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1、第3章 直流斩波电路3.1 基本斩波电路基本斩波电路3.2 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1第3章 直流斩波电路引言直流斩波电路: 恒定直流电变成另一种恒定电压或可调电压的直流电，又称为直流-直流变换器。一般指直接DC/DC,不包括DC/AC/DC。电路种类：6种 最基本的斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路 基本的斩波电路：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：不同结构的基本斩波电路组合。多相多重斩波电路：相同结构基本斩波电路组合。23.1 基本斩波电路3.1.1 降压斩波
2、电路降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 33.1.1 降压斩波电路电路结构： 全控型器件， 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一：拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路43.1.1 降压斩波电路工作原理：工作原理：c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffi
3、otxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图3-1 降压斩波电路得原理图及波形 t=0：V通，E V L R M，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升，L储能。 t=t1：V断，L R M VD，uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，L放能。串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。v动画演示。53.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系电流连续:负载电压平均值 （3-1）（3-2）式中：式中：Ton是是V通的时间，通的时间， toff是是V断的时间断的时间 ，a是导通占空比（是导通占空比（a小于或等于小于或等于1） 。 U0小于电源电压小于电源电压E。电流断续，Uo被抬高，一般不希望
4、出现。 负载电流平均值：tttOOO电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uotEETtEttUa=+=onoffonono63.1.1 降压斩波电路斩波电路三种控制方式: ton/ T1. T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。2. ton不变，变T 频率调制。3. ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用最多 a =73.1.1 降压斩波电路能量传递关系:(负载电流Io不变)1. 电源只在V处于通态时提供能量2. 在整个周期T中，负载消耗的能量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。一个周期中，不计损耗，据能量守恒，由1.2得：L无穷
5、大，设电源平均电流为I1:83.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）（3-16）T x1，U0 E，故为升压升压斩波电路。升压比；其倒数b ，即。 b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 （3-23）（3-22）123.1.2 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。忽略损耗，整个T，电源供能由R消耗，即 ： （3-24）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：(3-25)电源电流的平均值Io为：(3-26)0iGE0ioI1133
6、.1.2 升压斩波电路2) 升压斩波电路典型应用：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） 电流断续时一 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。动画演示。ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo143.1.2 升压斩波电路数量关系：V通态，设电动机电枢电流为i1，得下式：(3-27) V断态，设电动机电枢电流为i2，得下式：（3-29）电流连续时，L无穷大，电枢
7、电流的平均值Io，即：（3-36） 结论： 电动机为基准看，可将直流电源电压看 作是被降低到了 。153.1.2 升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时：t=0时：i1=I10=0，令式（3-31）中 I10=0，可求出I20，得 i2的表达。t=t2时，i2=0，得i2持续的时间tx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 -电流断续的条件 二单相功率因数校正（PFCPFC）电路三 其他交直流电源中txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20163.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 电路结构173.1.3升降
8、压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时： EVL(贮能) ，电流为i1C（放电）R ， U0 恒定V断时： L（放电） R ， 电流为i2 L（放电） C (贮能) U0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。 动态演示183.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即（3-39）所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL = EV处于断态uL = - uo（3-40）193.1.3升降压斩波电路和Cuk斩
9、波电路2. 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：（3-42）由上式得：（3-43） 结论1 .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。 3. 输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。（3-44）otb)oti1i2tontoffILIL203.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2) Cuk斩波电路斩波电路 V通时，EL1V，RL2CV。L1，L2储能，储能，C放能放能 V断时，EL1CVD，RL2VD。 C储能；储能； L1 ，L2放能放能 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开
10、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213.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系（3-45）V通态，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V断态f，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：（3-46）（3-46）（3-48）与升降压斩波电路相比的优点优点：电源电流和负载电流连续，脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。22b) Zeta斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a) Sepic斩波电路图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理V通态：EL1V；C1VL2；C
11、2R;L1和L2贮能，C1放能，C2放能。V断态：EL1C1VDR,C2；L2VDR,C2，E和L1向负载供电，同时向C1充电（C1贮能在V通时向L2转移）。输入输出关系：（3-49）233.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路原理V通态：EVL1（贮能），E C1 R ，C2，C1放，C2储V关断：L L1 1VDVDC C1 1，C2 R,R, L1放，C1充，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3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路（3-50）与Speic输入输出关系相同；不同：Sepic电源电流和负载电流均连续，Ze
12、ta电路是断续的。两种电路输出电压为正极性的。 b) Zeta斩波电路243.2复合斩波电路和多相多重斩波电路3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路253.2.1 电流可逆斩波电路复合斩波电路：降压、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 1. 斩波电路拖动直流电动机，电动机可电动也可制动运行。2. 降压斩波电路使电动机工作于第1象限，电动运行。3. 升压斩波电路使电动机工作于第2象限，再生制动运行。4. 电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路：降压斩波电路与升压斩波电路组
13、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。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：263.2.1 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，电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，再生制动运行，工作于第2象限。防止V1和V2同时导通导致电源短路。工作过程工作方式：降压斩波电路和升压斩波电路一个周期内交替工作。一个斩波电路电流断续为零时，另一个斩波电路工作，电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。图3-7 电流可逆斩波电路及波形273.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路
14、：两个电流可逆斩波电路组合， 向电动机提供正向和反向电压。图3-8 桥式可逆斩波电路 1. V4通，等效为图3-7a，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。2. V2通，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 。283.2.3 多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数293.2.3 多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降压斩波电路：电路结构：3个降压斩波电 路单元并联而成
15、。总输出电流： 3 个斩波电路输出电流之和，平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。图3-9 3相3重斩波电路及其波形303.2.3 多相多重斩波电路当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相相1重斩波电路重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相相3重斩波电路重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。31 本章小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重重点点是，理解降降压压斩斩波波电电路路和升升压压斩斩波波电电路路的工作原理，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，而开开关关电电源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。32
