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1、电力电子技术 电子教案第3章 直流斩波电路*1目 录 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 3.2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 多相多重斩波电路本章小结返回 Date2第三章 直流斩波电路 (DC Chopper , DC/DC Converter）功能：DC DC U=固定值或 U 如何改变直流电压？ 1、干电池、蓄电池串联使用；（低电压、小容量且不连续改变）ER RLVL+ 应用：电力机车等缺点：串电阻
2、损耗大。2、串入可变电阻调节；Date3第三章 直流斩波电路如何改变直流电压？ 3、用大功率开关器件（SCR、GTO、GTR、 IGBT 、 MOSFET）实现低损耗的DC/DC变换，并能连续 调节。 应用：控制直流电机的电枢电流或励磁电流调速。 如：电力机车、电动汽车、电梯、机器人的伺服电动机 斩波电路（DC-DC变换器）直接斩波电路 （DC/DC）间接斩波电路（ DC-AC-DC） Date4斩波器的原理 第三章 直流斩波电路负载RL为理想电阻，Q为开关；ERLuO+iOQ分析：Q断开，则uO=0，iO=0 。Q接通，则uO=E，RL中流过电流iO；波形：tontoffuO UOEton
3、-导通时间 toff -关断时间直流斩波电路采用斩控方式，比相控 方式性能更佳，因而应用广泛。 Date5第三章 直流斩波电路 直流斩波电路的种类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，其中前两种是最基本的电路返回 复合斩波电路不同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Date63.1 基本斩波电路v 重点介绍最基本的两种基本电路-降压斩波电路和升压斩波电路Date7v 斩波电路的典型用途：拖动直流电 动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负 载中均会出现反电动势，如图中EM所示3.1.1 降压斩波
4、电路(Buck Chopper)图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c ）电流断续时的波形v工作原理： 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时刻控制V关断，负载电流经二极管 VD续流，负载电压uo近似为零，负载电 流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续 且脉动小，通常使串接的电感L值较大。Date83.1.1 降压斩波电路v 数量关系电流连续时，负载电压平均值：（ 3-1）tonV通的时间 toffV断的时间 a 导通占空比 (duty factor)图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）
5、电流连续时的波形 c ）电流断续时的波形负载电流平均值： （3-2） 电流断续时，Uo被抬高（一般不希望出现） a =1 时，Uo最大为E ；若a Uoa=0 时，Uo =0 。因此称为降压斩波电路。Date93.1.1 降压斩波电路例：降压斩波电路（见图3-1），已知：E=200V,R=10,L值极大，EM=30V， T=50s,ton=20 s,计算输出电压平均值Uo ，输出电流平均值Io 解：由于L值极大，故负载电流连续，则输出电压平均值输出电流平均值Date103.1.1 降压斩波电路v 根据电力电子电路分时段线性化的思想，通过列 解析式对降压斩波电路进行分析，得到结论： 当平波电抗器
6、L为无穷大，则电流连续 1）负载电流完全平直； 2）V导通时，电源提供能量为： EI0ton 负载消耗的能量为：RI02T+EMI0T 在一个周期中，忽略电路中的损耗，则电 源的输出功率等于输入功率：EI0ton=RI02T+EMI0T电源电流的平均值为：I1 =（ ton/T）I0 = I0 即：EI1= EI0 = U0I0Date113.1.1 降压斩波电路v 斩波电路三种控制方式（根据对输出电压 平均值进行调制的方式不同而划分） T 不变，变ton 脉冲宽度调制（ PWM） ton不变，变T 频率调制（调频型 ） ton 和T 都可调混合型上面三种控制方式中第一种PWM方式应用最多to
7、ntoffuO UOET Date12PWM保持开关周期T不变，调节开关导通时 间 ,称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM。返回 Date133.1.1 降压斩波电路v 直流电机斩波调速系统示意图uOREMM+ LP 220V+ iGiO驱动电路Date14Date153.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper)1.升压斩波电路的基本原理 v 工作原理 假设L 值很大，C 值也很 大V通时，E向L充电，充电 电流恒为I1，同时C的电压向 负载供电，因C 值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo 。设V 通的时间为ton，此阶段L上积 蓄的能量为 图
8、3-2 升压斩波电路及其 工作波形a）电路图 b）波形Date163.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper)1.升压斩波电路的基本原理 v 工作原理V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为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,即：图3-2 升压斩波电路及其 工作波形a）电路图 b）波形（3-20）Date17化简得： （3- 21）上式中的（T/toff）1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。 升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与导通比的方法类似。将升压比的倒数记作,即：。 则和有如下关系：（3-
9、22 ） 因此，式（3-21）可表示为（3-23）3.1.2 升压斩波电路Date18v升压斩波电路能使输出电压高 于电源电压的原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用； 二是电容C可将输出电压保持住。以上分析中，认为V通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo不变，但实际C 值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式 的结果。3.1.2 升压斩波电路Date19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）该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电 路也可看成是直流变压器。根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io
10、为 （3-25)由式（3-24）即可得出电源电流I1为：（3-26 ） 3.1.2 升压斩波电路Date202. 升压斩波电路的典型 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3.1.2 升压斩波电路Date21v 用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时 把电能回馈给直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷 大，因此该电路和降压斩波电路一样，也 有电动机电枢电流连续和断续两种工作状 态此时电机的反电动势相当于图3-2 电路中的电源
11、，而此时的直流电源相当于 图3-2中电路中的负载。由于直流电源的 电压基本是恒定的，因此不必并联电容器 。3.1.2 升压斩波电路Date223.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路1. 升降压斩波电路 设L值很大，C值也很大。 使电感电流iL和电容电压即负 载电压uo基本为恒值。 v 基本工作原理 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。 图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形Date231、升降压斩波电路 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
12、波 电路 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） 当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期 间， uL = - uo。于是： （3-40）所以输出电压为：（3-41）3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路Date241、升降压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路改变导通比，输出电压既 可以比电源电压高，也可以比电 源电压低。当01/2时为降压， 当1/21时为升压，因此将该电 路称作升降压斩波电路。也有文 献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter ）图3-4b中给出了电源电流 i1和负
13、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） 图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形Date251、升降压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路由上式可得： （3-43）如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则（3-44）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变 压器。Date262. Cuk斩波电路图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电 流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过 电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、
14、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3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路Date27稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应 为零，也就是其对时间的积分为零，即（3-45）在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时 间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘 积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时 间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可 得（3-46）从而可得（3-47） 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路2. Cuk 斩波电路Date283.2.1 电流可逆斩波电路 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拖动直流电动机时，如图3-1 所示，电动机工作于第1象限图3-3所示升压斩波电路中，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，拖动直流电动机时，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Date29V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直 流电动机供电，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，把直流电动 机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作 再生制动运行，工作于第2象限图3-7 电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图
