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1、第第3章章 直流斩波电路直流斩波电路(2)1第1页，本讲稿共35页第第3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。电路种类6种基本斩波电路：降降压压斩斩波波电电路路、升升压压斩斩波波电电路路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。第2页，本讲稿共35页直流斩波电路的应用直流斩波电路的应用相控电路用于
2、直流调速的缺点（1）功率因数低，电网质量下降（2）输出滤波电感大（3）系统快速性差 采用斩波电路后，能够克服上述缺点。开关电源 传统的线性电源效率低、体积大和可靠性差。3第3页，本讲稿共35页3.1 基本斩波电路基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 第4页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，
3、也可带蓄电池负载。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)5第5页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图3-1 降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使
4、负载电流连续且脉动小。动画演示。6第6页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路数量关系数量关系电流连续负载电压平均值：（3-1）（3-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 a-导通占空比导通占空比 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：第7页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用最多第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。
5、分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续第8页，本讲稿共35页l 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析V为通态期间通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：（3-3）设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得（3-4）3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图第9页，本讲稿共35页V为断态期间断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：（3-5）设此阶段电
6、流初值为I20，解上式得：（3-6）由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出：；此时,（3-7）（3-8）3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路第10页，本讲稿共35页用泰勒级数近似上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路（3-11）（3-10）（3-9）第11页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为输出功率等于输入功
7、率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。第12页，本讲稿共35页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况：I10=0，且t=ton+tx,i2=0式（3-7）式（3-6）（3-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 （3-23）（3-22）第16页，本讲稿共35页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负
8、载R消耗，即：。（3-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：(3-25)电源电流的平均值Io为：(3-26)第17页，本讲稿共35页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路2)升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动
9、机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。第18页，本讲稿共35页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：(3-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（3-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。第19页，本讲稿共35页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出
10、 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形-电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20第20页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构第21页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电源E
11、经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。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。动态演示。第22页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即（3-39）所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（3-40）第23页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值
12、分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：（3-42）由上式得：（3-43）结论当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。（3-44）otb)oti1i2tontoffILIL两边同乘E第24页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图3-5 Cuk斩波
13、电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路第25页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路数量关系（3-45）V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：（3-46）（3-46）当电容C具够大时，电容电压uc脉动足够小，这样有：V开通时，uB=0,uA=-uc;V关断时，uB=uc,uA=0;一周期内，电感L1、L2上电压平均值为0。UB=E，UA=U0；第26页，本讲稿共35页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路又一个周期内：优点优点（
14、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，有利于对输入、输出进行滤波。（3-48）从而有：第27页，本讲稿共35页3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路第28页，本讲稿共35页3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电
15、动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路第29页，本讲稿共35页3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路电路结构a)电路图V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。工作过程（三种工作方式)第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一
16、种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。图3-7 电流可逆斩波电路及波形第30页，本讲稿共35页3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。图3-8 桥式可逆斩波电路 使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。第31页，本讲稿共35页3.2.3 多相多重
17、斩波电路多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数第32页，本讲稿共35页3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降压斩波电路电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。图3-9 3相3
18、重斩波电路及其波形第33页，本讲稿共35页3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相相1重斩波电路重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相相3重斩波电路重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。第34页，本讲稿共35页 本章本章小结小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重重点点是，理解降降压压斩斩波波电电路路和升升压压斩斩波波电电路路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开开关关电电源源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。第35页，本讲稿共35页