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1、1,第3章 直流斩波电路,3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路本章小结,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（chopper）：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk、Sepic和Zeta chopper。 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,第3章 直流斩波电路引言,直流斩波电路工作原理 斩波输出直流平均电
2、压： Uo=aUs 斩波电路输出功率： Po=UoIo 斩波电路输入功率： Ps=UsI1 忽略其他损耗，可看作直流变压器：UoIo=UsI1,4,3.1 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和Zeta斩波电路 (略),5,3.1.1 降压斩波电路,电路结构,全控型器件，多为IGBT,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),电源输出能量等于负载消耗能量,i1,6,3.1.1 降压斩波电路,工作原理,t=0时刻驱动V导
3、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。,7,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,（3-1）,（3-2）,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：,3.1.1 降压斩波电路,8,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
4、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,3.1.1 降压斩波电路,9,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,3.1.1 降压斩波电路,10,3.1.2 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,电感的存储能量等于其释放能量,11,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,3.1.
5、2 升压斩波电路,12,数量关系,设V通态的时间为 ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为 toff，则此期间电感L释放能量为 (Uo-E)I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,T/toff1升压比；升压比的倒数记作b ，即b = toff / T 。 b和a的关系：a + b = 1,3.1.2 升压斩波电路,13,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R消耗，即 ：EI1=UoIo 。与降压斩波电路
6、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：,电源电流的平均值I1为：,3.1.2 升压斩波电路,14,2) 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电路 三是用于其他交直流电源中,t,t,T,E,i,o,o,b)电流连续时,a) 电路图,i1,i2,I10,I20,I10,ton,toff,t,o,T,o,E,t,c)电流断续时,uo,io,i1,i2,t1,t2,tx,ton,toff,I20,uo,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,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
7、态。 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。,15,数量关系,当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：,当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：,当电流连续时，考虑到初始条件，近似L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，可将直流电源电压看作是被降低到了 bE 。,m = EM / E,16,当电枢电流断续时：,可求得 i2 持续的时间 tx ，即,电流断续的条件,tx t0ff,3.1.2 升压斩波电路,17,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1）升降压斩波电路 (buck -boost Chopper),电路结构,电感的存储能量等
8、于其释放能量,18,3.1.3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。,19,3.1.3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,所以输出电压为：,V处于通态 uL = E,V处于断态 uL = - uo,20,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,图3-4b中给
9、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：,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。,21,3.1.3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,电容的存储能
10、量等于其释放能量,22,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,V通态时间ton，则电容电流和时间的乘积为 I2ton。 V断态时间toff，则电容电流和时间的乘积为 I1toff。 由此可得：I2 ton = I1 toff,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。,23,3.2 复合斩波电路,3.2.1 电流可逆斩波电路（两象限斩波电路） 3.2.2 桥式可逆斩波电路（四象限斩波电路）,24,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。,3.2.1 电流可逆斩波电路,电流可
11、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。,25,3.2.1 电流可逆斩波电路,电路结构,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。,26,3.2.1 电流可逆斩波电路,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
12、路响应很快。,图3-7 电流可逆斩波电路及波形,27,3.2.2 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 。,28,本章小结,本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路。 本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。,
