第3章 直流斩波电路

第3章
直流斩波电路
第3章
直流斩波电路
3.1 3.2
基本斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路
2
第3章
直流斩波电路
直流斩波电路（ 直流斩波电路（DC Chopper）
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。 也称为直流--直流变换器（ Converter） 也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。 直流--直流变换器 一般指直接将直流电变为另一直流电 不包括直流—交流 交流— 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流 交流 直接将直流电变为另一直流电， 直流。 直流。
负载电流平均值： 负载电流平均值：
Uo − EM Io = R
（3-2）
7
3.1.1
降压斩波电路
此种方式应用 最多
斩波电路三种控制方式
不变， 脉冲宽度调制（ T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）。 脉冲宽度调制 PWM） 不变， 频率调制(PFM) ton不变，变T —频率调制(PFM)。 频率调制(PFM)。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。 都可调，改变占空比 混合型。 混合型
10
（3-18） 18）
（3-19） 19）
3.1.2
升压斩波电路
升压斩波电路（ Chopper） 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
11
3.1.2
工作原理 假设L 假设L和C值很大。 值很大。
升压斩波电路
V处于通态时，电源E向电感 处于通态时 电源E 通态 充电，电流恒定I 电容C L充电，电流恒定I1，电容C 向负载R供电，输出电压U 向负载R供电，输出电压Uo 恒定。 恒定。 V处于断态时，电源E和电感 处于断态时 电源E 断态 同时向电容C充电， L同时向电容C充电，并向负 载提供能量。 载提供能量。
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk
9
3.1.1
I10=0，且t=tx时，i2=0 =0，
降压斩波电路
式（3-6） 式（3-7）
负载电流断续的情况： 负载电流断续的情况：
1− (1− m)e−αρ tx =τ ln 16） （3-16） m
tx<toff
电流断续的条件： 电流断续的条件：
eαρ −1 m> ρ e −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 同样可以从能量传递关系出发进行的推导 能量传递关系
为无穷大， 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， 电源只在V处于通态时提供能量，为 EIoton
2 在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o T + EMIoT
(
EI1ton = (U o − E ) I1toff
（3-20） 20） （3-21） 21）
化简得：Uo = 化简得：
ton + toff T E= E toff toff
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 >1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 升压斩波电路 toff 升压比； 升压比 。 T /toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 β = T b和a的关系： α + β = 1 的关系： 22） （3-22） 1 1 因此， 21） 因此，式（3-21）可表示为Uo = E = 23） E （3-23） β 1−α
电路结构
降压斩波电路
全控型器件 若为晶闸管， 若为晶闸管， 须有辅助关断电 路。 负载 出现 的反 电动 势
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。 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 拖动直流电动机 蓄电池负载
5
3.1.1
工作原理
降压斩波电路
V
L
io
R
E
iG
+
VD
负载电流呈指数曲线下降。 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。 流连续且脉动小。
iG O io ton T i1 I10 O uo E t i2 I20 t1 t
a)
toff
电路图
t
O iG iG O io O uo O ton i1 E t1
b)电流连续时的波形 b)电流连续时的波形
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
18
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk
基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使 通时，电源E 其贮能， 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。 负载R供电。 V断时，L的能量向负载释放， 断时， 的能量向负载释放， 电流为i2。负载电压极性为 上负下正， 上负下正，与电源电压极性 相反，该电路也称作反极性 相反， 斩波电路。 斩波电路。
数量关系
升压斩波电路
得下式： 当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式： 处于通态时 通态 d i1 (3(3-27) L + R 1 = EM i dt 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： 处于断态时 得下式： 断态
L d i2 + Ri2 = EM − E dt
（3-29） 29）
当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电 电流连续时 考虑到初始条件，近似L 枢电流的平均值I 枢电流的平均值Io，即 E EM − βE 36） Io = (m − β ) = （3-36）
R R
该式表明，以电动机一侧为基准看， 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βE 。
16
3.1.2
升压斩波电路
如图3 3c，当电枢电流断续时： 如图3-3c，当电枢电流断续时： =0，令式（ 31） =0时刻 当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31） =0即可求出 中I10=0即可求出I20，进而可写出
u
i2的表达式。 的表达式。
另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2 另外， =0， 持续的时间tx，即
∫
V处于通态 uL = E
T
0
uL dt = 0
（3-39） 39）
E ⋅ ILton =Uo ⋅ ILtoff
（3-40） 40）
V处于断态 uL = - uo
所以输出电压为： 所以输出电压为： Uo =
20
ton ton α 41） E= E= E （3-41） toff T − ton 1−α
UGE
0
a)
电路图
io
I1
0 b) 波形
图3-2 升压斩波电路及工组波形
12
3.1.2
升压斩波电路
数量关系 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Uo − E)I1toff 稳态时， 积蓄能量与释放能量相等： 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
3
3.1
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
基本斩波电路
降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 斩波电路和Zeta
4
3.1.1 降压斩波电路 （Buck Chopper)
第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时 2.1节介绍过 节介绍过： 段线性电路的思想。 基于“分段线性”的思想， 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进 行解析。 行解析。
分V处于通态和处于断态 处于通态和处于断态 通态和处于 初始条件分电流连续和 初始条件分电流连续和断续 电流连续
8
3.1.1
uo
M
EM
t=0 时刻驱动 V 导通 ， 电源 E 向 时刻驱动V 导通， 负载供电， 负载供电 ， 负载电压 uo=E ， 负 按指数曲线上升。 载电流io按指数曲线上升。 t=t1 时控制 V 关断 ， 二极管 VD 关断， 二极管VD 续流， 近似为零， 续流 ， 负载电压 uo 近似为零 ，
电路种类
种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 6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、 Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和 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 斩波电路。 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。 复合斩波电路 不同结构基本斩波电路组合。 不同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合 。 相同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构
a)
i 1 IL
t on
t off
o
i 2 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
19
3.1.3升降压斩波电路和Cuke斩波电路 3.1.3升降压斩波电路和Cuke斩波电路 升降压斩波电路和Cuke
数量关系
对时间的积分为零， 稳态时， 内电感L 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
Uo 1E Io = = R βR
(3(3-25)