第3章直流斩波电路

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1、第第3章章 直流斩波电路直流斩波电路23.1基本斩波电路基本斩波电路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 3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路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多相多重斩波电路本章小结本章小结3v直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流 习惯上，DCDC变换器包括

2、以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况 v直流斩波电路的种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路复合斩波电路不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合 4v重点介绍最基本的两种基本电路-降压斩波电路和升压斩波电路5v斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEME

3、V+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形v工作原理工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo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使串接的电感L值较大 6v数量关系数量关系电流连续时电流连续时，负载电压平均值 (3-1)tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空占空 比比 Uo最大为E，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压降压斩波电路。负载电流平均值 (3-2

4、)电流断续时，电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形EETtEtttUaonoffononoREUIMoo-7v 斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）1.T 不 变，变 to n 脉 冲 宽 度 调 制（PWM）2.ton不变，变T 频率调制3.ton和T都可调，改变占空比混合型ttt

5、OOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形v基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析 V通态期间通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：（3-3）EERitiLM11dd8设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得V断态期间断态期间,设负载电流为i2，可列如下方程：（3-5）设此阶段电流初值为I20，解上式得：当电流连续时，有：tttOOOb)TEiGt

6、ontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形)43(1101-tteREEeIiM0ddM22ERitiL)63(1202-tteREeIiM)73()(2210-tiI)83()(1120-tiI9即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出：（3-9）（3-

7、10）式中:；。由图3-1b可知，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似，可得 （3-11）上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。REmeeREREeeITt-1111M/101aREmeeREREeeITt-a1111M/201/TEEm/MaTTtt11/o2010IREmII-a10v从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 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，忽略损耗，

8、则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 （3-12）则 （3-13）在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有 （3-14）其值小于等于负载电流Io，由上式得 （3-15）即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。onotEITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oonoREEIMo-aooon1IITtIaooo1IUEIEIa11 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况：I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx为：（3-16）电流断续时，tx1，_输出电压高于电源电压，故称该电

9、路为升压升压斩波电路3.1.2 升压斩波电路 v工作原理 假设L值很大，C值也很大 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图 b）波形 ontEI1off1otIEU-off1oon1tIEUtEI-EtTEtttUoffoffoffono131.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理v 工

10、作原理 假设L值很大，C值也很大 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 （3-20）EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图 b）波形on1tEIoff1otIEU-off1oon1tIEUtEI-14化简得：（3-21），输出电压高于电源电压，故称该电路为升压升压斩波电路。也称之为bo

11、ost变换器升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与3.1.1节中介绍的改变导通比a的方法类似。将升压比的倒数记 作b，即。b 和导通占空比a有如下关系：（3-22）因此，式（3-21）可表示为 （3-23）v 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 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EtTEtttUoffoffoffono1/offtToff/tTTtoffb1baEEUab-111o15 以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低 如果忽略电路中

12、的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 （3-24）该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为 （3-25)由式（3-24）即可得出电源电流I1为：（3-26）oo1IUEI RERUIb1ooREIEUI2oo11b162.升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路 三是用于其他交直流电源中EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3

13、 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17v 用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图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。18v 电路分析V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 （3-27）式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初值为I10，解上式得(3-28)当V处于断态时，设电动机电枢电流

14、为i2，得下式：（3-29）设i2的初值为I20，解上式得：(3-30）M11ddERitiL-tteREeIi1M101EERitiL-M22dd-ttteREEeIi1M202on19当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：（3-31）（3-32）由以上两式求得：（3-33）（3-34）-onon1M1020tteREeII-offofftmteREEeII12010REeemREeeREITt-b1111offM10REeeemREeeeREITTt-a11onM2020与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近

15、似，得 （3-35）该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即 （3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了 。REmIIb-2010REEREmIobb-MEb21当电枢电流断续时的波形如图3-3c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。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 （3-37）当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即 （3-38）根据此式可对电路的工作状态作出判断。mmett-11lnonxb-eem11221.升降压斩波电路升降压

16、斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。v 基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形23 V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即 （3-39）当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：（3-40）所以输出电

17、压为：（3-41）Ttu0L0doffoontUtEEEtTtEttUaa-1ononoffono24 改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter）图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有 （3-42）VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILoffon21ttII图3-4 升降压斩波电路及其波形a）

18、电路图 b）波形25由上式可得：（3-43）如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则 （3-44）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。11onoff21IIttIaa-2o1IUEI 262.Cuk斩波电路斩波电路图图3-5所示为所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路斩波电路的原理图及其等效电路。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 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ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo图3-5 Cuk斩

19、波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路27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）Tti0C0doff1on2tItIaa-1onononoff12ttTttII28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E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=-u

20、C；相反，当S合到A点时，uB=uC，uA=0。因此，B点电压uB的平均值为（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以。另一方面，A点的电压平均值为 ，且L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有 。CBUTtUoffCBUTtUEoffCAUTtUon-CUTtUono29于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：（3-48）这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。v 优点优点（与升降压斩波电路相比）：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。EEtTtEttUaa-1ononoffono303.1.4 Sep

21、ic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。Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，EL1C1VD负载（C2和R）回路及L2VD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V处于通态时向L2转移。RVDEVb)RVDEa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2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31Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：（3-49）

22、Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。EEtTtEttUaa-1ononoffono3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 32Zeta斩波电路的输入输出关系为：（3-50）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，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两

23、种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。EUaa-1o3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 333.2.1 电流可逆斩波电路 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，又可再生制动降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动机工作于第1象限图3-3所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，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34V1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，工作于第1象限V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电

24、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，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR图3-7 电流可逆斩波电路及其波形a）电路图 b）波形3.2.1 电流可逆斩波电路 35必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路 只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态 只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态 第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作 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。以图3-7b为例说明。在一个

25、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。3.2.1 电流可逆斩波电路 36v电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的v当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，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桥式可逆斩波电路37使V4保持通时，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 ELR+-V1VD1uoV

26、3EMV2VD2ioV4VD3VD4M图3-8 桥式可逆斩波电路 38v 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相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数 负载电流脉波数v 示例：图3-9，3相3重降压斩波电路 相当于由3个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍 由于3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小 3.2.3 39总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比和单相时相比，设输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗器总重量大为

27、减轻q当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路q而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路q多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用3.2.340tOtttttttOOOOOOOb)u1u2u3uoi1i2i3ioCLEMa)V1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1图3-9 多相多重斩波电路及其波形a）电路图 b）波形3.2.341q 本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他

28、斩波电路的基础。因此，本章的重点重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点q 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。针对这样的应用趋势，希望读者将本章与第8章的间接直流变流电路部分的学习紧密结合起来，牢固建立起关于开关电源的概念。42电路图电流连续时的波形电流断续时的波形返回返回EV+-MRLVDa)ioEMuoiGtttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttT

29、EEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM43EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt电路图波形返回返回44EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo电路图电流连续时电流断续时返回返回45VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL电路图波形返回返回46返回返回ERVDa)电路图CVRb)等效电路CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo47返回返回RVDEVb)Zeta斩波电路RVDEa)Sepic斩波电路Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L248返回返回ttOOELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MRa)电路图b)波形49ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M返回返回50返回返回CLEMa)电 路 图V1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1tOtttttttOOOOOOOb)波 形u1u2u3uoi1i2i3io