第3章 直流斩波电路

GE
io R
+
M EM
-
a) 电路图
ton T i1 I10 i2 I20 t1 E t t off t
G
o
uGE
ton O io O uo O Tt i1 E t1 I20
x
t off t i2 t2 E t t
O O uo
b) 电流连续时的波形
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
t
c) 电流断续时的波形


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。
EIo ton RIo2T EM I oT
Io
iG uGE ton O io T i1 I10 i2 I20 t1 E t t off t
假设电源电流平均值为I1，则有
t I 1 on I o I o T
EI1 EIo U o I o u O
动画演示
图3-2 升压斩波电路
a)
E
uo
E
t i1 I 10 t on T b) I 20 t off i2 I 10 t
O io i1 O ton T I 20 i2 t1 tx t2 t off c)
t
t
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 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
期间 工作状态 一般电动 状态 制动状态 导通器件 电流回路 电流方向 导通器件 电流回路 电流方向 轻载电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD2 4 － 0 ~ t4 V1 1 + VD2 4 － V1 1 + VD1 2 + 0 ~ ton t4 ~ ton ton ~ t2 VD1 2 + V2 3 － V2 3 － ton ~ T t2 ~ T
uiGE G
O uo E
O
b) 电流连续时的波形
t off Tt i1 E t1 I 20
t
ton O io O uo O
x
பைடு நூலகம்负载电流平均值：
U o E M （3-2） Io R 电流断续 Uo被抬高，一般不希望出现。
t i2 t2 E t t
c)
EM
电流断续时的波形
斩波电路三种控制方式
t on t on Uo E E E i u t on t off T
3.2 复合斩波电路
复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 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。
电路结构
3.2.1 电流可逆斩波电路
a) 电路图
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。 必须防止V1和V2同时导通而 导致的电源短路。
uo
io
iV1 iD2
iD 1 iV2
b)
t
t
工作过程（三种工作方式)
U, i
4 3
E EM Uo 0 O ton
4 3
T
4 3 4 3 4
t
io
• 轻载电动状态
有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在V1 关断后经续流时，还没有到达周期 T ，电流已经衰减到零，此时， V2两端电压也降为零， V2便导通了，EM使电流方向变动，产生局 部时间的制动作用。
3.2.2 桥式可逆斩波电路
桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路
组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。
使V4保持通时，等效为图3-7a所示的 电流可逆斩波电路，提供正电压，可 使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可 逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、 4象限 。
轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： – 第1阶段，V1导通，电流 id 沿回路1流通； – 第2阶段，VD1续流，电流 id 沿回路2流通； – 第3阶段，V2导通，电流 – id 沿回路3流通。 – 第4阶段，VD2续流，电流 – id 沿回路4流通；
1 2
4 3
• 轻载电动状态
4 3
1 2
U, i
3.1.1 降压斩波电路
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。
工作原理
3.1.1
降压斩波电路
V L E VD uo
动画演示
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 ui 电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感L使负载电流 O i 连续且脉动小。
第3章
直流斩波电路
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
3.2 复合斩波电路
3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路
本章小结
第3章 直流斩波电路· 引言
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—直流。
分V处于通态和处于断态
初始条件分电流连续和断续
从能量传递关系出发进行推导
由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变
E
V L VD uo
io R
+
M EM
-
电源只在V处于通态时提供能量，为 EI o t on
a) 电路图
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT
E EM
R
(3-25)
电源电流的平均值I1为：
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
(3-26)
2) 升压斩波电路典型应用
用于直流电动机传动
再生制动时把电能 回馈给直流电源。 电动机电枢电流连 续和断续两种工作状 态。 u o 电动机的反电动势 相当于图3-2中的电源， O 此时直流电源相当于 i 图3-2中的负载。 直流电源的电压基 O 本是恒定的，不必并 联电容器。
uL
1 （3-23）
t
E Uo
电压升高的原因：
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 U o I o 。 （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。
输出电流的平均值Io为： Uo 1 E Io R b R
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
u
toff
T Uo
t t
iL
T / t off ——升压比；升压比的倒数
记作b ，即 b t of f T b和的关系： b 1 （3-22）
式（3-21）可表示为 U o 1 E 1 E
b
I1 t1 E t2
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。
3.1
基本斩波电路
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。
负载 出现 的反 电动 势
U, i E
E
V L VD uo
io R M
+
EM
降压斩波电路
1 2
Uo EM io 0 O ton T
一般电动状态的电压、电流波形
t
• 制动状态
在制动状态中， io为负值，V2就发挥作用了。这种情 况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小 控制电压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平 均电枢电压Uo降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动 势EM还来不及变化，因而造成 EM Uo的局面，很快使电 流io反向，VD1截止， VT2开始导通。
O
o
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。
b) 电流连续时的波形
t
3.1.2 升压斩波电路
1) 升压斩波电路的基本原理
储存电能 保持 输出 电压
电路结构
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。 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。
uGE
动画 演示
0
I1 t1 E t2
uG
a) 电路图
ton
T uT
toff
t
Uo
t
iL
uL
io
I1
0
E Uo
t
b) 波形
图3-2 升压斩波电路及工组波形
数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1t on 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
G EI1ton (Uo E ) I1toff （3-20） ton t t of f T U o on E E t of f t of f （3-21） uT T/toff>1，输出电压高于电源电压， 故为升压斩波电路。
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。 电路响应很快。
• 一般电动状态
在0 ≤ t ≤ ton期间， Ug1 为正，V1导通， Ug2 为负，V2关断。此时， 电源电压E加到电枢 两端，电流 io 沿图中 的回路1流通。 在 ton ≤ t ≤ T 期间， Ug1和Ug2都 改变极性，V1关断，但V2却不能 立即导通，因为io沿回路2经二极 管VD1续流，在VD1两端产生的 压降给V2施加反压，使它失去导 通的可能。 因此，实际上是由VT1和VD2交 替导通，虽然电路中多了一个功 率开关器件，但并没有被用上。
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。
此种方式应 用最多
G GE
ton T i1 I10
t off t i2 I20 t1 t
O io
O uo E
O
b) 电流连续时的波形
t
基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。
EM
数量关系
电流连续
E
V L VD uo
io R
+
M EM
uGEG i
t on O io T i1 I10
t off t i2 I20 t1 t
-
负载电压平均值：
a) 电路图
t on t on Uo E E E t on t off T （3-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 α--导通占空比
图3-8 桥式可逆斩波电路
单极性工作方式
V1与V2不断调制，V3与V4全通或全断 (V1与V2通断互补， V3与V4通断互补)
双极性工作方式
V1与V4同时通断， V2与V3同时通断 (V1与V2通断互补， V3与V4通断互补)
输出电压波形中电压有正有负，故 称双极性，如图(b)所示。
uo a) 0 io b) 0 io c) 0 t 1 2 3 4 t 1 t
a) 0 uo
输出电压波形中电 压只有正或只有负， 故称单极性，如图 (a)所示
t 1
2
b)
io
2 t
0 io c) 0
1
2 3
4
t
图(a) 桥式可逆斩波电路单极性工作方式
图(b) 桥式可逆斩波电路双极性工作方式
双极性控制
1 2
–第1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， V1 、 V4导 通， Ug2 、 Ug3为负，V2 、 V3截止，电流 io 沿回路1流通， 负载两端电压Uo = +E ； –第2阶段，在ton ≤ t ≤ T期间， Ug1 、 Ug4为负， V1 、 V4截 止， VD1 、 VD4续流， 并钳位使V2 、 V3保持截止，电流 io 沿回路2流通，负载两端电压Uo = – E ；
升压斩波电路
制动状态一个周期分两个工作阶段： – 在 ton ≤ t ≤ T期间， Ug2 变正，于 是V2导通，反向电流 io 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。 – 在 0 ≤ t ≤ ton 期间，V2 关断，－io 沿回路 4 经 VD2续流，向电源回 馈制动，与此同时， VD2 两端压 降钳住 V1 使它不能导通。 因此，在制动状态中， V2和VD2 轮流导通，而V1始终是关断的，此时 的电压和电流波形示于右图。
在3、4阶段，电动机流过负方 E 向电流，电机工作在制动状态； 在1、2阶段，电动机流过正方 向电流，电机工作在电动状态。 因此，在轻载时，电流可在正 负方向之间脉动，平均电流等于 O 负载电流，其输出波形见右图。
U o EM
iV1 iD1
T ton
1 1 2
t
io
iD2
4
iV2
3
电流可逆斩波电路的不同工作状态