.1

電流可逆斬波電路復(fù)合斬波電路——降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成

多相多重斬波電路——相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。電流可逆斬波電路43第四十三頁，共50頁。5.2.1

電流可逆斬波電路電路結(jié)構(gòu)a)電路圖V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。圖5.1V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。圖5.2必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。電路響應(yīng)很快。圖5-7電流可逆斬波電路及波形44第四十四頁，共50頁。5.2.2橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路——兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。圖5-8橋式可逆斬波電路

使V4保持通時，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。使V2保持通時，