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1、电力电子技术电力电子技术第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路电力电子技术电力电子技术v直流斩波电路（直流斩波电路（DC ChopperDC Chopper） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流也称为直接直流-直流变换器（直流变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter） 一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流交流直流直流 习惯上，习惯上，DCDCDCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况一种
2、情况 v直流斩波电路的种类直流斩波电路的种类6 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、电路、CukCuk斩波电路、斩波电路、SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路，其中前两种斩波电路，其中前两种是最基本的电路是最基本的电路复合斩波电路复合斩波电路不同基本斩波电路组合不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合相同结构基本斩波电路组合 电力电子技术电力电子技术3.1 3.1 基本斩波电路基本斩波电路降压斩波降压斩波升压斩波升压斩波电力电子技术电力电子技术3.1.
3、1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG工作原理工作原理t t=0=0时刻驱动时刻驱动V V导通，电源导通，电源E E向负载供向负载供电，负载电压电，负载电压u uo o= =E E，负载电流负载电流i io o按指按指数曲线上升数曲线上升t t= =t t1 1时刻控制时刻控制V V关断，负载电流经二极关断，负载电流经二极管管VDVD续流，负载电压续流，负载电压u uo o近似为零，负载电近似为零，负载电
4、流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感且脉动小通常使串接的电感L L值较大值较大电力电子技术电力电子技术tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG数量关系数量关系EETtEtttUonoffonono电流连续时，负载电压平均值电流连续时，负载电压平均值tonV通的时间 toffV断的时间 -导通占空占空比比 Uo最大为E ，减小占空比，Uo随之减小。因此称为降压降压斩波电路。REUIMoo-
5、负载电流平均值负载电流平均值电力电子技术电力电子技术斩波电路的调制方式斩波电路的调制方式保持开关周期保持开关周期T T不变，调节开关导通时间不变，调节开关导通时间t ton on ，称为，称为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）保持开关导通时间保持开关导通时间t tonon不变，改变开关周期不变，改变开关周期 T T ，称，称为频率调制为频率调制T T和和t tonon都可调，使占空比改变，称为混合型都可调，使占空比改变，称为混合型电力电子技术电力电子技术EERitiLM11ddV V通态期间，设负载电流为通态期间，设负载电流为i i1 1，可列出如下方程：可列出如下方程： 对电路的分析
6、对电路的分析设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为I I1010， = =L/RL/R，解上式得解上式得-tteREEeIi1101MtttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG电力电子技术电力电子技术tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG0ddM22ERitiLV V断态期间，设负载电流为断态期间，设
7、负载电流为i i2 2，可列出如下方程：可列出如下方程：-tteREeIi1202M设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为I I2020，解上式得：解上式得：)(2210tiI )(1120tiI当电流连续时，有：当电流连续时，有：电力电子技术电力电子技术/ TEEm/MTTtt11/REmeeREREeeITt-1111M/101REmeeREREeeITt-1111M/201即即V V进入通态时的电流初值就是进入通态时的电流初值就是V V在断态阶段结束时的电流值，在断态阶段结束时的电流值，反过来，反过来，V V进入断态时的电流初值就是进入断态时的电流初值就是V V在通态阶段结束时的电在通态阶
8、段结束时的电流值。流值。o2010IREmII-由由图图3-13-1b b可知，可知，I I1010和和I I2020分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。用泰勒级数近似有：用泰勒级数近似有：电力电子技术电力电子技术从能量传递关系出发进行的推导从能量传递关系出发进行的推导TIETRItEIoM2oonoREEIMo-由于由于L L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为I Io o不变不变, ,由能量守恒可得：由能量守恒可得：ooon1IITtIooo1IUEIEI在上述情况中，均假设在上述情况中，均假设L L值为无穷大，负载电流平直的情况。这
9、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种情况下，假设电源电流平均值为I I1 1，则有则有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。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。 电力电子技术电力电子技术-memt)1 (1lnx11-eemEmTttTEttTEtU-xonMxonono1)(REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1- 负载电流断续的情况： tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+
10、-MRLVDa)ioEMuoiG电流断续时，电流断续时，t tx x 11，输出电压高于电源电压，故称该电路为升输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路压斩波电路EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt二是电容二是电容C C可将输出电压保持住可将输出电压保持住v升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因一是一是L L储能之后具有使电压泵升的作用储能之后具有使电压泵升的作用电力电子技术电力电子技术数量分析数量分析oo1IUEI 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R R消
11、耗，即消耗，即该式表明，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。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。RERUI1oo输出电流的平均值输出电流的平均值I Io o为为REIEUI2oo11电源电流电源电流I I1 1为：为：电力电子技术电力电子技术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一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（二是用作单相功率因数校正（PFCPFC）电路电路三是用于其他交直流电源中三是用于其他交直流电源中电力电子技术电力电子技术EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20
12、I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo电力电子技术电力电子技术用于直流电动机传动时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实际电路中电感L L值不可能为无穷大，因此该电路和降值不可能为无穷大，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工作状态此时电机的反电动势相当于此时电机的反电动势相当于图图中的电源，而此时的直流中的电源，而此时的直流电源相当于图电源相当于图3-23-2中电路中的负载。由于直
13、流电源的电压中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。基本是恒定的，因此不必并联电容器。电力电子技术电力电子技术电路分析电路分析M11ddERitiL-tteREeIi1M101V处于通态时，设电动机电枢电流为处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式得下式EERitiL-M22dd-ttteREEeIi1M202on当当V处于断态时，设电动机电枢电流为处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式得下式电力电子技术电力电子技术-onon1M1020tteREeII-offofftmteREEeII12010当电流连续时，从当电流连续时，从图图3-33-3b b的电流波形
14、可看出，的电流波形可看出，t t= =t tonon时刻时刻i i1 1= =I I2020，t t= =t toffoff时刻时刻i i2 2= =I I1010，由此可得由此可得REeemREeeREITt-1111offM10REeeemREeeeREITTt-11onM20解上两式解上两式得：得：电力电子技术电力电子技术REmII-2010REEREmIo-M与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得该式表示了该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值为无穷大时电枢电流的平均值Io，即即E该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流
15、电源看作该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了是被降低到了 。电力电子技术电力电子技术mmett-11lnonx当电枢电流断续时的波形当电枢电流断续时的波形如图如图3-3c所示。所示。可求得可求得i2持续的时间持续的时间tx，-eem11当当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断是电流断续的条件，即续的条件，即根据此式可对电路的工作状态作出判断。根据此式可对电路的工作状态作出判断。 电力电子技术电力电子技术3.1.3 3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路VDotb)ERLa)CVoti1
16、i2uLuoILi1i2tontoffILIL1、升降压斩波电路、升降压斩波电路基本工作原理基本工作原理V V通时，电源通时，电源E E经经V V向向L L供电使其贮能，此时供电使其贮能，此时电流为电流为i i1 1。同时，同时，C C维持输出电压恒定并向维持输出电压恒定并向负载负载R R供电。供电。V V断时，断时，L L的能量向负载释放，电流为的能量向负载释放，电流为i i2 2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性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相反，该电路也称作反极性斩波电路电力电子技术电力电子技术Ttu0L0doffoontUtEEEtTtEt
17、tU-1ononoffono数量分析数量分析稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即当当V处于通态期间，处于通态期间，uL = E；而当而当V处于断态期间，处于断态期间，uL = - uo。于是：于是：所以输出电压为：所以输出电压为：改变导通比改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。压斩波电路。电力电子技术电力电子技术VDotb)ERLa)
18、CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILoffon21ttII图图3-43-4b b中给出了电源电流中给出了电源电流i i1 1和负载和负载电流电流i i2 2的波形，设两者的平均值分的波形，设两者的平均值分别为别为I I1 1和和I I2 2，当电流脉动足够小时，当电流脉动足够小时，有有11onoff21IIttI-如果如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则为没有损耗的理想开关时，则2o1IUEI 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器电力电子技术电力电子技术V V通时，通时，E EL L1 1V V回路和回路和R RL L2
19、2C CV V回路分别流过电回路分别流过电流流V V断时，断时，E EL L1 1C CVDVD回路和回路和R RL L2 2VDVD回路分别流过回路分别流过电流电流输出电压的极性与电源电压极性相反输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图等效电路如图3-53-5b b所示，相当于开关所示，相当于开关S S在在A A、B B两点之两点之间交替切换间交替切换ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo2. 2. CukCuk斩波电路斩波电路电力电子技术电力电子技术Tti0C0d稳态时电容稳态时电容C C的电流在一周期内的平均值应为零，也的电流在一周期内的平均值应
20、为零，也就是其对时间的积分为零，即就是其对时间的积分为零，即电路分析电路分析off1on2tItI-1onononoff12ttTttII在图在图3-53-5b b的等效电路中，开关的等效电路中，开关S S合向合向B B点时间即点时间即V V处于通处于通态的时间态的时间t tonon，则电容电流和时间的乘积为则电容电流和时间的乘积为I I2 2t tonon。开关开关S S合合向向A A点的时间为点的时间为V V处于断态的时间处于断态的时间t toffoff，则电容电流和时间则电容电流和时间的乘积为的乘积为I I1 1 t toffoff。电力电子技术电力电子技术CUTtUono当开关当开关S
21、 S合到合到B B点时点时uB=0uA= - uC输出电压输出电压U Uo o与输入电压与输入电压E E的关系的关系当当S S合到合到A A点时，点时，u uB B= = u uC C，u uA A=0=0。CBUTtUoffB B点电压点电压u uB B的平均值为的平均值为CBUTtUEoff因电感因电感L L1 1的电压平均值为零的电压平均值为零CAUTtUon-A A点的电压平均值为点的电压平均值为L L2 2的电压平均值为零，按的电压平均值为零，按图图3-53-5b b中输出电压中输出电压U Uo o的极性，有的极性，有电力电子技术电力电子技术EEtTtEttU-1ononoffono
22、输出电压输出电压U Uo o与电源电压与电源电压E E的关系：的关系：这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流优点（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。于对输入、输出进行滤波。电力电子技术电力电子技术3.1.4 3.1.4 SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路斩波电路 SepicSepic斩波电路的基本工作原理是：当斩波电路的基本工作原理是：当V V处于通态时，处于通
23、态时，E EL L1 1V V回路和回路和C C1 1V VL L2 2回路同时导电，回路同时导电，L L1 1和和L L2 2贮能。贮能。V V处于断态时，处于断态时，E EL L1 1C C1 1VDVD负载（负载（C C2 2和和R R）回路及回路及L L2 2VDVD负载回路同时导电，此阶段负载回路同时导电，此阶段E E和和L L1 1既向负载供电，同既向负载供电，同时也向时也向C C1 1充电，充电，C C1 1贮存的能量在贮存的能量在V V处于通态时向处于通态时向L L2 2转移。转移。RVDEVb)RVDEa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2EEtTt
24、EttU-1ononoffono输入输出关系为：输入输出关系为：电力电子技术电力电子技术ZetaZeta斩波电路也称双斩波电路也称双SepicSepic斩波电路，其基本工作原理斩波电路，其基本工作原理是：在是：在V V处于通态期间，电源处于通态期间，电源E E经开关经开关V V向电感向电感L L1 1贮能。待贮能。待V V关断后，关断后，L L1 1经经VDVD与与C C1 1构成振荡回路，其贮存的能量转移构成振荡回路，其贮存的能量转移至至C C1 1，至振荡回路电流过零，至振荡回路电流过零，L L1 1上的能量全部转移至上的能量全部转移至C C1 1上之后，上之后，VDVD关断，关断，C C
25、1 1经经L L2 2向负载供电。向负载供电。RVDEVb)RVDEa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2EU-1o输入输出关系为：输入输出关系为：电力电子技术电力电子技术两种电路相比，具有相同的输入输出关系。两种电路相比，具有相同的输入输出关系。SepicSepic电路电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，滤波，反之，ZetaZeta电路的输入、输出电流均是断续的。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，这里的两种另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电
26、压为正极性的，且输入输出关系相同。电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。 电力电子技术电力电子技术图3-1 降压斩波电路的原理图及波形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)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM电力电子技术电力电子技术图3-2 升压斩波电路及其工作波形EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt电路图波形返回返回电力电子技术电力电子技术图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形EMttTE
27、iOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo电路图电流连续时电流断续时返回返回电力电子技术电力电子技术图3-4 升降压斩波电路及其波形VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL电路图波形返回返回电力电子技术电力电子技术图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路返回返回ERVDa) 电路图CVRb) 等效电路CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo电力电子技术电力电子技术图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路返回返回RVDEVb) Zeta斩波电路R
28、VDEa) Sepic斩波电路Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2电力电子技术电力电子技术图3-7 电流可逆斩波电路及其波形返回返回ttOOELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MRa) 电路图b) 波形电力电子技术电力电子技术图3-8 桥式可逆斩波电路ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M返回返回电力电子技术电力电子技术图3-9 多相多重斩波电路及其波形返回返回CLEMa) 电 路 图V1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1tOtttttttOOOOOOOb) 波 形u1u2u3uoi1i2i3io