1、3-1第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路3-2第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言直流斬波電路（DC Chopper）v將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。v也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。v一般指直接將直流電變為另一直流電，不包括直流交流直流。 電路種類v6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。v復合斬波電路不同結構基本斬波電路組合。v多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合。3-33.1 基本斬波電路基本斬波電路3-43.1.1 降壓斬波電路降壓

2、斬波電路 電路結構 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續流二極管負載出現的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)3-53.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖3-1 降壓斬波電路得原理圖及波形vt=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線

3、上升。vt=t1時控制V關斷，二極管VD續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。v通常串接較大電感L使負載電流連續且脈動小。v動畫演示。3-63.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路數量關系數量關系v電流連續 負載電壓平均值：EETtEtttUonoffonono（3-1）REUIMoo（3-2）tonV通的時間通的時間 toffV斷的時間斷的時間 a-導通占空比導通占空比v 電流斷續，Uo被抬高，一般不希望出現。 負載電流平均值：3-73.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調制。 ton和T都可調

4、，改變占空比混合型。此種方式應用最多 第2章2.1節介紹過：電力電子電路的實質上是分時段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。分V處于通態和處于斷態初始條件分電流連續和斷續降壓斬波電路降壓斬波電路3.1.1l 基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析V為通態期間通態期間，設負載電流為i1，可列出如下方程：EERitiLM11dd（3-3）設此階段電流初值為I10， =L/R，解上式得tteREEeIi1101M（3-4）tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t

5、2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiGV為斷態期間斷態期間，設負載電流為i2，可列出如下方程：0ddM22ERitiL（3-5）設此階段電流初值為I20，解上式得：tteREeIi1202M降壓斬波電路降壓斬波電路3.1.1（3-6）REmeeREREeeITt1111M/101REmeeREREeeITt1111/201M/TEEm/MTTtt11/式中:；)(2210tiI)(1120tiI（3-7）（3-8）此時，由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出：；REmeeREREeeITt1111M/201REmeeREREeeITt1111M/101（3-9 ）（3

6、-10）用泰勒級數近似o2010IREmII（3-11）上式表示了平波電抗器L為無窮大，負載電流完全平直時的負載電流平均值Io，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。降壓斬波電路降壓斬波電路3.1.13-113.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路TIETRIoM2o同樣可以從能量傳遞關系出發進行的推導v 由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變v 電源只在V處于通態時提供能量，為v 在整個周期T中，負載消耗的能量為onotEI輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1I

7、ITtIooo1IUEIEI3-123.1.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 負載電流斷續的情況：負載電流斷續的情況： I10=0，且t=tx時，i2=0式（3-7）式（3-6）memt)1 (1lnx（3-16）tx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數記作b ，即。 b和的關系：因此，式（3-21）可表示為 off/tT1bEEUb111oTtoffb（3-23）（3-22）3-163.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 ： 。 （3-24）

8、 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo(3-25)電源電流的平均值Io為：REIEUI2oo11b(3-26)3-173.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路2) 升壓斬波電路典型應用一是用于直流電動機傳動二是用作單相功率因數校正（PFC）電路三是用于其他交直流電源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖3-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續時 c） 電流斷續時v用于直流電動機傳動 再生制動

9、時把電能回饋給直流電源。 電動機電樞電流連續和斷續兩種工作狀態。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯電容器。 動畫演示。3-183.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路數量關系v當V處于通態時，設電動機電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL(3-27)v當V處于斷態時，設電動機電樞電流為i2，得下式：EERitiLM22dd（3-29）v當電流連續時，考慮到初始條件，近似L無窮大時電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM（3-36）v該式表明，以電動機一側為基準看，可將直流電源電壓看作是被降低到了 。Eb3-193.1.2 升壓斬波電路升壓斬波電路v如圖3-3c，當電樞電流斷續時：

10、當t=0時刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，進而可寫出 i2的表達式。另外，當t=t2時，i2=0，可求得i2持續的時間tx，即圖3-3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形mmett11lnonxbeem11-電流斷續的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI203-203.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結構3-213.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路基本工作原理a)otb)oti1

11、i2tontoffILIL圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形vV通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。vV斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。v動態演示。3-223.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路數量關系穩態時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d（3-39）所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V處于通態uL = EV處于斷態uL = - uooffoontUtE

12、（3-40）3-233.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路v圖3-4b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43） 結論v當0a 1/2時為降壓，當1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。v其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL兩邊同乘E3-243.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路2)

13、Cuk斬波電路斬波電路V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流。V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路3-253.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路數量關系Tti0C0d（3-45）vV處于通態的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-46）當電容C具夠大時，

14、電容電壓uc脈動足夠小，這樣有：ABV開通時，uB=0,uA=-uc;V關斷時，uB= uc,uA=0;一周期內，電感L1、L2上電壓平均值為0。 UB=E，UA=U0；3-263.1.3升降壓斬波電路和升降壓斬波電路和Cuk斬波電路斬波電路 又一個周期內： 優點優點（與升降壓斬波電路相比）：v輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進行濾波。EEtTtEttU1ononoffono（3-48）ABConACoffBUTtUUTtU,從而有：3-27b) Zeta斬波電路3.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路a) Sepic斬波電路圖3

15、-6 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路電路結構Speic電路原理vV通態，EL1V回路和C1VL2回路同時導電，L1和L2貯能。vV斷態，EL1C1VD負載負載回路及L2VD負載負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態時向L2轉移）。v輸入輸出關系：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）3-28Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路3.1.4Sepic斬波電路的基本工作原理：當V處于通態時，EL1V回路和C1VL2回路同 時導電，L1和L2貯能。V處于斷態時，EL1C1VD負載（C2和R）回路及L2VD負載回路

16、同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電，C1貯存的能量在V處于通態時向L2轉移。Sepic斬波電路的輸入輸出關系由下式給出：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）01UTtUTtUoffConA 1CAUu 0UuA 02 LAUUEUC 1穩態時一周期內A點平均電壓：A3-293.1.4 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路Zeta斬波電路原理vV處于通態期間，電源E經開關V向電感L1貯能。vV關斷后，L1VDC1構成振蕩回路， L1的能量轉移至C1，能量全部轉移至C1上之后，VD關斷，C1經L2向負載供電。v輸入輸出關系：圖3-6 Sepic

17、斬波電路和 Zeta斬波電路EU1o（3-50）相同的輸入輸出關系。Sepic電路的電源電流和負載電流均連續，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續的。兩種電路輸出電壓為正極性的。 b) Zeta斬波電路Zeta斬波電路也稱雙Sepic斬波電路 V通態：EVL1 ，EVC1L2R 電感L1、L2儲能，電容C1釋放能量 V斷態：L1VDC1，L2RVD 電感L1、L2釋放能量，電容C1儲能穩態時一周期內A點平均電壓：由于一周期內電感電壓為零,即從而有：EEttUoffon 1001CoffonAUTtETtUEuA 1CAUu 0 AU01UUC 00 UTtETtoffonSepic斬波電路和斬

18、波電路和Zeta斬波電路斬波電路3.1.4A3-313.2復合斬波電路和多相多重斬波電路復合斬波電路和多相多重斬波電路3-323.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路復合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成 多相多重斬波電路相同結構的基本斬波電路組合構成 v斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。v降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。v升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。v電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波

19、電路3-33ttb)uoioiV1iD1iV2iD23.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路電路結構a) 電路圖vV1和VD1構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。vV2和VD2構成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。v必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。工作過程（三種工作方式)v第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。v當一種斬波電路電流斷續而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。v電路響應很快。圖3-7 電流可逆斬波電路及波形3-343.2.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。圖3-8 橋式可逆斬波電路 使V4保持通時，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。 使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，