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电力电子第三章第1页，本讲稿共43页 3.1 3.1 降压斩波电路降压斩波电路 降降 压压 斩斩 波波 电电 路路（Buck Buck ChopperChopper）又又称称BuckBuck变变换换器器(Buck(Buck Converter)Converter)电电路路如如图所示。图所示。图图中中使使用用一一只只全全控控器器件件作作为为主主控控开开关关。（主主控控器器件件也也可可选用选用MOSFETMOSFET、GTRGTR、GTOGTO）第2页，本讲稿共43页3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理a.0tta.0tt1 1 当当开开关关的的栅栅板板加加控控制制脉脉冲冲后后，V V闭闭合合，则则直直流流电电源源E E经经开开关关V V电电感感L LR R M M构构成成回回路路。即即直直流流电电源源对对电电感感L L充电。充电。b.tb.t1 1tttt2 2 当当主主控控开开关关V V上上的的栅栅极极加加控控制制信信号号消消失失后后，V V断断开开，则则电电感感上上的的贮贮能能R RE EM MV VD D构构成成回回路路。即即负负载载R R上上的的能量由电感上的贮能供电，电感能量由电感上的贮能供电，电感L L放电。放电。3.1.2.3.1.2.基本数量关系基本数量关系假设电感假设电感L L无穷大，故在一周期内，当电路处于稳态时，负载电流在无穷大，故在一周期内，当电路处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。一个周期的初值和终值相等。负载电压负载电压U Uo o分段表达式为：分段表达式为：第3页，本讲稿共43页故在一个周期故在一个周期T T内的负载电压内的负载电压U Uo o的平均值为的平均值为：称为占空比。称为占空比。由上式可知，输出到负载的电压平均值由上式可知，输出到负载的电压平均值U Uo o最大为最大为E E，且平均值，且平均值U Uo o随随减小减小而减小，因此该电路具有降压功能。而减小，因此该电路具有降压功能。负载电流平均值为：负载电流平均值为：若负载中若负载中L L值较小，则在值较小，则在V V关断后，负载电流可能会出现断续，实用时，关断后，负载电流可能会出现断续，实用时，一般不希望出现电流断续的情况。一般不希望出现电流断续的情况。第4页，本讲稿共43页3.1.33.1.3 控制方式控制方式根根据据对对输输出出电电压压平平均均值值进进行行控控制制的的方方式式不不同同，斩斩波波电电路路可有三种控制方式：可有三种控制方式：1 1）保保持持开开关关周周期期T T不不变变，调调节节开开关关导导通通时时间间t tonon，称称为为脉脉冲冲宽宽度度调制（调制（pulse width modulationpulse width modulation，即，即PWMPWM）2 2）保保持持开开关关导导通通时时间间t tonon不不变变，改改变变开开关关周周期期T T，称称为为频频率率调调制制方式或调频型，简称方式或调频型，简称PFMPFM 3 3）t tonon和和T T都可调，使占空比改变，称为混合型。都可调，使占空比改变，称为混合型。以以上上数数学学关关系系不不仅仅适适用用反反电电势势负负载载，也也适适用用于于电电阻阻性性负负载载，此此时，只要令时，只要令E EM M0 0，即可。公式仍有效。，即可。公式仍有效。第5页，本讲稿共43页3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形v基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析 V通通态态期期间间，设负载电流为i1，可列出如下方程：（33）EERitiL=+M11dd设此阶段电流初值为I10，=L/R，得第6页，本讲稿共43页 V断态期间断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：（3-5）设此阶段电流初值为I20，解上式得：当电流连续时，有：图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路第7页，本讲稿共43页即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出：（3-9）（3-10）式中:；。由上图3-1b可知，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似，可得 （3-11）上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路第8页，本讲稿共43页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，为在整个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 （3-12）则 （3-13）在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有 （3-14）其值小于等于负载电流Io，由上式得 （3-15）即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。3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路第9页，本讲稿共43页 负负载载电电流流断断续续的的情情况况：I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tx为：（3-16）电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为：（3-17）对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为：（3-18）Uo不仅和占空比a 有关，也和反电动势EM有关。此时负载电流平均值为 （3-19）3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路第10页，本讲稿共43页3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路1.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理 工作原理 假设L值很大，C值也很大V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 （3-20）图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图 b）波形第11页，本讲稿共43页化简得：（3-21），输出电压高于电源电压，故称该电路为升升压压斩波电路。也称之为boost变换器升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与3.1.1节中介绍的改变导通比a的方法类似。将升压比的倒数记 作b，即。b 和导通占空比a有如下关系：（3-22）因此，式（3-21）可表示为 （3-23）升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住3.1.23.1.2 升压斩波电路升压斩波电路第12页，本讲稿共43页以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低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 （3-24）该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。根 据 电 路 结 构 并 结 合 式（3-23）得 出 输 出 电 流 的 平 均 值Io为 （3-25)由式（3-24）即可得出电源电流I1为：（3-26）3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路第13页，本讲稿共43页3.1.2 .1.2 升压斩波电路升压斩波电路 在在分分析析升升压压斩斩波波电电路路的的工工作作原原理理，首首先先假假设设电电路路中中的的电电感感值值L L很很大大，电电容容C C值值也也很大。很大。当当主主控控开开关关V V处处于于通通态态时时，电电源源E EL L主主控控开开关关V V构构成成回回路路，向向电电感感L L充充电电，此此阶段阶段L L贮能。因贮能。因L L、C C很大，故充电电流很大，故充电电流I I恒定恒定，且输出电压且输出电压U U0 0为恒值。为恒值。当当主主控控开开关关处处于于断断开开时时，电电源源构构成成回回路路，由由E E和和L L共共同同向向C C充充电电，并并向向负负载载R R提提供供能能量。量。第14页，本讲稿共43页2.升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的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图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其及其波形a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路第15页，本讲稿共43页v用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路第16页，本讲稿共43页3.1.3 3.1.3 升降压斩波升降压斩波Boost-BuckBoost-Buck电路和电路和CukCuk斩斩波电路波电路1.升降压斩波电路升降压斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。基本工作原理基本工作原理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。图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形第17页，本讲稿共43页升降压斩波电路升降压斩波电路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 （3-39）当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：（3-40）所以输出电压为：（3-41）第18页，本讲稿共43页改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文 称 之 为buck-boost 变 换 器（Buck-Boost Converter）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 （3-42）图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形升降压斩波电路升降压斩波电路第19页，本讲稿共43页由上式可得：（3-43）如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则 （3-44）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。升降压斩波电路升降压斩波电路第20页，本讲稿共43页3.33.3 CUKCUK斩波电路斩波电路下图为CUK斩波电路的原理图及等效电路第21页，本讲稿共43页2.Cuk斩波电路斩波电路图图3-5所示为所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路斩波电路的原理图及其等效电路。V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，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Cuk斩波电路斩波电路第22页，本讲稿共43页3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理*当主控开关当主控开关V V处于通态时处于通态时:电电源源E EL L1 1V V构构成成回回路路，电电源源向向L1L1充充电电，同同时时，电电容容C CV VR RL L2 2构构成成回回路路，即即电电容容C C对对负负载载R R放电。放电。当主控开关处于断开时当主控开关处于断开时:电电源源E EL L1 1C CVDVD构构成成回回路路，电电源源对对C C充充电电，同同时时，电电感感L L2 2VDVDR R构构成成回回路路，电电感感L L2 2对对负负载载R R放放电电，从从图图可可看看出出，输输出出电电压压的的极极性性与与电电源源电电压压的的极极性性相相反。反。第23页，本讲稿共43页3.3.2 3.3.2 基本数量关系基本数量关系在稳态时，电容在稳态时，电容C C的电流在一周期的平均值应为零，即：的电流在一周期的平均值应为零，即：在在图图3 35b5b等等的的等等效效电电路路中中，开开关关S S向向B B点点的的时时间间，即即V V处处于于通通态态的时间的时间t tonon，电容电流和时间的乘积为，电容电流和时间的乘积为I I2 2t tonon.开关开关S S合向合向A A点的时间即点的时间即V V处于断态的时间处于断态的时间t toffoff，则电容电流和，则电容电流和时间的乘积为时间的乘积为I I1 1t toffoff，由此可得：，由此可得：当电容当电容C C很大，使电容电压很大，使电容电压U UC C的脉冲足够小时，可求出输的脉冲足够小时，可求出输 出电压出电压U U0 0与输入电压与输入电压E E的关系：的关系：当开关当开关S S合向合向B B点时，点时，B B点电压点电压U UB B0 0，A A点电压点电压U UA AU UC C，(ton)当开关当开关S S合向合向A A点时，点时，U UB BU UC C，U UA A0 0。(toff)第24页，本讲稿共43页第25页，本讲稿共43页 以以上上这这种种输输出出输输入入关关系系与与BuckBuckBoostBoost电电路路相相同同，与与升升降降压压电电路路相相比比，CUKCUK电电路路有有一一个个明明显显的的优优点点，即即其其输输入入电电源源电电流流和和输输出出负负载载电电流流都都是是连连续续的的，且且脉脉动动很很小小，有有利利于于对对输输入入输输出出进进行滤波。行滤波。第26页，本讲稿共43页整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数 许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。国家标准（GB/T14549-93）电能质量公用电网谐波从1994年3月1日起开始实施。第27页，本讲稿共43页 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1.谐波谐波满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 （2-57）电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 第28页，本讲稿共43页 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础2.功率因数功率因数正弦电路中的情况 电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI 无功功率无功功率定义为：Q=U I sinj j 功率因数功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l l=cos j j 第29页，本讲稿共43页 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础 非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式（2-62）定义。公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和j 1。这时有功功率为：P=U I1 cosj j1 （2-65）功率因数功率因数为：（2-66）第30页，本讲稿共43页谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础基基波波因因数数n n=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义一种简单的定义是仿照式（2-63）给出的：（2-67）这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。第31页，本讲稿共43页谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础也可仿照式（2-61）定义无功功率，为和式（2-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f=U I 1 sinj j 1 在非正弦情况下，因此引入畸变功率D，使得：（2-68）（2-69）比较式（2-67）和（2-69），可得：（2-70）忽略电压谐波时 （2-71）这种情况下，Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。第32页，本讲稿共43页电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析因数分析 关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下：（1）通常位移因数是滞后的，并且随负载加重（wRC 减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的 角度也增大。（2）由于谐波的大小受负载大小（wRC）的影响，随 wRC增大，谐波增大，而基波减小，也就使基波 因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波 受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小，基波因数越大，总功率因数越大。第33页，本讲稿共43页3.4.1功率因数和THD1.功率因数PF=（power factor）=有功功率/视在功率=P/S=P/VI对于整流电路来说，其输入电流为非正弦，其有效值为：I1，I2，In分别为基波分量，二次谐波，N次谐波电流有效值。设基波电流I1落后Vi相位差为，如图所示：则有功功率和功率因数可表为：P=V I1 Cos,而3.4 3.4 提高整流电路输入端功率因数的方法提高整流电路输入端功率因数的方法第34页，本讲稿共43页上式表示基波电流相对值，称为畸变因数，而Cos称为位移因数，故功率因数PF为畸变因数和位移因数的乘积。显然，当=0时，PF=I1/I2.谐波总量（THD）谐波总量（THD）=Ih/I=Ih为除基波外所有谐波分量总有效值 故畸变因数I1/I=故当=0时，PF=I1/I=第35页，本讲稿共43页3.4.2 3.4.2 提高输入端功率因数的方法（提高输入端功率因数的方法（PFCPFC）要提高输入端功率因数，其实质增加输入整流电路中二极管的导通角目前主要提高输入端功率因数，其实质增加输入整流电路中二极管的导通角目前主要有二种方法，要有二种方法，a.无源功率因数校正。无源功率因数校正。b.有源工功率校正。有源工功率校正。1.无源功率因数校正无源功率因数校正 无功功率因数校正目前最常用的有逐流法，泵电容法等。无功功率因数校正目前最常用的有逐流法，泵电容法等。下面主要介绍逐流法下面主要介绍逐流法第36页，本讲稿共43页第37页，本讲稿共43页3.4.2 3.4.2 有源功率因数校正有源功率因数校正有源功率因数校正常用的方法：Boost法，Buck法。下面主要介Boost法。第38页，本讲稿共43页第39页，本讲稿共43页上图中：上图中：VA为电压误差放大器，为电压误差放大器，Vr为基准电压，为基准电压，CA为电流误差放大器，为电流误差放大器，M为乘法器为乘法器有源功率因数校正目前有有源功率因数校正目前有IC完成，主要型号：完成，主要型号：L6561，UC3854，KA7524等。等。功率因数校正后，输出直流电压升高到功率因数校正后，输出直流电压升高到400V，并，并且不随输入电压变化具有稳压作用。且不随输入电压变化具有稳压作用。第40页，本讲稿共43页第41页，本讲稿共43页校正后波形：第42页，本讲稿共43页小结小结本章介绍了几种基本斩波电路其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他斩波电路的基础。因此，本章的重重点点是，理解降降压压斩斩波波电电路路和和升升压压斩斩波波电电路路的工作原理，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，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。第第3 3章章第43页，本讲稿共43页