激光設備控制技術教材——第五章第六節(jié)講解

1、第六節(jié)斬波電路拓撲結構及其工作原理斬波電路原來是指在電力運用中，出于某種需要，將正弦波的一部分"斬掉"。(例如在電壓為50V的時候，用電子元件使后面的 500V部分截止，輸出電壓為0。)后來借用到DC-DC 開關電源中，主要是在開關電源調壓過程中，原來一條直線的電源，被線路"斬"成了一塊一塊的脈沖。6種基本斬波電路：降壓斬波電路、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。 復合斬波電路一一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。一、降壓斬波電路直流斬波電路(DC Chopper):

2、是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓直流電的電路。也 稱為直流-直流變換器(DC/DCConverter )。一般指直接將一直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷碾娐罚?不包括由直流變?yōu)榻涣?，再由交流變?yōu)橹绷鞯碾娐?。降壓斬波電路又叫BUCK電路。降壓斬波電路結構是由電源、全控型器件、續(xù)流二極管、儲能電感線圈和負載電阻組成。假如全控型器件為晶閘管的話必須有輔助關斷電路。電路結構如圖5-25所示。降壓斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶動蓄電池負載。工作原理分析：圖 5-26 a是電路圖，b和c是電流連續(xù)時波形圖和電流斷續(xù)時的波形圖，在t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，這時輸出電壓電壓Uo=E,負

3、載電流i o按指數曲線上升，如圖 b所示。當時間t=t1時控制開關器件 V關斷，二極管VD開始續(xù)流，這時輸出電壓uo近似為零， 負載電流呈指數曲線下降，處于12階段，如圖所示。通常在降壓斬波張串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小在。電感小電流斷續(xù)波形圖如c圖所示。M圖5-26降壓斬波電流電壓波形圖路分析可以得到以下結論：輸出到負載的電壓平均值U0最大值為E,若減小占空比，則可以使輸出電壓隨之減少，因此該電路稱為降壓斬波電路。當電流斷續(xù)時，10也就是負載電流有段時間電流為零，所以電流不是連續(xù)的，是斷續(xù)的。電流斷續(xù)時可以得到以下結論：由這波形可以看出，負載電壓U0的平均值在斷續(xù)時是抬高的，在電感比

4、較小的情況下，一般出現電流斷續(xù)，這種在實際應用中是不希望出現的情況。電流連續(xù)情況的數量關系有以下關系：負載電壓平均值U o 山 E 二鼻 E = Et on * t offT其中ton開關器件導通的時間t off 開關器件斷續(xù)的時間a叫-導通占空比從公式可以看出：輸出電壓U0與導通占空比 a成正比，而由于占空比是小于 1的，所以輸出電壓U0小于電源電壓 E。因此該電路叫降壓斬波電路。負載電流平均值：U - EmI o-其中EM是負載反電動勢，R是電路等效電阻。L過小或toff 過大時出現電流斷續(xù)情況，這種情況一般不希望發(fā)生。斬波電路有三種控制方式：第一種是開關的周期 T不變，該變導通時間ton

5、這種叫脈沖寬度調制型，也稱（ PWM 型。第二種是導通時間ton不變，改變導通周期 T 這種稱為頻率調制型。第三種是導通時間ton和周期T都可調，也就是改變占空比和頻率一稱為混合調制型。這三種控制方式是脈寬調制型也就是PWh型應用最多。二、升壓斬波電路升壓斬波電路又叫 BOOS電路。1.升壓斬波電路的基本原理升壓斬波電路結構是由電源E、儲能電感、全控型開關、續(xù)流二極管、負載和濾波電容組成如圖5-27所示。工作原理分析：圖 5-28為升壓型斬波電路工作波形圖。假設電路中L和濾波電容C都很大。圖5-28電路工作波形圖當開關器件V處于通態(tài)時，也就是導通的時候，電源E向電感L充電，這時候電流是恒定的1

6、1，電容C向負載R供電，輸出電壓 U=基本保持恒定。當開關器件V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，這時也必須向負載提供 能量。通過對電路進行分析，可以得出以下結論：輸出電壓是高于電源電壓的。產生電壓升高的原因有以下兩個：一是儲能電感L存儲能量后使輸出電壓得到提高；第二是濾波電容可將輸出電壓保持恒定。所以BOOST!路又叫升壓斬波電路。2.升壓斬波電路的數量關系：設V通態(tài)的時間為ton,這個階段L上積蓄的能量為El.ton設V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為Uo-El.toff在穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T中L積蓄能量與釋放能量相等，也就是能量守恒原理，所以有：EliJn =（U

7、。- E）htoff對該式進行化簡可以得到：,ton t off L T LU o =E = Etofft off其中T/t off>1，因為T是周期，是toff關斷時間，也意味輸出電壓高于電源電壓，所以 該電路稱為升壓斬波電路。=t offT其中T/t off稱為升壓比；升壓比的倒數記作 b，也就是b和a的關系是:因此可以得出U。a+ b =1 ;其中a叫導通占空比，而 b叫關斷占空比。1E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，可以得出式子1 .：；一Eh =U°I。與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作是直流變壓器。輸出電流的平均值Io為：U。1 EI o

8、 R P R電源電流的平均值I1為：U。1 EPFC電路；三是用升壓斬波電路典型應用有三個方面-E I I'2 R 一是用于直流電動機驅動電路；二是用作單相功率因數校正俗稱(于其他交直流電源變換電路。三、升降壓斬波電路 升降壓斬波電路又叫 BUCK-BOOS電路，其電路結構是由電源、全控開關器件、儲能電 感、續(xù)流二極管、濾波電容和負載構成。如圖5-29所示。ii。同時，濾波電 L的能量向負載釋 所以該電路也稱Ili 2Iltofft圖5-29升降壓斬波電路原理圖電路基本工作原理分析：圖5-30為升降壓斬波電路工作時的電流波形圖。在開關器件V導通時，電源E經開關器件V向電感L供電，使電感

9、貯能，這時電流為 容C維持輸出電壓保持恒定并向負載R供電。當開關器件V關斷時，電感放，這時電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性正好相反， 為反極性斬波電路。b)圖5-30升降壓斬波電路工作時的電流波形圖升降壓斬波電路輸出電壓的數量關系：在穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T內電感L兩端電壓Ul對時間的積分是為零的，就是有以下式子T0 ul dt =0電感兩端電壓ul = E，而開關器件 V處于分成兩部分，在開關器件處于導通時候， 關斷時候 U L = - U o根據能量守恒原理E tonU o t o ffaE1 - :T是周期。從以上式子我們可以得出以下結論：1/2< a <1為升壓電路，因此 BOOST電路又叫升降壓斬波所以輸出電壓可以寫為：toneT -ton而大寫tonE 二 t o ff其中a叫做導通占空比， 當0<a <1/2為降壓電路，當電路。從圖b中給出了電源電流i1和負載電流i2的