第4章直流斩波电路

1、1第4章 直流斩波电路2第4章 直流斩波电路引言直流斩波电路（直流斩波电路（DC ChopperDC Chopper）v将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。( (即利即利用电力电子器件将直流电源电压断续加到负载上，通过用电力电子器件将直流电源电压断续加到负载上，通过通断的时间变化来改变负载电压平均值。通断的时间变化来改变负载电压平均值。) ) v也称为也称为直流直流-直流直流变换器（变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。 电路种类电路种类v6 6种基本斩波电路：种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升

2、压斩波电路升压斩波电路、 升升降压斩波电路、降压斩波电路、CukCuk斩波电路、斩波电路、SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩斩波电路。波电路。v复合斩波电路复合斩波电路不同结构不同结构基本斩波电路组合。基本斩波电路组合。v多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构相同结构基本斩波电路组合基本斩波电路组合。3斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式主开关通断的周期主开关通断的周期T T保持不变，而每次通电时间保持不变，而每次通电时间t ton on 可变可变脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWMPWM，SG1525SG1525，SG3525SG3525） 。主开关每次通电时间主开

3、关每次通电时间 t tonon保持不变，而通断的周期保持不变，而通断的周期T T可变可变频率调制。频率调制。主开关通断的周期主开关通断的周期T T、每次通电时间、每次通电时间t tonon 均可变均可变混合型。混合型。此种方式应用最多第4章 直流斩波电路引言44.1 基本斩波电路54.1.1 降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)64.1.1 降压斩波电路工作原理工作原理c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOO

4、b)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图4-1 降压斩波电路得原理图及波形较大电感较大电感L L时：时：vt t=0=0时刻驱动时刻驱动V V导通，电源导通，电源E E向向负载供电，负载电压负载供电，负载电压u uo o= =E E，负，负载电流载电流i io o按指数曲线上升。按指数曲线上升。vt t= =t t1 1时控制时控制V V关断，二极管关断，二极管VDVD续流，负载电压续流，负载电压u uo o近似为零，近似为零，负载电流呈指数曲线下降。负载电流呈指数曲线

5、下降。较小电感较小电感L L时：电流断续。时：电流断续。v动画演示动画演示74.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系v电流连续 负载电压平均值：ttUEEEttTtTaa=+=ononoonoffon式 中（4-1）UEIR-=oMo（4-2）tonV通的时间通的时间 toffV断断的时间的时间 -导通占空比导通占空比 负载电流平均值：c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图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+-轾= +-臌 =-=-轾-犏=-+-犏臌-=+ -4.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图94.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系22222220220

7、20( )(0 )( )( ), (0 )()(1)tMtMMttMiiiieEiIIREEiIeRREI eeRtttt+-轾= +-臌- =-=+-=+-c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图101122102011120221020101020(2),( ), ( )(1)(1)MttMttMIIEtTmETi tIi tIEEII eeREII eeR， 的求解当负载电流连续时,设，ttttra

8、t-=-=+-=-4.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系10201020(2)1()11()1IIeEImeReEImeR， 的 求 解解 以 上 两 式 得 ：arrarr-=-=-=-114.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系10201022(3)()1. 12!1. 12!()nnIIIEnmRnEmRarararrrra=轾犏+-犏-犏犏+-犏犏臌=-，的的近近似似值值（由由泰泰勒勒级级数数）（）！124.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系201020()()oEImREIImRIaa=-换-=同同理理：即即：上式表明平波电抗上式表明平波电抗L L为无穷为无穷大时，负载电流完全平

9、直。大时，负载电流完全平直。134.1.1 降压斩波电路()2RI TE I T+oMo同样可以从能量传递关系出发进行的推导v 由于由于L L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为I Io o不变不变v 电源只在电源只在V V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为v 在整个周期在整个周期T T中，负载消耗的能量为中，负载消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率，可将降压斩波输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作器看作直流降压变压器直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。能量与负载消耗的能量相等。2EI

10、tRI TE I T=+o onoM oE EIRa-=MoEtIIITa=onooEEIEIU Ia=oo o（主电路）144.1.1 降压斩波电路220220(1 )( )(1 )0(4 15)xxttMttMxEiI eeREi tI eeRtttt-=+-=+-=- 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： 求解求解U Uo o的关键是的关键是t tx x, , 因为电流因为电流断续，所以断续，所以I I1010=0=0，且，且t t= =t tx x时，时，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 降压斩波电路 负载电流断续的情况负载电流断续的情况： :1 (1)lnmetmart-轾- -犏=犏臌x由 ( 4-15) 、 ( 4-16) 得（4-17）11emearr-（4-18）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。off/tT（4-23）（4-22）(4 21)onoffOoffoffttTUEEtt+=-1ab+=111oUEEba=-21如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载由负载R R消耗，即消耗，即 ： （4-244-24）。）。 与降压斩波电路

12、一样，升压斩波电路可看作直流与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。变压器。4.1.2 4.1.2 升压斩波电路升压斩波电路1ooUEIRRb=1o oEIU I=输出电流的平均值输出电流的平均值I Io o为：为：(4-25)电源电流的平均值为：电源电流的平均值为：(4-26)（主电路）121ooUEIIERb=22v用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给直流电源。 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。4.1.2 升压斩波电路升压斩波电路升压斩波电路的应用234.1.34.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路 升降压斩波电路升降压斩

13、波电路 (buck -boost Chopper)(buck -boost Chopper) 电路结构电路结构(降压斩波电路降压斩波电路)244.1.34.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路基本工作原理基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图4-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形vV V通时，电源通时，电源E E经经V V向向L L供供电使其贮能，此时电流为电使其贮能，此时电流为i i1 1。同时，。同时，C C维持输出电维持输出电压恒定并向负载压恒定并向负载R R供电。供电。vV V断时，断时，L L的能量向负载的能量向负载释放，电流为释放，电流为i i2 2

14、。负载电。负载电压极性为上负下正，与电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。也称作反极性斩波电路。254.1.34.1.3升降压斩波电路升降压斩波电路数量关系数量关系所以输出电压为：所以输出电压为：（3-41）V V处于通态时处于通态时L L储存的能量为储存的能量为: :LonI EtV V处于断态时处于断态时L L释放的能量为释放的能量为: :LO offI U t忽略电路损耗则有忽略电路损耗则有: :LonLO offI EtI U t=1ononooffonttUEEEtT taa=-（主电路）264.1.34.1.3升降压斩波电路升降压

15、斩波电路v图图3-4b3-4b中给出了电源电流中给出了电源电流i i1 1和负载电流和负载电流i i2 2的的波形，设两者的平均值分别为波形，设两者的平均值分别为I I1 1和和I I2 2，当电，当电流脉动足够小时，有：流脉动足够小时，有： 结论结论v当当00 1/21/2时为降压，当时为降压，当1/21/2 1-（4-17）ooUEEUIRa=-=o1ttUm ETa轾 骣+犏=+-犏桫臌onxottUEEImTRRa骣+-=-=桫onxomo374.1.1 降压斩波电路 电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)384.1.2 升压斩波电路 升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper）保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结电路结构构1) 升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理394.1.1 降压斩波电路 电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)404.1.3升