3-1,第3章 直流斩波电路,3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结,3-2,第3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3-3,3.1 基本斩波电路,3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3-4,3.1.1 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),3-5,3.1.1 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，负载电压uo=0，负载电流呈指数曲线下降 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小3-6,3.1.1 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,电流连续时输出电压平均值 Uo=Eton/T =E， ≦1 Uo ≦E ，降压斩波 电压变换比 M=Uo/E= 功率平衡：EI1=UoIo（I1为电源电流平均值）3-7,3.1.1 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,电流断续时： 当L较小或占空比很小时， io可能会断续 在断续期间io=0 ，VT和VD均不导通； 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现3-8,3.1.1 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断续,3-9,3.1.1 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3-10,3.1.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况：,I10=0，且t=tx时，i2=0,（3-16）,电流断续的条件：,（3-17）,,3-11,3.1.2 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,3-12,3.1.2 升压斩波电路,工作原理,假设L和C值很大 V处于通态时，电源E向电感L充电，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,3-13,3.1.2 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：,（3-20）,图3-2 升压斩波电路及工组波形,3-14,3.1.2 升压斩波电路,数量关系,（3-21）,（3-20）,化简得：,T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
3-15,3.1.2 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),3-16,3.1.2 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（PFC）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3-17,3.1.2 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 。
3-18,3.1.2 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 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,3-19,3.1.3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,3-20,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),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3-21,3.1.3升降压斩波电路和Cuk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）,V处于通态 uL = E,V处于断态 uL = - uo,3-22,3.1.3升降压斩波电路和Cuk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0
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）,3-23,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2) Cuk斩波电路,V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路,,,,,3-24,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,同理：,数量关系,（3-45）,,（3-46）,（3-48）,3-25,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,（3-45）,（3-48）,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3-26,b) Zeta斩波电路,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta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,Speic电路原理 V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能 V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—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）。
输入输出关系：,（3-49）,,,,,3-27,3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,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 V关断后，L1－VD－C1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 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Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的 两种电路输出电压为正极性的b) Zeta斩波电路,3-28,3.2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 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路,3-29,3.2.1 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,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 电流可逆斩波电路：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,3-30,3.2.1 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,3-31,3.2.2 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 3-32,直流斩波电路谐波分析,开关V的斩波作用使得输出电压和输入电流的脉动较大，谐波含量高，这在实际电路中是不允许的 因此通常为了得到较为平滑的输出电压和输入电流，在直流斩波器中还要有输入滤波电路和输出滤波电路。
图3-1 降压斩波电路原理图及波形,3.2.3 多相多重斩波电路,3-33,直流斩波电路谐波分析,完整的直流斩波器的电路结构如图所示，其中LF、CF分别为输入滤波电感和滤波电容图3-1 降压斩波电路原理图,3-34,直流斩波电路谐波分析,输入滤波电路作用是滤除斩波开关电流中的高频成分，从而得到比较平滑的直流输入电流 当斩波器开关频率远大于滤波电路的谐振频率时，电源电流的谐波分量可近似地按下式计算： IVn――斩波开关V电流进行傅里叶分解后 n次谐波电流的有效值 减小电源谐波电流的方法有以下三种： 1．在滤波元件参数不变时，提高斩波器的开关频率； 2．斩波器的开关频率不变时，降低fF，即增加LF或CF的数值； 3．降低斩波开关电流的脉动幅度，亦即减小IVn3-35,直流斩波电路谐波分析,输出滤波电路的作用是减小输出电流脉动量 负载电流i0的脉动量I0为： 回路中所需要的总电感量为： 直流斩波器中的输出滤波电路的元件参数由输入电压、输出。