电力电子技术第5章 直流斩波电路

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1、1,第5章 直流斩波电路,5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 本章小结,2,第5章 直流斩波电路引言,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：降压斩波电路、升压斩波电路、 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。,3,5.1 基本斩波电路

2、,5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,4,5.1.1 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。,降压斩波电路（Buck Chopper),5,5.1.1 降压斩波电路,工作原理,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，负载电流呈指数曲线下降，负载电压uo近似

3、为零。 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。,6,5.1.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,（5-1）,（5-2）,tonV通的时间 toffV断的时间 a-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：,7,5.1.1 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。 分V处于通态和处于断态 初始条件分电流连续和

4、断续,8,设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得： V: 断态，设负载电流为i2，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为I20，解上式得： 当电流连续时，有：,图5-1 降压斩波电路的原理图及波形,V: 通态，设负载电流为i1，可列出如下方程：,电流连续(Continuous-Conduction-Mode) (CCM),即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。,9,由式（5-4）、（5-6）、（5-7）、（5-8）得出(主要是根据充放电曲线）： （5-9） （5-10） 式中: ； ； 。由图5-1b可知，I1

5、0和I20 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似（即趋于零，L趋于无穷大），可得 （5-11） 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。,10,从能量传递关系出发进行的推导： 由于L为无穷大，故负载电流平直，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，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 ； 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，即 则 假设电源电流平均值为I1， 则有,其值小于等于负载电流Io,即输出功率等于输入功率，可将

6、降压斩波器看作直流降压变压器。,11,负载电流断续的情况： I10=0， 且t=tx时，i2=0，利用式（5-7）和式（5-6） 可求出tx为： （5-16） 电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为： （5-17） （ ；=L/R） 对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。 在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为： （5-18） 此时Uo不仅和占空比 有关，也和反电动势EM有关。 此时负载电流平均值为： （519）,Discontinuous-Conduction-Mode (DCM),12,升压斩波,13

7、,5.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路（Boost Chopper）,保持输出电压,储存电能,电路结构,1) 升压斩波电路的基本原理,14,工作原理,假设电路已处于稳态，L和C值很大，t=0时C上已建立上+下-电压。 V处于通态时（UGE0)：电源E向电感L充电， I00，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。,图3-2 升压斩波电路及工组波形,a) 电路图,b) 波形,5.1.2 升压斩波电路,15,5.1.2 升压斩波电路,数量关系,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff，则

8、此期间电感L释放能量为 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,（5-21）,（5-20）,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,16,电压升高原因： 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载R消耗，即 ： . （5-24） 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：,(5-25),电源电流的平均值I1为：,(5-26),5.1.2 升压斩波电路,17,5.1.2 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（PF

9、C）电路 三是用于其他交直流电源中,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图5-3 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。,18,5.1.2 升压斩波电路,数量关系,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 。,19,5.1.2 升压斩波电路,如图5-3c，当电枢电流断续时：,当t=0时刻i1=I10

10、=0，令式（6-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出 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5-3 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,20,Buck -boost Chopper,Circuit Structure,V，L和VD三者之间的位置关系,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,21,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路 (buck -boost Chopper),电路结构,22,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),图5-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b

11、）波形,V通时，电源E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。,+,-,23,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,（5-39）,V处于通态 uL = E,V处于断态 uL = - uo,24,图5-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时(IL)，有：,（5-42）,由上式得：,（5-43）,结论,当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降

12、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。,（5-44）,（3-41）,25,假设电路已处于稳态，L和C值很大，t=0时C上已建立 左+右-电压。 V通时，E对L1充电, C对L2充电： EL1V回路和RL2CV回路有电流。 V断时， E、L1对C充电, L2放电 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5-5 Cuk斩波电路及其等效电路,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2) Cuk斩波电路,+,_,26,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路

13、,同理：,数量关系,（5-45）,（5-47）,（5-48）,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，有利于对输入、输出进行滤波。,27,b) Zeta斩波电路,5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,a) Sepic斩波电路,图5-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,电路结构,Speic电路原理 V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，EL1C1VD负载回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。 电源电流连续，负载电流断续（

14、 有脉冲电流） 输入输出关系：,（5-49）,28,Zeta斩波电路原理,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能，E-C1-L2-负载形成回路。 V关断后，L1VDC1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。 电源电流断续，负载电流连续 输入输出关系：,（5-50）,两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。 Sepic电路的电源电流，zeta电路负载电流连续，分别有利于输入输出进行滤波。.,b) Zeta斩波电路,a) Sepic斩波电路,5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,29,5.2复合斩波电路和多相多

15、重斩波电路,5.2.1 电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路,30,5.2.1 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,电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。 V1和VD1构成降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 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。 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,31,必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路； 只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态； 只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态；,32,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； 当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，则会使另一个斩波电路工作，电流反方向流过。这对应就是第3种工作方式。这时电动机电枢回路总有电流流过。,在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以调速的响应很快。 电流可逆斩波电路中电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的，即电机转向固定。,33,5.2.2