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1、第六章第六章 直流斩波变换电路直流斩波变换电路 直直流流斩斩波波电电路路：将将一一个个固固定定的的直直流流电电压压变变换换成成大大小小可可变变的的直直流电压的电路。也称之为直流变换电路。流电压的电路。也称之为直流变换电路。直直流流斩斩波波技技术术的的应应用用：被被广广泛泛应应用用于于开开关关电电源源及及直直流流电电动动机机驱驱动动中中，如如不不间间断断电电源源(UPS)(UPS)、无无轨轨电电车车、地地铁铁列列车车、蓄蓄电电池池供供电电的的机机动动车车辆辆的的无无级级变变速速及及电电动动汽汽车车的的控控制制。从从而而使使上上述述控控制制获获得得加加速速平平稳稳、快快速速响响应应的的性性能能，并
2、并同同时时收收到到节节约约电电能的效果。能的效果。直流变换系统的结构如图直流变换系统的结构如图6-16-1所示所示:图图图图6-1 6-1 直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图第一节第一节 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路一、基本斩波器的工作原理一、基本斩波器的工作原理一、基本斩波器的工作原理一、基本斩波器的工作原理 降降降降压压压压式式式式斩斩斩斩波波波波电电电电路路路路的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压平平平平均均均均值低于输入直流电压值低于输入直流电压值低于输入直流电压值低于输入直流电压U U U Ud d d d 。最最最最基基基基
3、本本本本的的的的降降降降压压压压式式式式斩斩斩斩波波波波电电电电路路路路如如如如图图图图6-26-26-26-2所所所所示示示示：Q Q Q Q为为为为斩斩斩斩波波波波开开开开关关关关，是是是是斩斩斩斩波波波波电电电电路路路路中中中中的的的的关关关关键键键键功功功功率率率率器器器器件件件件，它它它它可可可可用用用用普普普普通通通通型型型型晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管、可可可可关关关关断断断断晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管GTOGTOGTOGTO或或或或者者者者其它自关断器件来实现。其它自关断器件来实现。其它自关断器件来实现。其它自关断器件来实现。T=Ton+ToffQ Q Q Q交替通断，在负载上就可得
4、到方交替通断，在负载上就可得到方交替通断，在负载上就可得到方交替通断，在负载上就可得到方波电压。波电压。波电压。波电压。斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T T T T不变，变不变，变不变，变不变，变t t t ton on on on 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWMPWMPWM）t t t tonononon不变，变不变，变不变，变不变，变T T T T 频率调制频率调制频率调制频率调制t t t tonononon和和和和T T T T都可调，改变占空比都可调，改变占空比都可调，改变占空比都可调，改变占空比
5、混合型混合型混合型混合型若定义斩波器的占空比若定义斩波器的占空比若定义斩波器的占空比若定义斩波器的占空比k=tk=tk=tk=tonononon/T,/T,/T,/T,则由波形图则由波形图则由波形图则由波形图上可获得输出电压平均值为上可获得输出电压平均值为上可获得输出电压平均值为上可获得输出电压平均值为 由上式可知，当占空比由上式可知，当占空比由上式可知，当占空比由上式可知，当占空比k k k k从从从从0 0 0 0变到时，输出变到时，输出变到时，输出变到时，输出电压平均值从电压平均值从电压平均值从电压平均值从0 0 0 0变到变到变到变到U U U Ud d d d。占空比。占空比。占空比
6、。占空比k k k k的改变可以通的改变可以通的改变可以通的改变可以通过改变过改变过改变过改变t t t tonononon或或或或T T T T来实现。来实现。来实现。来实现。6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路n实际应用中负载多为电感性，多采用如图6-3所示电路。n稳态分析表明，若输出端上的电容C很大，则输出电压可近似为常数uo(t)UO。由于稳态时电容器的平均电流为零，因而电感中的平均电流等于输出平均电流。根据电感中的电流连续与否，以下分别对电流连续和电流不连续（断续）的两种工作模式进行讨论。6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路图图6-3 带感性负载的斩波电路带感性负载的
7、斩波电路 n nV V V V导通导通导通导通 V V V V关断关断关断关断 一一一一周期内周期内周期内周期内6.1 6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路二、电流连续的导通工作模式二、电流连续的导通工作模式二、电流连续的导通工作模式二、电流连续的导通工作模式图图6-4 降压式斩波器的电路工作状态降压式斩波器的电路工作状态 n n在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效于在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空比比k k在到的范围内连续控制。在到的范围内连续控制。n n电路
8、参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电流由连续变为不连续。如图电流由连续变为不连续。如图6-5a6-5a所示为电流临界连续所示为电流临界连续状态时的状态时的u uL L和和i iL L波形。波形。6.1 6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路图图图图6-5 6-5 临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形 电流临界连续时电流临界连续时电流临界连续时电流临界连续时ni0minn平均电感电流平均电感电流在给定在给定在给定在给定T T、U UOO、L L和和和和k k等参
9、数的条件下，如果平均输等参数的条件下，如果平均输等参数的条件下，如果平均输等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于由上式给出的出电流或平均电感电流小于由上式给出的出电流或平均电感电流小于由上式给出的出电流或平均电感电流小于由上式给出的I ILBLB值，那值，那值，那值，那么么么么i iL L将不再连续。将不再连续。将不再连续。将不再连续。平均负载电流6.1 6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路n n电流不连续导通的工作模式分为输入电压电流不连续导通的工作模式分为输入电压UUd d不变和输出不变和输出电压电压UUOO不变两种情况，这里主要介绍不变两种情况，这里主要介绍UUd d
10、不变的非连续导不变的非连续导通模式。通模式。三、电流不连续导通时的工作模式三、电流不连续导通时的工作模式三、电流不连续导通时的工作模式三、电流不连续导通时的工作模式图图6-66-6U Ud d不变时非连续的电压、电流波形不变时非连续的电压、电流波形 n nUUd d不变的非连续导通模式常不变的非连续导通模式常用于直流电机的速度控制。用于直流电机的速度控制。输入电压输入电压UUd d保持不变，输出保持不变，输出电压电压UUOO可通过调整斩波器的可通过调整斩波器的占空比占空比k k进行控制。进行控制。n n由于由于UUOO=kUkUd d，在，在i iL L=0=0 的特的特定情况下，电感电流的表
11、达定情况下，电感电流的表达式可改写为式可改写为 6.1 6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路n n假定假定UUd d和所有参数不变，对于连续导通模式来说在和所有参数不变，对于连续导通模式来说在k k=0.5=0.5时输出的电流最大，其值为时输出的电流最大，其值为 因此：因此：6.1 降压式斩波变换电路降压式斩波变换电路n n在给定了在给定了T T、L L、UUd d和和k k值以后并假定这些参数均不变化，值以后并假定这些参数均不变化，这时若负载电流减小，即负载电阻值增加，那么平均电这时若负载电流减小，即负载电阻值增加，那么平均电感电流将随之而减小。当感电流将随之而减小。当I I L L
12、I IOBOB时，电感电流的波形如时，电感电流的波形如图图6-66-6所示，图中表明电感所示，图中表明电感L L贮能较小，不足以维持在全贮能较小，不足以维持在全部关断时间部关断时间t toffoff内导通，因此出现电感电流不连续的现象。内导通，因此出现电感电流不连续的现象。n n电流不连续导通工作模式的另一种情况是电流不连续导通工作模式的另一种情况是UUd d可能变动而可能变动而保持输出电压保持输出电压UUo o不变。它在直流可调电源中得到广泛应不变。它在直流可调电源中得到广泛应用，输出电压用，输出电压 UUo o可通过调整占空比可通过调整占空比k k使其维持不变。使其维持不变。四、输出电压纹
13、波四、输出电压纹波四、输出电压纹波四、输出电压纹波 n n斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含有斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含有脉动成分，如图脉动成分，如图6-86-8波形所示。在连续导通工作模式中，波形所示。在连续导通工作模式中，假定假定i iL L中的谐波分量通过电容器短路，其直流分量流过负中的谐波分量通过电容器短路，其直流分量流过负载电阻。图中阴影部分表示由电容载电阻。图中阴影部分表示由电容C C存贮并释放的电荷存贮并释放的电荷 QQ。n n纹波电压的峰峰值纹波电压的峰峰值 UUOO：n n其纹波电压相对值：其纹波电压相对值：6.1 6.1 降压式斩波变换电
14、路降压式斩波变换电路式中式中f fs s-开关频率，开关频率，；f fCC为为L L、C C低通滤波器的固有频率低通滤波器的固有频率 。第二节第二节 升压式斩波电路升压式斩波电路一、一、一、一、原理图：原理图：原理图：原理图：保持输出电保持输出电压压储存电能储存电能该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定滤波电容很大，并使输出电压保持不变，即滤波电容很大，并使输出电压保持不变，即u uo(to(t)=UUo o。图图6-7 6-7 升压式斩波电路升压式斩波电路二、电流连续导通时的工作模式二、电流连续导通时的工作模式二、电流连续导通时的
15、工作模式二、电流连续导通时的工作模式nV导通：电感储能，负载由电容C供电。nV关断：电感释放能量，与Ud一起作用向负载供电。n电感电压在一个周期内的平均值为06.2 升压式斩波电路升压式斩波电路图图6-8 6-8 升压式斩波电路及波形升压式斩波电路及波形n临界连续导通时，电感中的电压和电流波形如图6-9a所示。该工作模式下,iL在关断结束时刚好变为零。此时流过电感中的电流平均值为 n在升压式斩波电路中，电路结构决定了电感电流和输入电流是一样的，即id=iL。可求得输出电流的平均值：6.2 6.2 升压式斩波电路升压式斩波电路图图图图6-9 6-9 6-9 6-9 升压式斩波电路临界连续导通时的
16、电压和电流波形升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形 n n在升压式斩波电路的大多数应用中都需要在升压式斩波电路的大多数应用中都需要UUo o保持不变。保持不变。只要占空比可以调整，就允许输入电压变动。只要占空比可以调整，就允许输入电压变动。n nI Io o、I ILBLB 与占空比与占空比k k的函数关系如图的函数关系如图6-96-9所示。由图可知，所示。由图可知，I ILBLB在在k k=0.5=0.5时出现最大值时出现最大值I ILBmaxLBmax ，而，而I IOO在在k k1/31/3时
17、出时出现其最大值现其最大值I Iomaoma 6.2 6.2 升压式斩波电路升压式斩波电路n nI ILBLB和和I Io o可用它们的最大值表示：可用它们的最大值表示：n n如果负载电流平均值降到低于如果负载电流平均值降到低于I Io o，那么电流将由连续导，那么电流将由连续导通变为不连续导通的工作模式。通变为不连续导通的工作模式。三、电流不连续导通的工作模式三、电流不连续导通的工作模式三、电流不连续导通的工作模式三、电流不连续导通的工作模式 n n在在UUd d和和k k保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的，保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的，升压式变换电路从电流连续导通模式向不
18、连续导通模式升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式变化，波形如图变化，波形如图6-106-10所示。图所示。图6-10a6-10a为连续导通时电感为连续导通时电感中的电压与电流波形；图中的电压与电流波形；图6-10b6-10b为电流不连续导通时电感为电流不连续导通时电感中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值i iLmLm是一样是一样的，但是非连续导通模式的输出功率将减小。的，但是非连续导通模式的输出功率将减小。6.2 升压式斩波电路图图图图6-10 6-10 升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形 6.2 升压式斩波电路升压式斩波电路