重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院(2014)第3章直流斬波電路

1、3-1第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路3-2第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言直流斬波電路（DC Chopper）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/DC Converter）。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?電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升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。3-33.1 基本斬波電路基本斬波電路3-43.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 電

2、路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。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。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)3-53.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖3-1 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向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1

3、時控制V關(guān)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。buck chopper.swf3-63.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)負載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（3-1）REUIMoo（3-2）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)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：3-73.1.1 降壓斬波電路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

4、混合型。此種方式應(yīng)用最多第2章2.1節(jié)介紹過：電力電子電路的實質(zhì)上是分時段線性電路的思想?；凇胺侄尉€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)3-83.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路TIETRIoM2o同樣可以從能量傳遞關(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onotEI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載消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIE

5、I3-93.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路 升壓斬波電路升壓斬波電路（Boost Chopper）保持輸保持輸出電壓出電壓儲存電能儲存電能 電路結(jié)構(gòu)1) 升壓斬波電路的基本原理3-103.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路工作原理工作原理假設(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。0iGE0ioI1圖3-2 升壓斬波電路及工組波形a) 電路圖b) 波形boost chopper.swf3-113.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積

6、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：off1otIEU ontEI1EtTEtttUoffoffoffono（3-21）（3-20）offoontIEUtEI11)(化簡得： T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（3-23）（3-22）3-123.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路電壓升高的原因電壓升高的原因：電感電感L儲能使儲能使電壓泵升電壓泵升的作用的作用 電容電容C可將輸出電壓

7、可將輸出電壓保持保持住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 ： 。 （3-24） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(3-25)電源電流的平均值I1為：REIEUI2oo11b(3-26)3-13回顧回顧 1、直流斬波器的控制方式？、直流斬波器的控制方式？ （）定頻調(diào)寬 （）定寬調(diào)頻 （）調(diào)頻調(diào)寬3-14回顧回顧 所示降壓BUCK直流斬波電路，為輸入直流電壓，為輸出直流電壓，VT控制信號占空比為0.4,設(shè)所有器件均為理想器件，請計算輸出直流電壓。 3-15當(dāng)輸入電壓為當(dāng)輸入電壓為12V，占空比為，

8、占空比為0.8時，輸出電壓為多少？時，輸出電壓為多少？ RLVL12D12CiVoV3-16 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)3-173.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路基本工作原理基本工作原理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(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。buck&boos

9、t chopper.swf3-183.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路數(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Ttu0L0d（3-39）所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE（3-40）3-193.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路圖3-4b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-4

10、3） 結(jié)論當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2a 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。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL3-203.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路2) Cuk斬波電路斬波電路V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流。V斷時，EL1CVD回路和RL2VD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3-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路3-213.1.3升降壓斬波電路和

11、升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路同理：數(shù)量關(guān)系Tti0C0d（3-45）V處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-46）EEtTtEttU1ononoffono（3-48） 優(yōu)點優(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。3-22b) Zeta斬波電路3.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路a) Sepic斬波電路圖3-6 Se

12、pic斬波電路和Zeta斬波電路電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)Sepic電路原理電路原理V通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，EL1C1VD負載負載回路及L2VD負載負載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負載供電，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：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）3-233.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路原理斬波電路原理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，L1VDC1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)

13、斷，C1經(jīng)L2向負載供電。輸入輸出關(guān)系：圖3-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路EU1o（3-50）相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負載電流均連續(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3-24課堂練習(xí)課堂練習(xí) 1.在降壓斬波電路中在降壓斬波電路中,已知已知E=200V,R=100,L值極值極大大,EM=30V.采用脈寬調(diào)制控制方式采用脈寬調(diào)制控制方式,當(dāng)當(dāng)T=50s,ton=20s時時,計算輸出電壓平均值計算輸出電壓平均值U0、輸出電流平均值、輸出電流平均值I0。 2.在升壓斬波電路中在升壓斬波電路中,已知已知E=5

14、0V,R=20,L值和值和C值極大值極大.采用脈寬調(diào)制控制方式采用脈寬調(diào)制控制方式,當(dāng)當(dāng)T=40s,ton=25s時時,計算輸出計算輸出電壓平均值電壓平均值U0、輸出電流平均值、輸出電流平均值I0。3-253.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路3-263.2.1 電流可逆斬波電路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。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：

15、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。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路boost application.swf3-27ttb)uoioiV1iD1iV2iD23.2.1 電流可逆斬波電路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。V2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。必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過程（三種工作方式)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

16、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3-7 電流可逆斬波電路及波形3-283.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路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、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。3-293.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路基本概念多相多重斬波電路在電源

17、和負載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重數(shù)負載電流脈波數(shù)3-303.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。總的輸出電流脈動幅值變得很小 。所需平波電抗器總重量大為減輕。總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。圖3-9 3相3重斬波電路及其波形3-313.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路當(dāng)上述電路電源公用而負載為3個獨立負