直流斬波電路

直流斬波電路1第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六第3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{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（chopper）：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk、Sepic和Zetachopper。復合斬波電路——不同結構基本斬波電路組合。多相多重斬波電路——相同結構基本斬波電路組合。2第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六第3章直流斬波電路·引言直流斬波電路工作原理斬波輸出直流平均電壓：Uo=aUs斬波電路輸出功率： Po=UoIo斬波電路輸入功率： Ps=UsI1忽略其他損耗，可看作直流變壓器：UoIo=UsI13第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1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3.1.4Sepic和Zeta斬波電路(略)4第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.1降壓斬波電路電路結構全控型器件，多為IGBT續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。降壓斬波電路（BuckChopper)電源輸出能量等于負載消耗能量i15第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.1降壓斬波電路工作原理t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。c)電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuotttooob)電流連續(xù)時的波形TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uooootttTEEuGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)電路圖圖3-1降壓斬波電路的原理圖及波形6第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)量關系電流連續(xù)負載電壓平均值：（3-1）（3-2）ton——V通的時間toff——V斷的時間a

——導通占空比

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。負載電流平均值：3.1.1降壓斬波電路7第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六斬波電路三種控制方式T不變，變ton—脈沖寬度調制（PWM）。ton不變，變T—頻率調制。ton和T都可調，改變占空比—混合型。此種方式應用最多基于“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)3.1.1降壓斬波電路8第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六同樣可以從能量傳遞關系出發(fā)進行的推導由于L為無窮大，故負載電流維持為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，負載消耗的能量為一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。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。3.1.1降壓斬波電路9第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.2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構1)升壓斬波電路的基本原理電感的存儲能量等于其釋放能量10第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六工作原理假設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，并向負載提供能量。0uGE0ioI1圖3-2升壓斬波電路及工組波形a)

電路圖b)波形3.1.2升壓斬波電路11第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)量關系設V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton設V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為(Uo-E)I1toff穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：化簡得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。T/toff>1——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b

，即b=toff/T 。b和a的關系：a+b=13.1.2升壓斬波電路12第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六電壓升高的原因：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載R消耗，即：EI1=UoIo。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：電源電流的平均值I1為：3.1.2升壓斬波電路13第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六2)升壓斬波電路典型應用一是用于直流電動機傳動二是用作單相功率因數(shù)校正電路三是用于其他交直流電源中ttTEioob)電流連續(xù)時a)電路圖i1i2I10I20I10tontofftoToEtc)電流斷續(xù)時uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖3-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形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。14第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)量關系當V處于通態(tài)時，設電動機電樞電流為i1，得下式：當V處于斷態(tài)時，設電動機電樞電流為i2，得下式：當電流連續(xù)時，考慮到初始條件，近似L無窮大時電樞電流的平均值Io，即該式表明，以電動機一側為基準看，可將直流電源電壓看作是被降低到了

bE。m=EM/E15第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六當電樞電流斷續(xù)時：可求得i2持續(xù)的時間tx，即——電流斷續(xù)的條件tx<t0ff3.1.2升壓斬波電路toToEtc)電流斷續(xù)時uoioi1i2t1t2txtontoffI2016第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路1）升降壓斬波電路(buck-boostChopper)電路結構電感的存儲能量等于其釋放能量17第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖3-4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載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。18第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即所以輸出電壓為：V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo19第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3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和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有：當0<a<1/2時為降壓，當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。otb)oti1i2tontoffILIL20第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3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。電路相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路電容的存儲能量等于其釋放能量21第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關系V通態(tài)時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V斷態(tài)時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1toff。由此可得：I2

ton=I1

toff

優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。22第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2復合斬波電路3.2.1電流可逆斬波電路（兩象限斬波電路）3.2.2

橋式可逆斬波電路（四象限斬波電路）23第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六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。3.2.1電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：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，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。24第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1電流可逆斬波電路電路結構V1和VD1構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。V2和VD2構成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。25第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1電流可逆斬波電路工作過程（三種工作方式)第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當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。電路響應很快。圖3-7電流可逆斬波電路及波形26第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3.2.2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3-8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，V3、VD