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1、Power ElectronicsChapter 2DC to DC Converters(Chopper)第2章 直流-直流变换器(斩波器)Outline 概览概览2.1 Basic chopper operation 斩波电路基本工作方式 2.2 Buck chopper 降压斩波电路2.3 Boost chopper 升压斩波电路2.4 Buck-boost chopper 升降压斩波电路2.5 Multi-Quadrant Chopper and multi-phase multi-channel chopper 多象限斩波器电路和多相多重斩波电路2.1 Basic chopper o
2、peration斩波电路基本工作方式斩波电路基本工作方式 Classifications of DC chopper: - three basic chopper circuit: buck chopper, boost chopper, buck-boost chopper - Multi-quadrant chopper-2 Quadrant Chopper, 4 Quadrant Chopper - multi-phase multi-channel chopper -combined by basic chopper直流斩波电路的种类：直流斩波电路的种类：-三种基本斩波电路：降压斩波电
3、路、升压斩波电路、升降压斩波电路三种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路-多象限斩波器多象限斩波器二象限斩波器、四象限斩波器二象限斩波器、四象限斩波器-多相多重斩波电路多相多重斩波电路基本斩波电路的组合基本斩波电路的组合直流斩波电路：直流斩波电路：-将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电-也称为直接直流也称为直接直流-直流变换器直流变换器-广泛应用于直流牵引的变速拖动广泛应用于直流牵引的变速拖动(使用直流电源时使用直流电源时)Basic concept and classification of DC chopperBasic
4、chopper operationSwitching-mode DC-DC conversion开关模式下的直流开关模式下的直流-直流变换直流变换2.2 Buck chopper 降压斩波电路降压斩波电路Circuit and waveform 电路和波形电路和波形Discontinuous conduction mode电流断续模式电流断续模式Continuous conduction mode电流连续模式电流连续模式Analysis of buck chopper 分析降压斩波电路分析降压斩波电路工作原理工作原理 （1）t=0时刻驱动VT导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流i
5、o按指数曲线上升； （2）t=t1时刻控制VT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大 。Output voltage and current 输出电压电流输出电压电流Average load voltage of continuous conduction mode连续模式负载电压平均值连续模式负载电压平均值ton-On-state time (VT导通通时间)toff-Off-state time(VT关断关断时间)-Duty cycle(占空比占空比)Uo最大为E ，减小占空比 ，Uo随之减小。因此称
6、为降压斩波。Average load current of continuous conduction mode连续模式负载电流平均值连续模式负载电流平均值注：电流断续时，Uo被抬高，电机机械特性变软，一般不希望出现 。Control mode 控制方式控制方式Three control mode of a chopper- T is constant, ton is variable - PWM- ton is constant, T is variable frequency modulation- Both T and ton is variable, the duty cycle is
7、 variable hybrid modulation斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式:1) T不变，变不变，变ton - 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）2)ton不变，变不变，变T - 频率调制频率调制3)ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比 -混合型混合型 Quantitative analysis 定量分析定量分析VT is on-state, then assume the load current is i1, the equation is VT通通态期期间，设负载电流流为i1，可列出如下方程：，可列出如下方程：Initial current is Imi
8、n and =L/R, the solution of the equation is :电流初值为电流初值为Imin， =L/R，解上式得：，解上式得：VT is off-state, load current is i2:VT 关断期关断期间，设负载电流流为i2，可列出如下方程：，可列出如下方程：Initial current is Imax, the solution of the equation is :电流初值为电流初值为Imax， =L/R，解上式得：，解上式得：Quantitative analysisWhen the current is continuous:当电流连续时：
9、当电流连续时：解出解出Imin与与Imax：Solve the equations for Imin and ImaxwhereIn the solutions: Imin is the minimum instantaneous value of load current. Imax is the maximum instantaneous value of load current.Imin和和Imax 分分别是是负载电流瞬流瞬时值的最小的最小值和最大和最大值。Use Taylor series to approximate用泰勒级数近似用泰勒级数近似上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电
10、流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值趋于零，即L趋于无穷大，e用等价无穷小代替Lthen0Assume L is infinite, the load current Io is invariableL为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为Io不变不变The source supplies its power when VT is on-state电源只在电源只在VT处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为 :During the whole period T, the load is consuming the energy在整个周期在整
11、个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为: Ignore the loss, the energy supplied by the source is equal which has been consumed by the load忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等thenThe average load current is 电源电流平均值为电源电流平均值为I1I1 is no more than the IoI1小于等于小于等于Iothen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
12、器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The input power is equal to the output power, the buck chopper could be recognized as a transformer负载电流断续的情况： Imin=0，且t=tx时，i2=0,可求出tx为电流断续时，tx1，输出出电压高于高于电源源电压，故称，故称该电路路为升升压斩波波电路路升升压斩压斩波波电电路路 动画演示画演示Boost chopper升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因： 一是一是L储能之后具有使电压泵
13、升的作用；储能之后具有使电压泵升的作用； 二是电容二是电容C可将输出电压保持。可将输出电压保持。T/toff 升升压比，比，调节其大小即可改其大小即可改变Uo大小大小 和导通占空比 有如下关系因此，电压表达式变为：因此，电压表达式变为：In the former analysis, when the VT is on-state, the output voltage Uo is considered to be constant because of the capacitor C. But actually the C capacitor cant be infinite. There m
14、ust be a voltage drop in Uo, and the actual output voltage will be a little lower; 以上分析中，认为以上分析中，认为VT通态期间因电容通态期间因电容C的作用使得输出电压的作用使得输出电压Uo不变，但实际不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电必然会有所下降，故实际输出电压会略低；压会略低；Ignore the loss of the circuit, and the power from the source is consumed
15、 by the load totally.如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载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，即消耗，即: The same as the buck chopper, the boost chopper could be considered as a transformer.该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器The average output current is :输出电流的平均值输出电流的平均值Io为为 The source current is
16、 :电源电流电源电流I1为为升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用:1)是用于直流电动机传动；是用于直流电动机传动；2)是用作单相功率因数校正（是用作单相功率因数校正（PFC）电路；）电路； 3)是用于其他交直流电源中。是用于其他交直流电源中。用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源；实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态；此时电机的反电动势相当于电路图中的电源，而此时的直流电源相当于图中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。 2.4 Buck-boost chop
17、per 升降压斩波电路升降压斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值Assume L and C are large enough, the inductor current iL and capacitor voltage VT通通时，电源源E经VT向向L供供电使其使其贮能，此能，此时电流流为i1。同。同时，C维持持输出出电压恒定并向恒定并向负载R供供电。 VT断断时，L的能量向的能量向负载释放，同放，同时向向C充充电，电流流为i2。负载电压极性极性为上上负下正，与下正，与电源源电压极性相反，极性相反，该电路也称作反极性路也称作反极性斩波波电路。路。升
18、降压斩波电路升降压斩波电路 动画演示动画演示Derive the output voltage 推导输出电压推导输出电压In steady state, the integration of the inductor voltage uL of one period is zero.稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即When VT is on-state, uL=E; when VT is off-state, uL= - uO, then当当VT处于通态期间，处于通态期间，uL = E；而当；而当VT处于断态期间，处于
19、断态期间，uL = - uo。于是：。于是：所以输出电压为：所以输出电压为：改变占空比改变占空比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。By Changing the duty cycle, the output voltage could be higher or lower than the source voltage. When 0 1/2, it operates as a buck chop
20、per; when 1/2 1, it operates as a boost chopperThe source current is i1 and the load current is i2. The average source current is I1 and the average load current is I2. Ignore the current ripple.图中给出了电源电流图中给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为的波形，设两者的平均值分别为I1和和I2，当电，当电流脉动足够小时，有：流脉动足够小时，有：From the uppe
21、r formula:由上式可得：由上式可得： Ignore the loss in VT and VD如果如果VT、VD为没有损耗的理想开关时，则为没有损耗的理想开关时，则The output power must be equal with the input power, and the converter can be considered as a transformer.其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器2.5 Multi-Quadrant Chopper and multi-phase multi-channel chopper多象
22、限斩波器电路和多相多重斩波电路多象限斩波器电路和多相多重斩波电路Can be considered as a combination of a Buck and a BoostA current reversible chopper电流可反向斩波器电流可反向斩波器可以将这种斩波器看作是降压斩波器和升可以将这种斩波器看作是降压斩波器和升压斩波器的结合压斩波器的结合Can realize two-quadrant ( I & II) operation of DC motor: forward motoring, forward braking可以使直流电机在第一象限和第二象限内工可以使直流电机在
23、第一象限和第二象限内工作：正向驱动和正向制动作：正向驱动和正向制动二象限二象限斩斩波器正向波器正向驱动驱动 动动画演示画演示二象限二象限斩斩波器正向制波器正向制动动 动动画演示画演示Bridge chopper (four quadrant chopper)桥式斩波器桥式斩波器(四象限斩波器四象限斩波器)Can be considered as the combination of two current-reversible choppers.可以把这种斩波器看成是两个电流可反向斩波器的结合可以把这种斩波器看成是两个电流可反向斩波器的结合Can realize 4-quadrant oper
24、ation of DC motor可以使直流电机在四个象限工作可以使直流电机在四个象限工作Multi-phase multi-channel chopper多相多重斩波电路多相多重斩波电路Current output capability is increased due to multi-channel paralleling.由于多重并联输出，电流输出能力得以加强由于多重并联输出，电流输出能力得以加强Ripple in the output voltage and current is reduced due to multichannel paralleling.Ripple in th
25、e input current is reduced due to multi-phase paralleling.多重并联输出使输出电压和电流的纹波降低多重并联输出使输出电压和电流的纹波降低由于多相并联，输入电流的纹波得以降低由于多相并联，输入电流的纹波得以降低当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1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3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Summary 小结小结本章介绍了直流斩波电路中的3种简单结构：降压斩波电路、升压斩波电路及升降压斩波电路。 降压斩波电路和升压斩波电路均可组合成二象限或者四象限的复合型DC-DC变换电路。 本章最后介绍了降压斩波电路中对输入滤波器的设计。在给定输出条件的情况下，对于输入端滤波平波电抗器和电容器取值的要求。
