第三章+直流斬波

第三章直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）也稱(chēng)為直接直流--直流變換器（DC/DCConverter）。用開(kāi)關(guān)變換技術(shù)構(gòu)成的DC—DC變換器常常被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)變換器或開(kāi)關(guān)電源。一般直流斬波是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流。是一種把恒定直流電壓變換成負(fù)載所需的直流電壓(固定或可調(diào))的變流電路。其通過(guò)對(duì)電力電子器件周期性地快速通斷,把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率可實(shí)現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。因?yàn)閺墓ぷ鞑ㄐ慰矗喈?dāng)于是一個(gè)將恒定電流進(jìn)行斬切輸出的過(guò)程，所以稱(chēng)斬波器。其具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)。作為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的有效手段，在運(yùn)輸車(chē)輛上得到了廣泛應(yīng)用，如直流電網(wǎng)供電的城市無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)、高速電動(dòng)機(jī)組以及由蓄電池供電的搬運(yùn)車(chē)、叉車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等，使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)能的效果。半控性的器件只能通過(guò)一些強(qiáng)迫換流措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，造成線路復(fù)雜化和成本的提高，因此，直流斬波器多以全控型的器件作為開(kāi)關(guān)器件。

當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)由不可調(diào)的直流電源供電時(shí)，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)改變串在電路中的電阻值來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的端壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是在電阻上將消耗大量的功率，特別是電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電源供出的功率大部分消耗在電阻上，顯然用改變電阻值的方法調(diào)速是很不經(jīng)濟(jì)的。采用直流斬波器后,可方便實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、平穩(wěn)運(yùn)行，比變阻器方式節(jié)電20%-30%，節(jié)能效果巨大。另外，在AC-DC中，還可采用不控整流加直流斬波調(diào)壓來(lái)替代晶閘管相控整流，來(lái)提高變流裝置的輸入功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)電流諧波和提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。如果DC—DC開(kāi)關(guān)變換電路的輸入電壓是一個(gè)平直的直流電壓，在開(kāi)關(guān)接通的占空比為常數(shù)的情況下，輸出電壓除了直流分量外，僅包括開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)次的諧波。在應(yīng)用中，必須將這些諧波用無(wú)源濾波器濾除。因?yàn)橹C波頻率越高，濾波越簡(jiǎn)單，無(wú)源濾波器越小，因此，在DC—DC開(kāi)關(guān)變換電路中，開(kāi)關(guān)頻率往往較高。如果DC—DC開(kāi)關(guān)變換電路的輸入電壓不是一個(gè)平直的直流電壓，例如，可以是工頻整流后的直流電壓（包含100Hz或300Hz的諧波），在開(kāi)關(guān)接通的占空比為常數(shù)的情況下，輸出電壓除了直流分量和開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)次的諧波外，還包括100Hz或300Hz的諧波。因?yàn)檫@些諧波頻率較低，很難用無(wú)源濾波器濾除。在應(yīng)用中，可用脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）的方法將這些諧波濾除。DC-DC變換的基本控制方式時(shí)間比控制是DC-DC變換中采用最多的控制方式，斬波器的輸出電壓是斬波器導(dǎo)通時(shí)間和斬波周期的函數(shù)，無(wú)論改變導(dǎo)通時(shí)間還是斬波周期都可改變輸出電壓。有三種控制方式，如下：1）脈寬調(diào)制（PWM）開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton。由于斬波器開(kāi)關(guān)頻率固定，為消除開(kāi)關(guān)頻率諧波的濾波器設(shè)計(jì)提供了方便。2）頻率調(diào)制（PFM）開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)周期T。由于斬波器開(kāi)關(guān)頻率變化，濾波困難。3）混合型ton和T都可調(diào)，改變占空比?？奢^大幅度改變輸出電壓平均值但濾波困難。瞬時(shí)值控制在恒值控制中，常采用瞬時(shí)值的斬波方式。先將期望值作為參考值，規(guī)定一個(gè)控制誤差，當(dāng)斬波器實(shí)際輸出瞬時(shí)值達(dá)指令值上限，關(guān)斷斬波器；當(dāng)達(dá)指令值下限時(shí)，導(dǎo)通斬波器，從而獲得圍繞參考值在誤差帶的斬波輸出。此控制方式功率器件的開(kāi)關(guān)頻率較高，此時(shí)要注意功率器件的開(kāi)關(guān)損耗和最大開(kāi)關(guān)頻率的限制。平均值控制用檢測(cè)出的電流平均值與給定值比較，用其差值控制斬波器的通斷。該種方式響應(yīng)速度稍差，但工作頻率是穩(wěn)定的，一般都采用此方式。直流斬波電路的種類(lèi)在直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，直流變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。最常用的無(wú)變壓器隔離的DC—DC斬波電路是三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；單象限直流斬波器和二象限直流斬波器電源只能從電源傳送給負(fù)載的（單象限直流斬波器）復(fù)合斬波電路——不同基本斬波電路組合；多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路的組合，可以工作在兩個(gè)或四個(gè)象限。需要輸入輸出間的電隔離，也有多種形式的變壓器隔離的DC—DC斬波電路正激式變換電路。反激式變換電路。推挽式變換電路橋式變換電路（橋式電路本質(zhì)上是一種DC—AC—DC變換電路)降壓斬波電路

Buck(stepdown)chopper斬波器的輸出電壓平均值小于輸入電壓,主要用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，直流電機(jī)速度控制，以及需要直流降壓變換的環(huán)節(jié)。在拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和帶蓄電池負(fù)載時(shí)，負(fù)載會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。負(fù)載電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍為0到額定轉(zhuǎn)速，因此一般情況下電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)均采用降壓斬波器。根據(jù)功率器件和L的數(shù)值，電感電流可能連續(xù)或斷續(xù)，影響變換器的輸出特性，要分別進(jìn)行討論。電感電流連續(xù)是指電路中電感的電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都存在；電感電流斷流是指在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的toff期間后期內(nèi)電感的電流已降為零。降壓斬波電路的工作原理電路由一個(gè)全控型器件和續(xù)流二極管構(gòu)成t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)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(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)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。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L值較大a）電路圖；b）輸出電流連續(xù)時(shí)的波形；c）輸出電流斷續(xù)時(shí)的波形基本數(shù)量關(guān)系負(fù)載中L值較大時(shí)，電流為連續(xù)狀態(tài)，負(fù)載電壓平均值為

ton——V通的時(shí)間toff——V斷的時(shí)間α--導(dǎo)通占空比Uo最大為E，減小占空比α，Uo隨之減小。因此稱(chēng)為降壓斬波電路。負(fù)載電流平均值：負(fù)載中L值較小時(shí)，V關(guān)斷后，到t2，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)狀態(tài)，負(fù)載電壓平均值，會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)?；凇胺侄尉€性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析V通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1，可列出如下方程設(shè)此階段電流初值為I10，解上式得：

電流連續(xù)時(shí)電路的工作情況

V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程：設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得：

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，有：即V進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流初值就是V在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值，反過(guò)來(lái)，V進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是V在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值。由上述式子得出

式中: ；I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。上兩式用泰勒級(jí)數(shù)近似（即ρ趨于零，即L趨于無(wú)窮大，e－ρ用等價(jià)無(wú)窮小代替），可得上式表示了平波電抗器L為無(wú)窮大，負(fù)載電流完全平直時(shí)的負(fù)載電流平均值Io，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo)（可以得到和前面一樣的結(jié)果）：由于L為無(wú)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(shí)提供能量，為；在整個(gè)周期T中，負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為；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，

從能量傳遞關(guān)系推導(dǎo)在上述情況中，均假設(shè)L值為無(wú)窮大，負(fù)載電流平直的情況。這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為I1，則有其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得:EI1=U0I0即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。

I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx為：電流斷續(xù)時(shí)，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為：（=L/R）對(duì)于電路的具體工況，可據(jù)此式判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。

電流斷續(xù)時(shí)的工作情況在負(fù)載電流斷續(xù)工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管VD即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓等于EM。輸出電壓平均值為：

此時(shí)Uo不僅和占空比α有關(guān)，也和反電動(dòng)勢(shì)EM有關(guān)。此時(shí)負(fù)載電流平均值為：

升壓斬波電路

Boost(stepup)chopper斬波器的輸出電壓平均值大于輸入電壓,主要用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)，單相功率因數(shù)校正（PFC）電路及其他交直流電源中。根據(jù)功率器件和儲(chǔ)能電感L和濾波電容的數(shù)值，電感電流或負(fù)載電流可能連續(xù)或斷續(xù)，影響變換器的輸出特性，要分別進(jìn)行討論。升壓斬波電路工作原理假設(shè)L值很大，C值也很大；V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故稱(chēng)該電路為升壓斬波電路升壓斬波電路電路和波形圖T/toff——升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo大小，調(diào)節(jié)方法與3.1.1節(jié)中介紹的改變導(dǎo)通比α的方法類(lèi)似。將升壓比的倒數(shù)記作β，即

β和導(dǎo)通占空比α有如下關(guān)系：因此，上式可表示為

升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用；二是電容C可將輸出電壓保持。以上分析中，認(rèn)為V通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際C值不可能無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低；如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即 （3-24）該式表明，與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（3-23）得出輸出電流的平均值Io為 （3-25)由式（3-24）即可得出電源電流I1為：

（3-26）用于直流電動(dòng)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(shí)c）電流斷續(xù)時(shí)升壓斬波電路的典型應(yīng)用用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)時(shí)通常是用于直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源；實(shí)際電路中電感L值不可能為無(wú)窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)；此時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于圖3-2電路中的電源，而此時(shí)的直流電源相當(dāng)于圖3-2中電路中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器。V處于通態(tài)時(shí)設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式 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

V處于斷態(tài)時(shí)設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式：

設(shè)i2的初值為I20，解上式得：

電路分析從圖3-3b的電流波形可看出，t=ton時(shí)刻i1=I20，t=toff時(shí)刻i2=I10，由此可得：（3-31）（3-32）由以上兩式求得：（3-33） （3-34）當(dāng)電流連續(xù)時(shí)與降壓斬波電路一樣，把上面兩式用泰勒級(jí)數(shù)線性近似，得（3-35）該式表示了L為無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即（3-36）該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源被降低到了βE。波形如圖3-3c所示。當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進(jìn)而可寫(xiě)出i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即（3-37）當(dāng)tx<t0ff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx<t0ff是電流斷續(xù)的條件，即（3-38）根據(jù)此式可對(duì)電路的工作狀態(tài)作出判斷。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)升降壓斬波電路Boost-buck

(stepup&down)chopper

和Cuk斬波電路升降壓斬波電路設(shè)L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負(fù)載電壓uo基本為恒值?；竟ぷ髟鞻通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，同時(shí)向C充電，電流為i2。也稱(chēng)反極性斬波電路，負(fù)載電壓電源電壓極性相反，圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即：當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是：（3-40） 所以輸出電壓為：（3-41）改變導(dǎo)通比α，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<α<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<α<1時(shí)為升壓，因此將該電路稱(chēng)作升降壓斬波電路。圖3-4b中給出了電源電流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(dòng)足夠小時(shí)，有:由上式可得：如果V、VD為沒(méi)有損耗的理想開(kāi)關(guān)時(shí)，則

其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。

以發(fā)明者Cuk命名，又稱(chēng)最佳拓?fù)鋽夭娐?。這種電路的特點(diǎn)是，輸出電壓極性與輸入電壓相反，出入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對(duì)外部濾波器的要求。通過(guò)控制晶體管VT導(dǎo)通時(shí)間的占空比，可以在0-∞之間控制輸出電壓。CUK電路可以看作是BUCK電路和BOOST電路的組合，圖中左點(diǎn)劃線框是一個(gè)BUCK電路，右點(diǎn)劃線框是一個(gè)BOOST電路。CUK電路保持了BUCK電路輸出電流連續(xù)和BOOST電路輸入電流連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。與BUCK-BOOST電路相比，CUK電路的輸入和輸出電流連續(xù)，具有輸出電壓脈動(dòng)小和對(duì)輸入電源影響小的優(yōu)點(diǎn)。Cuk斬波電路實(shí)質(zhì)上是由升壓和降壓電路組合而成。V通時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過(guò)電流V斷時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過(guò)電流輸出電壓的極性與電源電壓極性相反等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即（3-45）在圖3-5b的等效電路中，開(kāi)關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開(kāi)關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1toff。由此可得（3-46）從而可得 （3-47）當(dāng)電容C很大使電容電壓uC的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出。當(dāng)開(kāi)關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓uB=0，A點(diǎn)電壓uA=-uC；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，uB=uC，uA=0。因此，B點(diǎn)電壓uB的平均值為 （UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以 。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為 ，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有 得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：（3-48）這一輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時(shí)的情況相同。優(yōu)點(diǎn)輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)，且脈動(dòng)很小有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。圖3-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路復(fù)合斬波電路（電流可逆斬波電路）

斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。降壓斬波電路拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如圖3-1所示，電動(dòng)機(jī)工作于第1象限；圖3-3所示升壓斬波電路中，電動(dòng)機(jī)工作于第2象限；電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)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。V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗闺妱?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。圖3-7電流可逆斬波電路及其波形

a）電路圖b）波形必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路；只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)，V2和VD2總處于斷態(tài)；只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則V1和VD1總處于斷態(tài)；第3種工作方式：一個(gè)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)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時(shí)，則會(huì)使另一個(gè)斬波電路工作，電流反方向流過(guò)。這對(duì)應(yīng)就是第3種工作方式。這時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以調(diào)速的響應(yīng)很快。電流可逆斬波電路中電樞電流可逆，兩象限運(yùn)行，但電壓極性是單向的，即電機(jī)轉(zhuǎn)向固定。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場(chǎng)合，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組