电力电子第3章 直流斩波电路

3-14
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：
L
d i1 dt
Ri1
EM
(3-27)
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
L
d i2 dt
Ri2
EM
E
（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
Io
m
bE
R
EM
R
bE
（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
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
数量关系
电路
同理：
T
0 iC d t 0
（3-45）
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）
I 2 toff T ton 1
I1 ton
ton
（3-46）
电路结构
3-17
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波 基本工作原理 电路
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。
a)
i1 ton
toff
V断时，L的能量向负载释放， IL
电流为i2。负载电压极性为上 负下正，与电源电压极性相
o
i2 IL
t
反，该电路也称作反极性斩 波电路。
d
t
ton T
tx
m E R
Uo Em R
（3-19）
3-9
升压3斩.波1电.2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 升压斩波电路
工作原理
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。
Uo
ton toff
E ton T ton
E 1
E
（3-48）
优点（与升降压斩波电路相比）：
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
电路结构
电路
Speic电路原理
V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2
式（3-6） 式（3-7）
tx
1 (1 m)e
ln
m
（3-16）
tx<toff
电流断续的条件： 输出电压平均值为：
m
e 1 e 1
（3-17）
Uo
ton E
(T
ton T
负载电流平均值为：
tx )EM
1
ton tx T
mE
（3-18）
Io
1 T
to 0
n
i1
d
t
tx 0
i2
to n
tx
ln
1 me 1 m
tx<t0ff
u
o
E
O
t
i
o
i
i
1
2
I
20
O
t
on
tt
t
1
x
2
t
t
off
T
c)
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
1 eb m 1 e
--------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)
输出电流的平均值Io为：
Io
Uo R
1
b
E R
电源电流的平均值Io为：
I1
Uo E
Io
1
b2
E R
3-13
(3-25) (3-26)
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
用于直流电动机传动
再生制动时把电能回馈
（3-22）
因此，式（3-21）可表示为 U o
1
b
E 1
1
E
（3-23）
3-12
3.1.2 升压斩波电路
电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用
电容C可将输出电压保持住
如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R
消耗，即 ： EI1 Uo Io 。
（3-24）
与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。
a)
给直流电源。
uo
E
uo
E
电动机电枢电流连续和
O
t
O
t
断续两种工作状态。
i
i1
i2
io
直流电源的电压基本是 恒定的，不必并联电容
I
I
20
I
10
10
i1
i2
I20
O
t on
toff
T
t
O
ton
t1 t x t2
t
toff
T
器。
b)
c)
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
动画演示。
a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
3-26
3.2.1 电流可逆斩波电路
电路结构
V1和VD1构成降压斩波电路，电动机 为电动运行，工作于第1象限。
V2和VD2构成升压斩波电路，电动机 作再生制动运行，工作于第2象限。 uo
a) 电路图
必须防止V1和V2同时导通而导致的电
t
源短路。
io iV1
iD1
工作过程（三种工作方式)
iD2
iV2
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
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 EIoton
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM IoT
t
b)
图3-7 电流可逆斩波电路及波形
第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压
斩波电路工作。
当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作， 让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。
3-3
3.1.1 降压斩波电路
降压斩波电路 （Buck Chopper)
电路结构
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。
续流二极管
负载 出现 的反 电动 势
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
3-4
工作原3理.1.1
降压斩波电路 V
L io R
E
iG
VD uo
+
M EM
-
t=0时刻驱动V导通，电源E向
3-25
3.2.1 电流可逆斩波电路
复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成
电流可逆斩波电路
斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可 电动运行，又可再生制动。 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组 合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能 是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。
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。
动态演示。
3-11
a) 电路图
iGE
0
io
I1
0 b) 波形
图3-2 升压斩波电路及工组波形
数量关系3.1.2 升压斩波电路
设V通态的时间为ton，此阶段L上Biblioteka Baidu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
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。
EIoton RI o2T EM IoT
Io
E EM
R
EI1 EIo U o Io
I1
ton T
Io
Io
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
负载电流断续的情况：
I10=0，且t=tx时，i2=0
a) 电路图
负载供电，负载电压uo=E，负 载电流io按指数曲线上升。
iG
t on
t off
O
T
io i1
i2
t
t=t1 时 控 制 V 关 断 ， 二 极 管 VD 续流，负载电压uo近似为零，
I10
O uo
E
I 20 t1
t
负载电流呈指数曲线下降。 O
t
b)电流连续时的波形
iG
通常串接较大电感L使负载电 流连续且脉动小。
关断，C1经L2向负载供电。
图3-6 Sepic斩波电路 和 Zeta斩波电路
输入输出关系：
Uo
1
E
（3-50）
相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均
连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。
两种电路输出电压为正极性的。
3-24
3.2复合斩波电路和多相多重斩波 电路
3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
EI1ton (Uo E)I1toff
化简得：U o
ton toff toff
E
T toff
E
（3-20） （3-21）
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
T
/ toff
——升压比；升压比的倒数记作b
，即
b
toff T
。
b和的关系： b 1
负载电流平均值：
Io
Uo
EM R
（3-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
3-6
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式
此种方式应用 最多
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。
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图
b） 等效电路
3-21
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波
第3章 直流斩波电路
3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
本章小结
3-1
第3章 直流斩波电路·引言
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。 也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直 流—交流—直流。
电路种类
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 Zeta斩波电路。 复合斩波电路——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。
3-2
3.1 基本斩波电路
3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
iG
O io
ton i1
t off
T tx i2
t
动画演示。
O uo
t1 E
I 20
t2
E
t
O
EM
t
c) 电流断续时的波形
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
3-5
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值：
Uo
ton ton toff
E
ton T
E
E
（3-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
回路同时导电，L1和L2贮能。
a) Sepic斩波电路
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）。
b) Zeta斩波电路
输入输出关系：
图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
Uo
（3-40）
所以输出电压为： U o
ton toff
E ton T ton
E 1
E （3-41）
3-19
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波
结论
电路
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。
图的3平-4均b中值给分出别了为电I1和源I2电，流当i1电和流负脉载动电足流够i2的小波时形，，有设：两者
ton toff
E ton T ton
E 1
E
3-23
（3-49）
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波
Zeta斩波电路原理 电路 V处于通态期间，电源E经开关
V向电感L1贮能。
V关断后，L1－VD－C1构成振
荡回路， L1的能量转移至C1，
能量全部转移至C1上之后，VD
b) Zeta斩波电路
动态演示。
o
t
b)
图3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图
b）波形
3-18
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波
数量关系
电路
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
T
0 uL d t 0
（3-39）
V处于通态
V处于断态
uL = E
E ton Uo toff
uL = - uo
I1 ton
（3-42） i1 ton
toff
I2
t o ff
IL
由上式得：I 2
toff ton
I1
1
o
I1 （3-43） i2
IL
t
o
EI1 Uo I2
（3-44）
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 2) Cuk斩波电路 电路