直流斩波电路课件

1、3.1 基本斩波电路,3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3.1.1 降压斩波电路（Buck Chopper）,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,根据图中的控制信号原理知： 在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。 当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值较大的电感。 至一个周期结束，重复上一周期过程，直至稳态。,能量关系 当电路工作

2、于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，此 时负载电压的平均值为： (3-1) 式中，ton为V处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；a为导通占空比。 由此式知，输出到负载的电压平均值U0的最大值为E，若减小占空比a ，则U0随之减小。因此，该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使用其英文名称，称为Buck变换器。 负载平均电流为： (3-2) 若负载中L值较小，则在关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。此时输出电压U0的平均值就会 被抬高，一般不希望电流出现断续情况。,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式

3、： 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton， 称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation ， 缩写为PWM) ，或脉冲调宽型。 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T， 称为频率调制或调频型。 ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 其中第1种方式应用最多 。,基于电力电子实质上是分时段线性电路这一思想，对降压斩波电路进行解析 。 在V处于通态期间，设负载电流为i1，则列出如下方程： ，设此阶段电流初值为I10 ，=L/R 解上式得： 在V处于断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为I20，解得： 。 当电流连续时，有：I10=i2(t

4、2)，I20=i1(t1)。由此可得到： ， 式中有： 。 将上面的两个式子用泰勒级数近似可得： 上式表明，当平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值I0。此时负载最大、最小电流均等于平均值。,以上能量关系的简单推导,由于L无穷大，故负载电流维持为I0不变。电源只在V处于通态时提供能量，为E I0 ton。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为（ ）。一周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即： 则 与前面计算的结论一致。 由于负载电流平直，假设电源电流平均值为I1 ，则有： 其值小于等于负载电流I0 ，由上式得： 即输出功率等于输入

5、功率，可将降压斩波器看 作直流降压变压器。,若负载中L值较小，则有可能出现负载电流断续 的情况。,电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，利用前面的式子可求得： 电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为： 在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为： U0不仅和占空比有关，也和反电动势EM有关。 此时负载电流的平均值：,3.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper）,1 升压斩波电路的基本原理,分析升压斩波电路的工作原理时，首先假定电路中电感L很大，电容C也很大。 当V处于导通状态时，电源E向电感L

6、充电，充电电流基本恒定位I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压u0为恒定值，记为U0。 设V处于通态的时间为t on，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为(U0-E)I1toff。,图3-2 升压斩波电路及其工作波形 a)电路图 b)波形,当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI1ton=(U0-E)I1toff 化简得： 上式中的T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也有的文献中直接采用

7、其英文名称，称为Boost变换器。 式中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。若将升压比的倒数记作，即=toff/T，则与导通占空比的关系为： +=1 因此，输出电压可表示为：,升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。 但应注意实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然下降，故实际输出电压会略低于式中所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。 若忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即： 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩电路也可看成是

8、直流变压器。 根据电路结构并结合前式得出输出电流的平均值I0为： 则可得出电源电流为：,用于直流电动机传动 ； 用作单相功率因数校正（PFC）电路； 用于其他交直流电源中。,2 升压斩波电路的典型应用,当升压斩波电路用于直流电动机传动时，通是在直流电动机 再生制动时把电能回馈给直流电源，此时的电路及工作波形如图3-3所示。 由于实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电流连续和断续两种工作状态。 此时，电动机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的畅游电源相当于图3-2中电路中的负载。 由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。,对升压斩波电路

9、的分析,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时,如图，当可控开关V处于通态时，设电动机的电枢电流为i1 ，得： 式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i2 的初值为I10，解上式得： 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2 ，得： 设i2的初值为I20 ，解上式得：,当电流连续时，从图b的电流波形可看出，t=ton时刻i1= I20 ，t=T时刻 i2= I10 ，由此可得：,当电枢电流表断续时的波形如图C所示。 当t=0时刻i1 = I10 =0，令式(3-31)中I10 =0即可求出I20 ，进而可写出i2 的表达式。另

10、外，当t=t2时，i2 =0 ，可求得i2 持续的时间tx，即： 当tx toff时，电路为电流断续工作状态， tx toff 是电流断续的条件，即： 根据此式可对电路的工作状态作出判断。,由以上两式求得： 把上面两式用泰勒级数线性近似，得： 该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值I0 ，即： 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被除数降低到了E。,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1 升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）,设电路中电感L和电容C的值都很大，使电感电流iL和电容电压即负载电压u0基本为恒值。 该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于

11、通态时，电源经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，也与降压斩波电路和升压斩波电路的情况正好相反，因此，该电路也称作反极性斩波电路。,图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即： 当V处于通态期间时，uL=E；而当V处于断态期间时， uL= -u0。于是： Eton=U0toff 所以输出电压： 由上式可见，若改变导通比a，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电

12、源电压低。当0 a 1/2时，为降压；当1/2 a 1时为升压。 因此将该电路称作升降压斩波电路。,2 Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流 V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流 输出电压的极性与电源电压极性相反 该电路的等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即： （3-45） 在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S

13、合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得： （3-46） 从而可得： （3-47） Cuk电路的特点： 与升降压电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。,当电容C很大使电容电压Uc的脉动足够小时，输出电压Uo 与输入电压的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uc；相反，当S合到A点时，uB=uc，uA=0。 因此，B点电压uB平均值为： （为电容电压#的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以#。另一方面，A点的电压平

14、均值为#，且L2的电压平均值为零，按图3-5#中输出电压 #的极性，有#，于是可得出输出电压#与电源电压E的关系为： 这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。,（3-48）,输出电压与输入电压关系的另一种求法,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路,两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之， Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。 另外，与前一小节所述

15、的两种电路相比，这里的两种 电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。,这两种斩波电路的工作原理,Sepic斩波电路的基本工作原理是：当处于通态时，E-L1-V回路和C1-V-L2回路同时导电，L1和L2贮能。处于断态时， E-L1-C1-VD-负载（C2和R）回路及L2-VD-负载回路同时导电， （此阶段E和L1 既向负载供电，同时也向C1充电， C1贮存的能量在处于通态时 向L2转移。 Sepic 斩波电路的输入输出关系同下式给出：,Zata斩波电路也称双Sepic 斩波电路，其基本工作原理是：在 处于通态期间，电源经开关向电感L1贮能。同时，和C1 共同向负载供电，并向C2 充电。待关

16、断后， L1经VD向C1 充电，其贮存的能量转移至C1 。同时，C2向负载供电， L2的 电流则经VD 续流。 Zata 斩波电路的输入输出关系为：,3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,降压斩波电路和升压斩波电路的组合，即构成 - 复合斩波电路 对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成 -多相多重斩波电路 3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路,3.2.1 电流可逆斩波电路,当斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动，将能量回馈电源。从电动状态到再生状态的切换可通过改变电路联结方式来实现，但在要求快速响应时，就需

17、通过对电路本身的控制来实现。 降压斩波电路在拖运直流电动机时，电动机工作于第1象限。而在升压斩波电路中，电动机则工作于第2象限。 这两种情况下，电动机的电枢电流的方向不同，但均只能单方向流动。而电流可逆斩波电路是将降压斩波电路与升压斩波电路组合在一起，在拖动直流电动机时，电动机的电枢电 流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可 工作于第1象限和第2象限。,电流可逆斩波电路分析,在该电路中，V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行； V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行。 注意：若V1和V2同时导通，将导致的电

18、源短路，进而会损坏电路中的开关器件或电源，因此必须防止出现这种情况。 此电路既可以只作降压斩波器运行，也可以只作升压斩波器运行，此两种情况与前面讨论的完全一样。 该电路还可以在一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路。即在这种工作方式下，当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流 过，这样电动机电枢回路总有电流流过。,图3-7 电流可逆斩波电路及其波形 a)电路图 b)波形,例：当降压斩波电路的V1关断后，由于积蓄的能量少，经一短时间电抗器L的贮能即释放完毕， 电枢电流为零。 这时使V2导通，由于电动机反电动势EM的作用使电枢电流反向流过，电抗器

19、L积蓄能量。待V2关断后，由于L积蓄的能量和EM共同作用使VD2导通，向电源反送能量。当反向电流变为零，即L积蓄的能量释放完毕时，再次使V1导通，又有正向电流流通，如此循环，两个斩波电路交替工作。,这样，在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。,3.2.2 桥式可逆斩波电路,电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但电压极性是单向的。 当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合（即四象限运行），就必须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路,图3-8 桥式可逆斩波电路,当使V4保持通态时，

20、等效电路就等效为图3-7a 所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态。此时需防止V3导通造成电源短路。 当使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限，即反转再生制动状态 。,3.2.3 多相多重斩波电路,多相多重斩波电路是另一种复合概念的斩波器。,与前面介绍的两种复合斩波电路不同，多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。,其一个周期的中电源侧的电流脉波数称 为斩波电路的相数；负载电流脉波数称 为斩波电路的重数。,示例：图3-9，3相3重降压斩波电路,该