電力電子技術(shù)山大第5章直流斬波電路

1、3-1第第5章章 直流斬波電路直流斬波電路3-2第第5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。3-35.1 基本斬波電路基本斬波電路3-45.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 電

2、路結(jié)構(gòu)典型用途之一是拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)3-55.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理圖5-1 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(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。動畫演示。EETtEtttUonoffonono3-65.1.1 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(fù)載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（5-1）REUI

3、Moo（5-2）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(fù)載電流平均值：3-75.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理圖5-1 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(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。t=t1+tx時，電流為零，VD截止負(fù)載電壓uo=E M。動畫演示。()1t ET tt EttUm ETTononxMonxo3-85.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路斬波電路三種控

4、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)，改變占空比混合型。此種方式應(yīng)用最多基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。分分V處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài)初始條件分初始條件分電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)3-9參數(shù)計算參數(shù)計算:(1)電流的瞬時值:當(dāng)V導(dǎo)通時有:EERitiLM11dd解此方程:tM1AeREEi t=0 時使V導(dǎo)通,導(dǎo)通前:100Ii導(dǎo)通后:AREEiM05.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 3-10電感電路電流不突變,則有: i0+=i0-AREEIM10REEIAM101101(54)ttEEiI eeRM5.

5、1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 3-11當(dāng)當(dāng)V斷態(tài)期間，斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i0=i2，可列出如下方程：0ddM22ERitiL設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得2201(56)onont tt tEiI eeRM5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 3-12(2)電流波動值:電流連續(xù)時: t=t1=ton 時 i1=I20 (V導(dǎo)通的時間為t1) t=T 時,i2=I10則:)1 (111020tMteREEeII)1 (222010tMteREeII5.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 1101(54)ttEEiI eeRM2201(56)onont tt tEiI eeRM3-13由

6、以上兩式可得:REmeeREREeeITt1111M/101REmeeREREeeITt1111M/201式中:/TEEm/MTTtt115.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 3-14由圖3-1b可知，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。當(dāng)平波電抗器L為無窮大時，負(fù)載電流完全平直，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。oIREmREUIIM020105.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路100100 0onLtIIITEIE IU I若，負(fù)載電流平直，則：可看作是直流變壓器3-155.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路TIETRIoM2o可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo) 由于L為

7、無窮大，故負(fù)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(fù)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(fù)載消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI3-165.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 負(fù)載電流斷續(xù)的情況：負(fù)載電流斷續(xù)的情況： 當(dāng)V導(dǎo)通至t1時，i1=I20，起始值I10=0120(1)tME EIeR2201(56)onont tt tEiI eeRM且t=ton+tx時，i2=01011xxtttEEEeeeRRMM110

8、1ttEEiI eeRM則:3-175.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 負(fù)載電流斷續(xù)的情況：負(fù)載電流斷續(xù)的情況： memt)1 (1lnx（5-16）tx1，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（5-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（5-23）（5-22）3-215.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路電壓升高的原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即 ： 。 （5-24） 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。oo1

9、IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(5-25)電源電流的平均值I1為：REIEUI2oo11b(5-26)3-225.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路2) 升壓斬波電路典型應(yīng)用tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo圖5-3 用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時 c） 電流斷續(xù)時用于直流電動機(jī)傳動再生制動時把電能回饋給直流電源。電動機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。i3-235.1.2 升壓斬波電路升壓斬

10、波電路數(shù)量關(guān)系(1)V處于通態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i1，得下式 M11ddERitiL式中R為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得tteREeIi1M1011iRttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo3-24(2)當(dāng)V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i2，得下式： EERitiLM22dd設(shè)i2的初值為I20，解上式得：ontttteREEeIi1202Mon5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo2iR3-25當(dāng)電流連續(xù)時，從圖3-3b的電流波形可看出，t=ton時刻i1=I2

11、0，t=T時刻i2=I10，由此可得： onMontteREeII11020offtmoffteREEeII120105.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuotteREeIi1M101ontttteREEeIi1202Mon3-26REeemREeeREITtb1111offM10由以上兩式求得：REeeemREeeeREITTt1120onM5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路3-27與降壓斬波電路一樣，若L足夠大則電流平直得1020EIImRb該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即0oEUEEEImRRRbbMMEb該式

12、表明，以電動機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源看作是被降低到了 。 5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路3-28當(dāng)電樞電流斷續(xù)時的波形如圖5-3c所示。)1(101tMteREeIi電流斷續(xù)時：I10=0, t=ton 時， i1= I20)1 (20ontMeREI根據(jù)：ontttteREEeIi1202Mon有0(1)1onxtttxMEEEeeeRRM當(dāng)V截止tx時：i2=0tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI203-29）電流持續(xù)時間: mmett11lnonx）電流連續(xù)的條件:0REe1e1mI10即e1e1m5.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路3-305.1.2

13、升壓斬波電路升壓斬波電路如圖5-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時：當(dāng)t=0時刻i1=I10=0，令式（5-31）中I10=0即可求出I20，進(jìn)而可寫出 i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時，i2=0，可求得i2持續(xù)的時間tx，即圖5-3 用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形mmett11lnonxbeem11-電流斷續(xù)的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI203-31電樞電流斷續(xù)時:01() (1)(1)xonxmxUEtTtt ETtE mmT00mEUIRtOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI203-325.1.3升降壓斬波電路和升降

14、壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)3-335.1.3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a)otb)oti1i2tontoffILIL圖5-4 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(fù)載R供電。V斷時，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。3-345.1.3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

15、T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d（5-39）所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（5-41）V處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE（5-40）000()()onontTonontEdtU dtEtU Tt3-355.1.3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 結(jié)論當(dāng)0 1/2時為降壓，當(dāng)1/21時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。EEtTtEttU1ononoffono3-365.1.3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

16、i1和負(fù)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（5-42）由上式得：11onoff21IIttI（5-43） 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 （5-44）otb)oti1i2tontoffILIL3-375.1.3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

17、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(diǎn)之間交替切換。圖5-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路3-385.1.3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0d0Tit C（5-45）V處于通態(tài)的時間ton，電容電流為I2。V處于斷態(tài)的時間toff，電容電流為-I1 。ononTt212100t()0Tci dti dtidtI tI tonoff1onononoff12ttTttII（5-46）3-395.1.3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EEtTtEttU1ononoffono（5-48） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（與升

18、降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。0ACtUUUT onffBCtUUET o0CTUUt on0(ffontTUETto）3-40b) Zeta斬波電路5.1.4 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5-6 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電路結(jié)構(gòu)Speic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(fù)載負(fù)載回路及L2VD負(fù)載負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)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

19、入輸出關(guān)系：EEtTtEttU1ononoffono（5-49）3-415.1.4 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)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。輸入輸出關(guān)系：圖5-6 Sepic斬波電路和 Zeta斬波電路EU1o（5-50）相同的輸入輸出關(guān)系。Sepic電路的電源電流和負(fù)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3-425.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電

20、路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路3-435.2.1 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(jī)時，常要使電動機(jī)既可電動運(yùn)行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機(jī)工作于第2象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，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3-44ttb)uoioiV1iD1iV2iD25.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電

21、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(jī)為電動運(yùn)行，工作于第1象限。圖5.1V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。圖5.2必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。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)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)電樞回路總有電流流過。電路響應(yīng)很快。圖5-7 電流可逆斬波電路及波形3-455.2.2 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(jī)提供正向和反向電壓。圖5-8 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