电力电子技术之第3章 斩波

Em I1ton
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V断时，E和L 断时， 和 断时 共同向E供电。 共同向 供电。设V 供电 断的时间为t 断的时间为 off，供 电电流恒为I 电电流恒为 2 ，则 此期间电感L释放 此期间电感 释放 能量为： 能量为：
(E
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− E m )I 2 t off
U o − EM Io = R
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（5-55） ）
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电流断续的工作情况： 电流断续的工作情况： 较长时， 当 toff 较长时， 电感能量在t 电感能量在 off 时 间结束前释放完， 间结束前释放完， i2 = 0而 uo=Em 。 而 电流断续时， 电流断续时， Uo被抬高，一般 被抬高， 不希望出现。
uL d t = 0 （3-39） 当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。 于是： （3-40） E ⋅ ton = Uo ⋅ toff 所以输出电压为：
∫
T
0
Uo =
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ton t α E = on E = E toff T − ton 1−α
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（3-41）
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■
升降压斩波电路
改变导通比 α ，输出电压既可以 比电源电压高，也可以比电源电 压低。当0<α <1/2时为降压，当 1/2<α <1时为升压，因此将该电 路称作升降压斩波电路。也有文 献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter） 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
L1 C L2 i1 L1 B E V VD uo R E uB a) b) C uC S uA A uo R L2 i2
图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
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a） 电路图
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b） 等效电路
■
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Cuk斩波电路 斩波电路
稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也 就是其对时间的积分为零，即
工作原理： 工作原理：
t=0 时 刻驱动 V 导通 ， 导通 电源E向负载供电，负 载电压u 载电压 o=E， 负载电流 ， io按指数曲线上升。 按指数曲线上升。 t=t1 时刻控制 关断 ， 时刻控制V关断 关断， 负载电流经二极管VD续 负载电流经二极管 续 负载电压u 流 ， 负载电压 o 近似为 零 ， 负载电流呈指数曲 线下降。 线下降 。 通常串接的电 值较大,使负载电流 感 L值较大 使负载电流 值较大 连续且脉动小。 连续且脉动小。
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——升压比 调节其大小即可改变E 升压比， T / t off 升压比，调节其大小即可改变 的大小关系。 升压比的 倒数记作 与 Em 的大小关系 。 将 升压比 的 倒数 记作 β ， t off 即 β = T β和导通占空比α有如下关系： 有如下关系： （5-65） ） α + β =1 因此，式（5-64）可表示为 因此， ） 1 1 E = Em = Em （5-66） ） β 1 −α 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 是L储能之后具有使电压泵升的作用 储能之后具有使电压泵升的作用
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斩波电路三种控制方式 T不变，变ton —脉冲调宽 不变， 脉冲调宽 不变 脉冲 ton不变，变T —调频 不变， 调频 ton和T都可调，改变占空比 混合调 都可调， 都可调 改变占空比—混合调 制
ton T
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3.1.1降压斩波电路 降压斩波电路
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■
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
Zeta斩波电路的输入输出关系为： α Uo = E （3-50）
1−α
两种电路相比，具有相同的输入输出关系。 Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于 输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流 均是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比， 这里的两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关 系相同。
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■
复合斩波器
降压斩波器
升压斩波器
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3.2.复合斩波电路 复合斩波电路
3.2.1 电流可逆斩波电路： 电流可逆斩波电路： V2保持断， 1保持断， V1通，E向L和 ， E向 续流 VD向和 L的 的 供 2断 M与L供 1续流， L向 L储能。 储能。 供电。 电， 储能 E向EM供电。 ， 供电。 感应电势叠加， 感应电势叠加 M供电。 导通， 使VD2导通，向 E供电。 供电。 供电 V1 和 VD1 构成降压斩波电路 ， 由电源向直流电动机 构成降压斩波电路， 供电，电动机为电动运行 供电，电动机为电动运行 V2 和 VD2 构成升压斩波电路 ， 把直流电动机的动能 构成升压斩波电路， 转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行 转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行
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o
i2 IL
t
o
b)
t
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 12
■
升降压斩波电路
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 即 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，
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电流断续 时的工作情况： 时的工作情况：
较长时， 当 toff 较长时， 电感能量在t 电感能量在 off 时 间结束前释放完， 间结束前释放完， i2 = 0而 uo=Em 。 而
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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
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■
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
i1 L1 C1 uC1 E V i2 L2 C2 uo R E VD V i1 L1 VD C2 uo R C1 L2
a)
b)
图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路
图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。 Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E—L1—V回路 和C1—V—L2 回路同时导电，L1 和L2 贮能。V处于断态时，E—L1— C1—VD—负载（C2 和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，此 阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于 通态时向L2转移。
第三章 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 也称为直接直流 直流变换器 也称为直接直流--直流变换器 直流 一般是指直接将直流电变为另一直流电， 一般是指直接将直流电变为另一直流电 ， 不包括直流—交流 交流—直流 不包括直流 交流 直流 习惯上， 变换器包括以上两种情况， 习惯上，DC—DC变换器包括以上两种情况， 变换器包括以上两种情况 且甚至更多地指后一种情况 直流斩波电路的种类 降压斩波电路、升压斩波电路、复合斩波 降压斩波电路、升压斩波电路、复合斩波 斩波电路 斩波电路 电路
∫
T
0
iC d t = 0
（3-45）
在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于 通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开 关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电 流和时间的乘积为I1 toff。由此可得
I 2 t on = I 1 t off
（3-46）
从而可得
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t T − t on I2 1−α = off = = I1 t on t on α
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（3-47） 17
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Cuk斩波电路 斩波电路
当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出 电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出。当开关 S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA= - uC；相反， 当S合到A点时，uB= uC，uA=0。因此，B点电压uB的平 均值为 U B
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3.1.2 升压斩波电路
图中E 图中 1<E2 、 Em<E 。 升压斩波电路是 要将低电位电动势的 电能， 电能，送到高电位上 去。
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工作原理： 工作原理： 假设L值很大。 假设 值很大。 值很大 V通时，E向L充电， 通时， 向 充电 充电， 通时 充电电流恒为I 充电电流恒为 1，设V 通的时间为t 通的时间为 on，此阶段 L上积蓄的能量为： 上积蓄的能量为： 上积蓄的能量为
1. 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。
V i1 E uL i2 VD IL L C uo R
a) i1 IL ton toff
基本工作原理
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。
t on I1 = I2 t off
V i1 E uL i2 VD IL L C uo R
a) i1 IL ton toff
o
i2 IL
t
o
b)
t
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
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（3-42）
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■
升降压斩波电路
由上式可得：
I2 = toff 1−α I1 = I1 ton α
（3-43）
如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则 （3-44） 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
EI1 = U o I 2
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■

Cuk斩波电路 斩波电路
2. Cuk斩波电路 斩波电路
所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路 斩波电路的原理图及其等效电路。 图3-5所示为 所示为 斩波电路的原理图及其等效电路 V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流 输出电压的极性与电源电压极性相反 等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换
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■
Cuk斩波电路 斩波电路
于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：
Uo = t on t α E = on E = E toff T − ton 1−α
（3-48）
这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。 优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和 优点 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。
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稳态时，一个周期 中 积蓄能量与释放能 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能 量相等。 量相等。
Em I1ton = (E − Em )I 2toff
并：
I1 ≈ I 2
化简得： 化简得：
ton + toff T E= Em = Em toff toff
（5-64） ）
输出电压高于电源电压， T / toff ≥1 输出电压高于电源电压，故称 该电路为升压斩波电路。 该电路为升压斩波电路。 升压斩波电路
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数量关系 电流连续时， 电流连续时，负载电压平均值
ton ton Uo = E= E = αE ton + toff T
ton—V通的时间 通的时间
（5-45） ）
toff—V断的时间 断的时间
α —导通占空比 导通占空比
Uo最大为Ε ，减小占空比α，Uo随 最大为Ε 降压斩波电路。 之减小。因此称为降压斩波电路 之减小。因此称为降压斩波电路。 负载电流平均值
= t off U T
C
（UC为电容电压uC的平均值），又
E =UB =
ton UC T
因电感L1的电压平均值为零，所以 方面，A点的电压平均值为
Uo =
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t off U C。另一 T
UA = −
，且L2的电
压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有
t on UC 。 T
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V1通 V2通
i > 0电动 电动
i < 0再生制动 再生制动
V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机 构成降压斩波电路， 供电，电动机为电动运行 供电，电动机为电动运行 V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能 构成升压斩波电路， 转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行 转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行