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1、电力电子技术第4章第4章直流斩波电路直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置，亦称直流斩波器或DC/DC变换器。用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流，在一定滤波的条件下，在负载上可以获得平均值可小于或大于电源的电压或电流。如果改变开关器件通、断的动作频率，或改变开关器件通、断的时间比例，就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压、电流平均值的调节。早在1940年德国人采用机械开关通断的思想来调节直流电压以控制直流电动机的转速，1960年美国人把晶体管斩波器用于控制柴油发
2、电机的励磁系统，1963年德国人把晶闸管斩波器用于控制蓄电池车。早期主要应用于城市电车，地铁、电动汽车等直流牵引调速控制系统中。随着自关断电力电子开关器件和脉宽调制(Pulse Width ModulationPWM )技术的不断发展，直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等显著优点，广泛应用于开关电源、有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。一般来说，直流斩波电路有两类不同的应用领域：一类负载是要求输出电压可在一定范围内调节控制，即要求电路输出可变的直流电压，例如直流电动机负载，为了改变其转速，要求可变的直流电压供电；另一类负载则要求无论在电源电压变化或负载变化时，电路的输出电压都能维
3、持恒定不变，即输出一个恒定的直流电压，如开关电源等。这两种不同的要求均可通过一定类型的控制系统根据反馈控制原理实现。直流斩波电路的种类较多，根据其电路结构及功能分类，主要有以下4种基本类型：降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路、丘克(Cuk)斩波电路，其中前两种是最基本的电路，后两种是前两种基本电路的组合形式。由基本斩波电路衍生出来的Sepic斩波电路和Zeta斩波电路也是较为典型的电路。利用基本斩波电路进行组合，还可以构成复合斩波电路和多相多重斩波电路。本章将详细介绍基本斩波电路的工作原理和稳态工作特性，对其它电路作一般性的原理分析。为
4、了获得各类直流斩波电路的基本工作特性而又简化分析，在本章的分析中，都假定直流斩波电路是理想的，即满足以下条件：（1）开关器件和二极管从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡时间均为零。（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零。（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件，且电感量和电容量均为足够大。（4）线路阻抗为零。无特殊说明时电源的输入功率等于输出功率。4.1直流斩波电路的工作原理最基本的直流斩波电路如图4.1(a)所示，图中S是可控开关，R为纯电阻负载。当S闭合时，输出电压；当S关断时，输出电压，输出波形如图4.1(b)所示。假设开关S通断的周期TS不变，
5、导通时间为，关断时间为，则输出电压的平均值可表示为 （4.1）(a)电路 (b)电压波形图4.1 最简单直流斩波电路图及输出电压波形由式（4.1）可知，在周期TS不变的情况下，改变就可以改变的大小。将S的导通时间与开关周期之比定义为占空比(Duty ratio)，用表示。则 （4.2）由于占空总是小于等于1，所以输出电压总是小于或等于输入电压E。因此，改变值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变或TS来实现。通常直流斩波电路的控制方式有三种：(1)脉冲频率调制控制方式：即维持不变，改变TS。在这种控制方式中，由于输出电压波形的周期或频率是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的
6、，这使得滤波器的设计比较困难，输出波形谐波干扰严重，一般很少采用。(2)脉宽调制控制方式：即维持TS不变，改变。在这种控制方式中，输出电压波形的周期或频率是不变的，因此输出谐波的频率也是不变的，这使得滤波器的设计变得较为容易，并得到普遍应用。常把这种调制控制方式称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)。(3)调频调宽混合控制方式：这种控制方式不但要改变和也要改变TS，其特点是：可以使大大提高输出的范围，但由于频率是变化的，也存在着设计滤波器较难的问题。 4.2基本直流斩波电路基本直流斩波电路是指降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buc
7、k-Boost)斩波电路和丘克(Cuk)斩波电路。本节将对Sepic斩波电路和Zeta斩波电路一并给予介绍。4.2.1降压斩波电路降压斩波电路又称Buck斩波电路，该电路的特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则高于输入电流。也就是通过该电路的变换可以将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压，并实现电能的转换。降压斩波电路的拓扑结构如图4.2(a)所示。图中S是开关器件，可根据应用需要选取不同的电力电子器件，如IGBT、MOSFET、GTR等。L、C为滤波电感和电容，组成低通滤波器，R为负载，VD为续流二极管。当S断开时，VD为提供续流通路。E为输入直流电压，为输出电压平均值。当选用IGBT
8、作为开关器件时，降压斩波电路如图4.2(b)所示。 (a)S为开关器件 (b) IGBT为开关器件图4.2降压斩波电路的拓扑结构图根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式。4.2.1.1电感电流连续导电模式连续导电模式对应电感电流恒大于零的情形。设开关器件T的控制信号为（的波形如图4.4所示）。当为高电平时T导通，为低电平时T关断。T导通与关断时的等效电路分别如图4.3(a)、(b)所示。电路的工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在时，使T导通，因二极管VD反向偏置，电感两端电压为，且为正。此时，电源E通过电感L向负载传递能量，电感中的电流从线性增长
9、至，储能增加。在时刻，使T关断，而不能突变，故将通过二极管VD续流，L储能消耗在负载R上，线性衰减，储能减少。此时。由于VD的单向导电性，只能向一个方向流动，即总有 0，从而在负载R上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值，并控制T周期性地开关，可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然T导通时间愈长，传递到负载的能量愈多，输出电压也就愈高。T导通和关断时各电量的工作波形如图4.4所示。 (a) T导通VD截止 (b) VD导通T截止图4.3连续导电模式降压斩波电路等效电路图 图4.4降压斩波电路的工作波形图在期间，T导通，根据等效电路4.3(a)，可得出电感L上的电压为
10、 （4.3）由于电感和电容无损耗，电流从导通时的电流初值线性增长至终值为，因此上式可写成则 （4.4）式中为电感电流的变化量，为输出电压的平均值。在期间，T关断，VD导通续流，根据图4.3(b)的等效电路，电流从线性衰减至，因此有即 （4.5）从式（4.4）和式（4.5）消去，可得即 （4.6）事实上，由于稳态工况下的电感电压波形周期性地重复，又根据假设电感为理想器件，故电感电压的平均值在一个周期内必为零。即：这就意味着T导通和关断的电压波形面积相等，即 所以有 （4.7）当输入的直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化，与其它电路参数无关。由于占空比总是小于等于1，所以输出电压总是小于或
11、等于输入电压E。因此，这种斩波电路称为降压斩波电路。由于不考虑电路元件的损耗，则输入功率与输出功率相等，或，因此输入电流和负载电流之间的关系为 （4.8） 由图4.2可知，开关器件T和二极管VD承受的最大电压均为电源电压E。4.2.1.2电感电流断续导电模式在电感电流连续导电模式下的整个开关周期TS中，电感电流都大于0，且介于与之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件T关断的期间内，电感电流已降为零，且保持一定时间，电路有三种工作状态，即T导通， VD截止；T截止，VD导通； T、VD都截止，电感电流为零。电路的工作原理是：在时，使T导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流线性增长至
12、，储能增加。在时刻，使T关断，通过二极管VD续流。但在T的下一个导通周期到来之前，已衰减到零，此时续流二极管VD也截止，T和VD都截止时的等效电路如图4.5(a)所示，电感电流断续导电模式的电压电流波形如图4.5(b)所示。 (a)等效电路 (b)电压电流波形图4.5 断续状态的等效电路和电压电流波形图根据图4.5的波形可以求得，当T导通时，电感电压为 （4.9）电流的大小与T的导通时间有关。当T关断时，电感电压为 （4.10）设，则由式（4.9）和式（4.10）可求得即 （4.11）所以 （4.12）在电感电流断续导电模式下，负载电流平均值为即 （4.13）将式（4.9）和式（4.12）代人
13、式（4.13）有 （4.14）而当等于时，负载电流处于临界连续状态，电感电流临界连续状态的电压电流波形如图4.6所示。图4.6 临界状态的电压电流波形图4.2.1.3输出电压纹波在降压斩波电路中，当滤波电容C的容量足够大时，输出电压基本不变，近似为恒值。然而电容C的容量总是有限值的，因此输出电压含有纹波分量。在连续导电模式下，假定中所有纹波分量都流过电容，而其直流分量流过负载电阻。在图4.4 的波形中，当时，电容C对负载放电；在时，由电源为C提供充电电流。由于流过电容C的电流在一周期内的平均值为零，那么在TS/2时间内电容充电或放电的电荷量可用图4.4中阴影面积来表示，即 （4.15）因此，电压纹波的峰峰值为 （4.16）根据式(4.4)和式(4.5)可求出开关周期TS为 （4.17）同时考虑式(4.16)和式(4.17)，可求出 （4.18）由式（4.18）可以根据电路的技术数据来选择滤波电容的参数。电流连续时
