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1、第三章 直流斩波电路本讲稿第一页，共三十五页本章的学习内容学点什么哪学点什么哪?1六种基本斩波电路：降压斩波电路、六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路升压斩波电路、升降压斩波电路Cuk斩波电路、斩波电路、Sepic斩波电路、斩波电路、Zeta斩斩波电路波电路2二种复合斩波电路：电流可逆斩波二种复合斩波电路：电流可逆斩波电路及桥式可逆斩波电路及桥式可逆斩波3多相多重斩波电路多相多重斩波电路本讲稿第二页，共三十五页本章的学习重点本章的学习重点1重点掌握降压斩波电路、升压重点掌握降压斩波电路、升压斩波电路的工作原理，掌握这斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电两
2、种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点路解析方法、工作特点3 了解了解Sepic斩波电路、斩波电路、Zeta斩波电路的工作原理斩波电路的工作原理4 理解复合斩波电路、多相多重斩波电路的工作原理解复合斩波电路、多相多重斩波电路的工作原理理2掌握升降压斩波电路掌握升降压斩波电路Cuk斩波电路的工作原斩波电路的工作原 理、输入理、输入输出关系输出关系本讲稿第三页，共三十五页第3章 直流斩波电路 3.1 基本斩波电路基本斩波电路 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 本章小结本章小结本讲稿第四页，共三十五
3、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（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。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为也称为直流直流-直流直流变换器（变换器（DC/DC Converter）。）。一一般般指指直直接接将将直直流流电电变变为为另另一一直直流流电电，不不包包括括直直流流交交流流直流。直流。电路种类电路种类6种种基基本本斩斩波波电电路路：降降压压斩斩波波电电路路、升升压压斩斩波波电电路路、升升降降压压斩斩波波电电路路、Cuk斩斩波波电电路路、Sepic斩斩波波电电路路和和Zeta斩斩波波电电路。路。复合斩波电路复
4、合斩波电路不同结构不同结构基本斩波电路组合。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相同结构基本斩波电路组合基本斩波电路组合。本讲稿第五页，共三十五页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 本讲稿第六页，共三十五页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，也可带蓄电池负载。降压
5、斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)本讲稿第七页，共三十五页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时时刻刻驱驱动动V导导通通，电电源源E向向负负载载供供电电，负负载载电电压压uo=E，负负载载电电流流io按指数曲线上升。按指数曲线上升。t=t1时时控控制制V关关断断，二二极极管管VD续续流流，负负载载电
6、电压压uo近近似似为为零零，负负载载电流呈指数曲线下降。电流呈指数曲线下降。通通常常串串接接较较大大电电感感L使使负负载载电电流流连连续且脉动小。续且脉动小。动画演示动画演示。本讲稿第八页，共三十五页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路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：本讲稿第九页，共三十五页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斩波电路三种控制方式T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）。）。ton不变，
7、变不变，变T 频率调制。频率调制。ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。此种方式应用最多第第2章章2.1节介绍过：节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想电路的思想。基于基于“分段线性分段线性”的思想，对降压斩波电路进行的思想，对降压斩波电路进行解析。解析。分分V处于处于通态通态和处于和处于断态断态初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续本讲稿第十页，共三十五页3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路同样可以从同样可以从能量传递关系能量传递关系出发进行的推导出发进行的推导 由于由于L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故
8、负载电流维持为Io不变不变 电源只在电源只在V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为 在整个周期在整个周期T中，负载消耗的能量为中，负载消耗的能量为输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作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。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。本讲稿第十一页，共三十五页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=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）（3-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为，输出电压高
9、于电源电压，故为升压斩波电路升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作升压比；升压比的倒数记作b b，即，即。b b和和a a的关系：的关系：因此，式（因此，式（3-21）可表示为）可表示为 （3-23）（3-22）本讲稿第十五页，共三十五页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路电压升高得原因电压升高得原因：电感电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用 电容电容C可将输出电压可将输出电压保持保持住住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消耗，即消耗，即：。（3-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作与降压斩波电路一样，升压斩波电
10、路可看作直流变压器直流变压器。输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：(3-25)电源电流的平均值电源电流的平均值Io为：为：(3-26)本讲稿第十六页，共三十五页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升压斩波电路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二是用作单相功率因数校正（单相功率因数校正（PFC）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
11、路图 b）电流连续时 c）电流断续时用于直流电动机传动用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给再生制动时把电能回馈给直流电源。直流电源。电动机电枢电流连续和断电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。定的，不必并联电容器。动画演示动画演示。本讲稿第十七页，共三十五页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路数量关系数量关系当当V处于处于通态通态时，设电动机电枢电流为时，设电动机电枢电流为i1，得下式：，得下式：(3-27)当当V处于处于断态断态时，设电动机电枢电流为时，设电动机电枢电流为i2，得下式：，得下式：（3-29）
12、当当电流连续电流连续时，考虑到初始条件，近似时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电无穷大时电枢电流的平均值枢电流的平均值Io，即，即（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电该式表明，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压看作是被降低到了 。本讲稿第十八页，共三十五页3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路如图如图3-3c，当电枢电流断续时：，当电枢电流断续时：当当t=0时刻时刻i1=I10=0，令式（，令式（3-31）中）中I10=0即可求出即可求出I20，进而可写出，进而可写出 i2的表的表达式。达式。另外，当另外，当t=t2时，时，i2=0，可求得，可求得i2
13、持续持续的时间的时间tx，即，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本讲稿第十九页，共三十五页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)电路结构本讲稿第二十页，共三十五页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，电源通时，电源E经经V向向L供电
14、使其贮供电使其贮能，此时电流为能，此时电流为i1。同时，。同时，C维持维持输出电压恒定并向负载输出电压恒定并向负载R供电。供电。V断时，断时，L的能量向负载释放，电流的能量向负载释放，电流为为i2。负载电压极性为上负下正，。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。称作反极性斩波电路。动态演示动态演示。本讲稿第二十一页，共三十五页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数量关系稳态时，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（3-39）所以输出电
15、压为：所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（3-40）本讲稿第二十二页，共三十五页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图3-4b中给出了电源电流中给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设两者的平均的波形，设两者的平均值分别为值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有：，当电流脉动足够小时，有：（3-42）由上式得：由上式得：（3-43）结论结论当当0a 1/2时为降压，当时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作时为升压，故称作升降压斩升降压斩波电路波电路。也有称之为。也有称之为buck-boost 变换器变换器。其输出
16、功率和输入功率相等，可看作其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器直流变压器。（3-44）otb)oti1i2tontoffILIL本讲稿第二十三页，共三十五页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，通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路有电流。回路有电流。V断时，断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有电流。回路有电流。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。电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换。两点之间交替切换。图图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电
17、路图电路图 b）等效电路等效电路本讲稿第二十四页，共三十五页3.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路同理：同理：数量关系数量关系（3-45）V处于通态的时间处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：由此可得：（3-46）（3-46）（3-48）优点优点（与升降压斩波电路相比）：（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，有利于小，有利于
18、对输入、输出进行滤波。对输入、输出进行滤波。本讲稿第二十五页，共三十五页b)Zeta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a)Sepic斩波电路图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构电路结构Speic电路原理电路原理V通态，通态，EL1V回路和回路和C1VL2回回路同时导电，路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V断态，断态，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段回路同时导电，此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L2转移
19、转移）。输入输出关系：输入输出关系：（3-49）本讲稿第二十六页，共三十五页3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路原理斩波电路原理V处处于于通通态态期期间间，电电源源E经经开开关关V向电感向电感L1贮能。贮能。V关关断断后后，L1VDC1构构成成振振荡荡回回路路，L1的的能能量量转转移移至至C1，能能量量全全部部转转移移至至C1上上之之后后，VD关关断断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。输入输出关系：输入输出关系：图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路（3-50）相同的输入输出关系。相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流
20、均电路的电源电流和负载电流均连续连续，Zeta电路的输入、输出电流均是电路的输入、输出电流均是断续断续的。的。两种电路输出电压为两种电路输出电压为正极性正极性的。的。b)Zeta斩波电路本讲稿第二十七页，共三十五页3.23.2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3.2.13.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 3.2.23.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路3.2.33.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路本讲稿第二十八页，共三十五页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复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成降压斩波电路和升压斩
21、波电路组合构成 多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成相同结构的基本斩波电路组合构成 斩斩波波电电路路用用于于拖拖动动直直流流电电动动机机时时，常常要要使使电电动动机机既既可可电电动运行，又可再生制动。动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。象限。升压斩波电路能使电动机工作于第升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。象限。电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路：降降压压斩斩波波电电路路与与升升压压斩斩波波电电路路组组合合。此此电电路路电电动动机机的的电电枢枢电电流流可可正正可可负负，但但电电压压只只能能是是一一种种极性，故其可工
22、作于第极性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路本讲稿第二十九页，共三十五页3.2.1 3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路电路结构电路结构a)电路图V1和和VD1构成降压斩波电路，电动机为构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第电动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第制动运行，工作于第2象限。象限。必须必须防止防止V1和和V2同时导通同时导通而导致的电源短而导致的电源短路。路。工作过程（工作过程（三种工作方式三种工作方式)第第3种工作方式：一个周期内种工作
23、方式：一个周期内交替交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让当一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。电路响应很快。图3-7 电流可逆斩波电路及波形本讲稿第三十页，共三十五页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，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。分别向电动机提供正向和反向电压。图3-
24、8 桥式可逆斩波电路 使使V4保保持持通通时时，等等效效为为图图3-7a所所示示的的电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路，提提供供正正电压电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第1、2象限象限。使使V2保保持持通通时时，V3、VD3和和V4、VD4等等效效为为又又一一组组电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路，向向电电动动机机提提供供负负电电压压，可可使使电电动动机机工工作作于于第第3、4象限象限。本讲稿第三十一页，共三十五页3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路基本概念基本概念多相多重斩波电路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相数一个控制周期中电源侧的电
25、流脉波数重数重数负载电流脉波数负载电流脉波数本讲稿第三十二页，共三十五页3.2.3 3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路电路结构：相当于由电路结构：相当于由3个降个降压斩波电路单元压斩波电路单元并联并联而成。而成。总输出电流为总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之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和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，倍，脉动频率也为脉动频率也为3倍。倍。总的输出电流脉动幅值变得很小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。所
26、需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉动幅值与电电流脉动幅值与电流平均值之比流平均值之比）与相数的平方成反比。）与相数的平方成反比。图3-9 3相3重斩波电路及其波形本讲稿第三十三页，共三十五页3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路当当上上述述电电路路电电源源公公用用而而负负载载为为3个个独独立立负负载载时时，则则为为3相相1重斩波电路重斩波电路。而而当当电电源源为为3个个独独立立电电源源，向向一一个个负负载载供供电电时时，则则为为1相相3重斩波电路重斩波电路。多多相相多多重重斩斩波波电电路路还还具具有有备备用用功功能能，各各斩斩波波电电路路单单元可
27、互为备用。元可互为备用。本讲稿第三十四页，共三十五页 本章本章小结小结本本章章介介绍绍了了6种种基基本本斩斩波波电电路路、2种种复复合合斩斩波波电电路路及多相多重斩波电路。及多相多重斩波电路。本本章章的的重重点点是是，理理解解降降压压斩斩波波电电路路和和升升压压斩斩波波电电路路的的工工作作原原理理，掌掌握握这这两两种种电电路路的的输输入入输输出出关关系系、电路解析方法、工作特点电路解析方法、工作特点直直流流传传动动是是斩斩波波电电路路应应用用的的传传统统领领域域，而而开开关关电电源源则则是是斩斩波波电电路路应应用用的的新新领领域域，前前者者的的应应用用在在逐逐渐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。本讲稿第三十五页，共三十五页