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1、3-1第5章 直流斩波电路5 5.1 .1 基本斩波电路基本斩波电路5 5.2.2 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本章小结本章小结3-2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。3-35
2、.1 基本斩波电路5 5.1.1.1.1 降压斩波电路降压斩波电路5 5.1.2.1.2 升压斩波电路升压斩波电路5 5.1.3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路5 5.1.4.1.4 Sepic Sepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路斩波电路 3-45.1.1 降压斩波电路电路结构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)3-55.1.1 降压斩波电路工作原理图5-1 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
3、控制V关断，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。通常串接较大电感L使负载电 流连续且脉动小。动画演示。3-65.1.1 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：3-75.1.1 降压斩波电路工作原理图5-1 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近似为零， 负载电流呈指数曲线下降。t=t1+tx时，电流为
4、零，VD截止 负载电压uo=E M。动画演示。3-85.1.1 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3-9参数计算:(1)电流的瞬时值: 当V导通时有:解此方程:t=0 时使V导通,导通前:导通后:5.1.1 降压斩波电路 3-10电感电路电流不突变,则有: i0+=i0-5.1.1 降压斩波电路 3-11当V断态期间，设负载电流为i0=i2 ，可列出如下方程：设此阶段电流初
5、值为I20，解上式得5.1.1 降压斩波电路 3-12(2)电流波动值: 电流连续时:t=t1=ton 时 i1=I20 (V导通的时间为t1) t=T 时,i2=I10 则:5.1.1 降压斩波电路 3-13由以上两式可得:式中:5.1.1 降压斩波电路 3-14由图3-1b可知，I10和I20分别是负载 电流瞬时值的最小值和最大值。当平波电抗器L为无穷大时，负 载电流完全平直，此时负载电流 最大值、最小值均等于平均值。5.1.1 降压斩波电路可看作是直流变压器3-155.1.1 降压斩波电路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
6、，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。3-165.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况： 当V导通至t1时，i1=I20，起始值I10=0且t=ton+tx时，i2=0则:3-175.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况： （5-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和a的关系：因此，式（5-21）可表示为 （5-23）（5-22）3-215.1.2 升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持
7、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)3-225.1.2 升压斩波电路2) 升压斩波电路典型应用tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txton toffI20ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontoffuo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。
8、直流电源的电压基 本是恒定的，不必 并联电容器。i3-235.1.2 升压斩波电路数量关系(1)V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 式中R为电机电枢回路电阻 与线路电阻之和。 设i1的初值为I10，解上式得ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10 tontoffuo3-24(2)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2 ，得下式： 设i2的初值为I20，解上式得：5.1.2 升压斩波电路ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10 tontoffuo3-25当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出， t=ton时刻i1=I20，t=T时刻i2=I10，由此可得： 5.1.
9、2 升压斩波电路ttTEiOOb)a)i1i2I 10I 20I 10t ont offu o3-26由以上两式求得：5.1.2 升压斩波电路3-27与降压斩波电路一样，若L足够大则电流平直得该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io， 即该式表明，以电动机一侧为基准看，可将 直流电源看作是被降低到了 。 5.1.2 升压斩波电路3-28当电枢电流断续时的波形如图5-3c所示。电流断续时：I10=0, t=ton 时， i1= I20根据：有当V截止tx时：i2=0tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txton toffI203-29）电流持续时间: ）电流连续的条件:即5.1.2 升压斩
10、波电路3-305.1.2 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=0，令式（5-31）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txt0fftOTOEtc)u oi oi 1i 2t 1t 2t xt on toffI203-31电枢电流断续时:tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txton toffI203-325.1.3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-
11、335.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图5-4 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。3-345.1.3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（5-39）所以输出电压为：（5-41）V处于通态 uL = EV处于断态 uL = - uo （5-40）3-
12、355.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路结论当0 1/2时为降压，当1/21时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。3-365.1.3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：（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 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）otb)oti1i2tontoffILIL3-375.1.3升降压斩波电路和Cuk
13、斩波电路2) Cuk斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，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a） 电路图 b） 等效电路3-385.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系（5-45）V处于通态的时间ton，电容电流为I2。V处于断态的时间toff，电容电流为-I1 。（5-46）3-395.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系（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
14、滤波。3-40b) 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）。输入输出关系：（5-49）3-415.1.4 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，L1VDC1构成振荡回路， L1的能量转移
15、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5-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路（5-50）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3-425.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5 5.2.1.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 5 5.2.2.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路5 5.2.3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路3-435.2.1 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
