电力电子技术_洪乃刚_第4章直流_直流变换直流斩波器

Ton U C1 E E T 在D截止时， Toff U C1 U d (1 )U d T
因此有：
E (1 )U d
Ud E 1
（4.19）
式4.19与Buck-Boost电路的式4.18完全相同， 路与Buck-Boost电路的降压和升压功能一样， 但是Cuk斩波电路的电源电流和负载电流都是 连续的，纹波很小，Cuk斩波电路只是对开关 管和二极管的耐压和电流要求较高。
(图4.5.2c)。
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4.3Fra Baidu bibliotek直流升降压斩波电路 4.3.1 Buck-Boost 降压－升压斩波电路 4.3.2 Cuk升降压斩波电路 4.3.1 Buck-Boost 降压－升压斩波电路 直流降压－升压斩波电路(Buck-Boost Chopper) ,电路如图4.6a :
该电路有两种工作状态: 状态一 开关T导通（图4.6b） :
模式1（图4.11a） 模式2（图4.11b）: 在模式1和2时，电流的方向是从A→B，电动 机正转，设T1、T3导通时间为Ton,关断时间为 Toff。在T1导通时A点电压为＋E, T3导通时B 式中：占空比 点电压为-E,因此AB间电压 :
Toff Ton Ton T Ton 2Ton Ud E E E( 1) E E T T T T T
将式4.17代入式4.16，可得：
Ud E 1
（4.18）
从式4.18可知，当0≤α≤0.5时，Ud<E,在 0.5≤α<1时，Ud>E,因此调节占空比α，电 路既可以降压也可以升压． 4.3.2 Cuk升降压斩波电路 上节Buck-Boost型斩波电路中，负载与电容 并联，实际电容值总是有限的，电容不断充 放电过程的电压波动，引起负载电流的波 动，因此Buck-Boost斩波电路输入和输出端 的电流脉动量都较大，对电源和负载的电磁 干扰也较大,为此提出Cuk电路（图4.8a）
（4.20）
式中：占空比
＝
2Ton 1 T
模式3（图4.11c） 模式4（图4.11d） 模式3和4是电动机反转情况。 如果α从1→－ 1逐步变化，
则电动机电流id从正逐步变到负 变化过程中电流始终是连续的，这是双极性 斩波电路的特点。即使在α＝0时，Ud＝0，电 动机也不是完全静止不动，而是在正反电流作 用下微振，电路以四种模式交替工作（图 4.12c）。
did 0 L Rid (4.4) dt 以i d 初始值为 20， I 解方程可得 i d i D I 20 e
t Ton

(4.5)
id波形如图4.1c ，当每个导通周期有I10＝I30， I20＝I40，电路进入稳定状态。在占空比α较大 时，较小的电感L就可以使电流连续,且电流电流 连续时，电流的脉动很小，可以认为电流id不变。 在占空比α较小时，电感储能不足，仍会出现电 流断续(图4.1e,f)。 如果在负载R上并联电容，则相当于增加了电容 滤波。在电容很大时，负载侧电压可视为恒值， 但实际电容都是有限制的，负载侧电压仍会有 脉动。
第4章 直流/直流变换－直流斩波器
• • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 直流降压斩波电路 直流升压斩波电路 直流升降压斩波电路 桥式直流斩波调压电路 斩波电路的驱动控制 直流斩波电路的仿真
4.1 直流降压斩波电路
直流降压斩波电路（Buck Chopping） 图4.1a,
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• 二 反电动势负载 反电动势负载以直流伺服电动机为例(图 4.2a) ,在占空比较大，电流连续时的波形与 阻感负载图4.1c,d 相同，但T导通时的电路方 程为：
did EL Rid E M (4.6) dt t t E EM id iT I 01e (1 e ) R
占空比为α， 可得：
Ton T
设 i I Et L 01
L I 02 I 01 E T L
( 4.1 1 ) ( 4.1 2)
状态二 由：
在T关断时，二极管D导通：
diL E U d L dt
设：
iL
t Ton
I 02
D导通时间为（t-Ton）,可得：
E Ud i L I 02 (t Ton ) L E Ud I 01 I 02 (1 )T L
馈制动状态，ud=uAB =E。
不管何种情况，一周期中负载电压ud只有正
半周（图4.14b），故称为单极式斩波控制。 因为单极式控制正转时T3恒通，反转时T2恒 通，单极式可逆斩波控制的输出平均电压 为：
Ton Ud E E T
（4.21）
且Ton，在正转时是T1的导通时间，在反转 时是T4的导通时间，在正转时Ud为“＋”， 反转时Ud应为“－” .
ud=EM ，
平均电压 Ud较电流连 续时要抬高（图4.15）， 即电动机轻载时转速 提高，机械特性变软 .
4.5斩波电路的驱动控制 PWM的驱动信号一般都采用锯齿波或三 角波与脉宽控制信号Uct比较的方法产生 原理如图4.16a,在锯齿波或三角波大于或 小于Uct时，产生输出脉冲信号，调节Uct大 小可以调节脉冲宽度（图4.14b）。
一 电阻和电感负载
二 反电动势负载
一 电阻和电感负载:图4.1b t=0时 IGBT导通 导通时ud＝E。 t=toff时 IGBT关断 关断时电感L经二极管D续流
ud＝0，ud波形如图4.1d,
输出平均电压：
Ton Ton Ud E E E Ton Toff T
(4.1)
式中：T为开关周期；为占空比，或称导通 比。改变占空比α，可以调节直流输出平均 电压的大小。因为α≦1， Ud≦E，故该电路 是降压斩波。 在IGBT导通区间有电流id经 E+→IGBT→L→R→E-,而二极管D截止，可 列电路电压方程为：
开关T导通时，如果电感电流是连续的，则电流 从T导通时的I01上升（图4.7.1b），如果电流 是断续的，电感电流则从0上升（图4.7.2b）， 终止电流I02同式4.12。
状态二 开关T关断（图4.6c）
开关T关断时，电感电流iL从T关断时的I02下降， 电感L释放储能，电容储能。如果在状态一时， 电感储能不足，I02不够大，不能延续到下次T 导通，电感电流就断续（图4.7.2b）。
(4.13) (4.14)
在电路稳定后，联解式4.12和式4.14，可得 E （4.15） Ud
1
当占空比α越接近于1，Ud越高，因为在T关 断区间，电容C在电源E和电感反电动势eL 的 共同作用下充电：
uc u d E L diL dt
图3.5.1是占空比较大，负载也较大，电流iL 连续时(图3.5.1g)电路各点电压电流波形。如 果占空比较小，负载较轻（R较大），电流iL 就出现断续现象（图4.5.2g）,但是负载电流 iR仍可以是连续的，因为ud可以是连续的
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返回 三 受限单极式斩波 控制 在单极式斩波控制中， 正转时T4导通的时间 很少；反转时T1导通 的时间很少，因此可 以在正转时使T4、 T2恒关断；在反转时 使T1、T3恒关断， 这就是所谓的受限单 极式斩波控制方式。
受限单极式斩波控制在正转和反转电流连续 时的工作状态与单极式控制相同 正转轻载时(电流较小)，没有了反电动势EM 经过T4的通路， id断续. 断续区
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在电路稳定时，如果电容储能足够大，负载电
压不变ud=Ud，在T导通时（模式一），
uL=E, iL的终止电流I02为； E
I 02 I 01 L
T
（4.16)
在T关断时（模式二）， uL =Ud, iL的终止电流 I02为;
I 01 I 02 Ud (1 )T L
（4.17）
R
(4.10)
在占空比较小时id会断续（图4.2c) ，电流 断续后，机械特性上翘特性变软(图4.3) ，
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4.2 直流升压斩波电路 直流升压斩波电路(Boost Chopping) 图4.4 电路有两种工作状态。 状态一 在开关管T导通时 ： diL 在T导通时：E L dt iL t 0 I 01 设 开关管IGBT的导通时间为Ton
(4.7)
在T关断时：
did 0L Rid E M (4.8) dt 以id 初始值为I 20， 解方程可得 id i D I 20 e
t Ton

在电流连续时忽略电流的脉动，则：
EM (1 e R
t Ton

)
(4.9)
U d E Id
：
E E M
di d EL Ri d dt
( 4 .2 )
设i d 初始值为I 01， R , 解方程4.2可得 L t t E i d i T I 01e (1 e ) (4.3) R
该区间id从0或I01上升，电感储能。当t=toff 时id达到I20 ，同时IGBT关断。在IGBT关断期 间，电感L经电流R和二极管D续流，可得这时 的回路电压方程为 ：
半桥式电流可逆斩波电路
４.４.２全桥式可逆斩波电路 (H型斩波路) 电路如图4.10。 半桥式电流可逆斩波电路桥式斩波电路有三种 驱动控制方式 一 双极式斩波控制 控制方式是：T1、T3和T2、T4成对作 PWM控制， 并且T1、T3和T2、T4的驱动脉冲工作在 互补状态（图4.10）． 双极式斩波控制有正转和反转两种工作状态、 四种工作模式（图4.11） 对应的电压电流波形如图4.12。
SG3525脉冲发生电路。
1. SG3525的输入电源电压UCC1为8～35V， 片内基准电压用于产生5.1V片内电源，供片内 电路，并带有欠电压保护功能。 2.振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源 和外接充放电电容CT组成。作用是使外接电容 CT恒流充电，构成锯齿波的上升沿，由比较器 接通放电电路，形成锯齿波的下降沿。 锯齿波的上升时间为： t1 0.7RT CT （4.22） 锯齿波的下降时间为： t 2 3RT CT （4.23）
在T关断时，电感L1电流iL1要经二极管D续
流，在这同时L2要经二极管D释放储能，如 果L2储能较大，L2的续流将维持到下一次T 的导通（图4.8c）。如果L2储能较小，续流 在下一次T导通前就结束，电流iL2断续，负 载R由电容C2放电维持电流（图4.8d）。 在在二极管D导通时，电容C1的平均电压 ：
Cuk斩波电路只有一个开关器件T， 电路有两种工作模式。 模式一 开关T导通（图4.8b） 开关T导通时（Ton=αT）,电源E经L1和开关T短路， iL1线性增加，L1储能，与此同时，电容C1经开关T 对C2和负载R放电，并使电感L2电流增加，L2储能。 在这阶段中，因为C1释放能量，二极管被反偏而处 于截止状态。 模式二 开关T截止（图4.8c、d） 开关T关断时Toff=(1-α)T，根据电感L2电流的情况， 又有电流iL2连续和断续两种状态。
双极式可逆斩波控制，四个开关器件都工作 在PWM方式，在开关频率高时，开关损耗较 大，并且上下桥臂两个开关的通断，如果有 时差，则容易产生瞬间同时都导通的“直通” 现 象，一旦发生直通现象，电压E将被短路这是 很危险的。为了避免直通现象，上下桥臂两 个开关导通之间要有一定的时间间隔，即留 有一定的“死区”。
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二 单极式斩波控制 在正转T1关断时，因为T3恒通，电感L要经 EM→T3→D4形成回路（图4.13a），电感的
能量消耗在电阻R上，ud=uAB =0。在D4续 流时，尽管T4有驱动信号，但是被导通的D4 短接，T4不会导通。但是电感续流结束后 （负载较小情况），D4截止，T4就要导通， 电动机反电动势EM将通过T4和D3形成回路 （图4.13b）.在t=T时，T4关断，电感L将经 D1→E→D3放电（图4.13c），电动机处于回
图4.8
Cuk斩波电路
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4.4 桥式直流斩波调压电路 ４.４.１半桥式电流可逆斩波电路 ４.４.２全桥式可逆斩波电路 ４.４.１半桥式电流可逆斩波电路 半桥式电流可逆斩波电路直流电动机负载的 电路如图4.9a。下面就电动机电动和制动 两种状态进行分析 ： 一 电动状态（图4.9b） 二 制动状态（图4.9c）