电力电子中文版 第3章 直流斩波电路

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。 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。
i1
ton
a) toff
IL
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 3-18
如图3-3c，当电枢电流断续时：
当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）
中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。 另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持 续的时间tx，即
1 me t x ln 1 m
to n
u
o
E
O i
o
t
i
1
iபைடு நூலகம்
2
I
O t
20
on
t
1
t
EI1ton (U o E ) I1toff
（3-20） （3-21）
化简得：U o
ton tof f T E E tof f tof f
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 tof f 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 b T b和的关系： b 1 （3-22） 因此，式（3-21）可表示为 U o
a) 电路图
iGE
0
io
I1
0
b) 波形
V处于断态时，电源E和电感 L同时向电容C充电，并向负 载提供能量。
图3-2 升压斩波电路及工组波形
3-11
3.1.2
数量关系
升压斩波电路
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
输出电流的平均值Io为：
Io Uo 1 E R b R
(3-25)
电源电流的平均值Io为：
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
(3-26)
3-13
3.1.2
升压斩波电路
2) 升压斩波电路典型应用
一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正（PFC）电路 三是用于其他交直流电源中
ton E E （3-41） T ton 1
3-19
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升降 压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。 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：
数量关系
同理：
V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。 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 2ton I1toff （3-46） t T ton I2 1 off （3-46） I1 ton ton
Uo
tx<toff 电流断续的条件： 输出电压平均值为： ton E (T ton t x ) EM Uo T 负载电流平均值为：
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
（3-17）
（3-18）
tx 1 ton ton t x E U o Em I o i1 d t i2 d t m 0 0 T T R R
V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2 回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，E—L1—C1—VD—负载回路 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）。
a) Sepic斩波电路
输入输出关系： 图3-6 Sepic 斩波电路和Zeta斩波电路 ton ton Uo E E E （3-49） toff T ton 1
L d i2 Ri 2 EM E dt
（3-29）
当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电 枢电流的平均值Io，即
I o m b E EM bE R R
（3-36）
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电 压看作是被降低到了bE。
3-15
3.1.2
升压斩波电路
（3-19）
3-9
3.1.2
升压斩波电路
升压斩波电路 （Boost Chopper） 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构
储存电能
保持输 出电压
3-10
3.1.2
工作原理
升压斩波电路
假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感 L充电，电流恒定I1，电容C 向负载R供电，输出电压Uo 恒定。
两种电路输出电压为正极性的。
3-24
本章小结
本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波 电路的工作原理，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，而开关 电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。
数量关系
降压斩波电路
电流连续
ton ton Uo E E E ton tof f T
负载电流平均值：
U o EM Io R
负载电压平均值：
（3-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
（3-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
3-6
3.1.1
t I1 on I2 t off
（3-42）
i1 IL t ton toff
toff 1 （3-43） i o I2 I1 I1 2 由上式得： IL ton
EI1 U o I 2
（3-44）
o
b)
t
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
3-20
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
x
t
off
2
t
t
T
c)
tx<t0ff
1 e b m 1 e
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
3-16
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
3-17
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
iG
O io t on T i1
a) 电路图
t off
t
i2 I 20 t1 t
I 10 O uo
E t
O iG t on
b)电流连续时的波形
t off
Tt t1 I 20
iG O io
O uo
t
x
i1 E
i2 t2
E
EM
t
O
t
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
c) 电流断续时的波形
3-5
3.1.1
降压斩波电路 （ Buck Chopper)
电路结构
续流二极管
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
3-4
3.1.1
工作原理
降压斩波电路
V E
L iG
io
R
VD u o
+
M EM
t=0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向 负载供电，负载电压uo= E，负 载电流io按指数曲线上升。
t=t1 时控制 V 关断，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。 通常串接较大电感 L 使负载电 流连续且脉动小。
3-7
3.1.1
降压斩波电路
同样可以从能量传递关系出发进行的推导
由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变
电源只在V处于通态时提供能量，为 EI oton
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT


一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。 E EM 2 EIoton RI o T EM I oT Io R

T
0
iC d t 0
（3-45）
优点（与升降压斩波电路相比）：
ton ton E E E toff T ton 1
（3-48）
输入电源电流和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。
3-22
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
电路结构
Speic电路原理
降压斩波电路
此种方式应用 最多
斩波电路三种控制方式
T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T —频率调制。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。
第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时 段线性电路的思想。
基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进 行解析。
分V处于通态和处于断态 初始条件分电流连续和断续
EI1 EI o U o I o
t on I1 I o I o T
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。
3-8
3.1.1
降压斩波电路
式（3-6）
负载电流断续的情况：
I10=0，且t=tx时，i2=0
式（3-7）