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1、3-1,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。,3-3,5.1 基本斩波电路,5.1.1 降压斩波电
2、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,3-4,5.1.1 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),3-5,5.1.1 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。 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 动画演示。,3-6,5.1.1 降压斩波
3、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：,3-7,5.1.1 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，电流为零，VD截止负载电压uo=E M。 动画演示。,3-8,5.1.1 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（PW
4、M）。 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
5、 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,3-15,5.1.1 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，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
6、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。,3-16,5.1.1 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:,3-17,5.1.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况：,（5-16）,电流断续的条件：,（5-17）,3-18,5.1.2 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,3-19,5.1.2 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，
7、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。 动态演示。,图5-2 升压斩波电路及工组波形,a) 电路图,b) 波形,3-20,5.1.2 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。,3-21,5.1.2 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可将输出电压保持住,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载
8、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),3-22,5.1.2 升压斩波电路,2) 升压斩波电路典型应用,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。,i,3-23,5.1.2 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
9、线路电阻之和。 设i1的初值为I10，解上式得,3-24,(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,3-25,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：,5.1.2 升压斩波电路,3-26,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
10、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=0,3-29,）电流持续时间:,）电流连续的条件:,即,5.1.2 升压斩波电路,3-30,5.1.2 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=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,3-31,电枢电流断续时:,3-32,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路(bu
11、ck -boost Chopper),电路结构,3-33,5.1.3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）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。,3-34,5.1.3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）,V处于通态 uL = E,V处于断态 uL = - uo,3-35,5.1.3升降
12、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。,3-36,5.1.3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）,3-37,5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2) Cuk斩波电路,V通时
13、，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,3-38,5.1.3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）,3-39,5.1.3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。,3-40,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）。 输入输出关系：,（5-49）,3-41,5.1.4 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
15、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,3-42,5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路,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,3-43,5.2.1 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,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,3-44,5.2.1 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。图5.1 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。图5.2 必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。,
