直流斩波电路.pdf
-第 4 章 直流斩波电路 直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置,亦称直流斩波器或DC/DC变换器。用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流，在一定滤波的条件下,在负载上可以获得平均值可小于或大于电源的电压或电流。如果改变开关器件通、断的动作频率,或改变开关器件通、断的时间比例，就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度,以实现输出电压、电流平均值的调节。早在 1940 年德国人采用机械开关通断的思想来调节直流电压以控制直流电动机的转速，1960 年美国人把晶体管斩波器用于控制柴油发电机的励磁系统,63 年德国人把晶闸管斩波器用于控制蓄电池车。早期主要应用于城市电车，地铁、电动汽车等直流牵引调速控制系统中。随着自关断电力电子开关器件和脉宽调制(Pus Width ModulatinPWM)技术的不断发展,直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等显著优点，广泛应用于开关电源、有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。一般来说,直流斩波电路有两类不同的应用领域:一类负载是要求输出电压可在一定范围内调节控制,即要求电路输出可变的直流电压,例如直流电动机负载，为了改变其转速，要求可变的直流电压供电；另一类负载则要求无论在电源电压变化或负载变化时，电路的输出电压都能维持恒定不变，即输出一个恒定的直流电压，如开关电源等。这两种不同的要求均可通过一定类型的控制系统根据反馈控制原理实现。直流斩波电路的种类较多,根据其电路结构及功能分类，主要有以下种基本类型：降压(Bu）斩波电路、升压(ost)斩波电路、升降压(BckBoost）斩波电路、丘克(Cuk）斩波电路，其中前两种是最基本的电路,后两种是前两种基本电路的组合形式。由基本斩波电路衍生出来的eic斩波电路和Zet斩波电路也是较为典型的电路。利用基本斩波电路进行组合，还可以构成复合斩波电路和多相多重斩波电路。本章将详细介绍基本斩波电路的工作原理和稳态工作特性,对其它电路作一般性的原理分析。为了获得各类直流斩波电路的基本工作特性而又简化分析,在本章的分析中，都假定直流斩波电路是理想的,即满足以下条件：()开关器件和二极管从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡时间均为零。（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零。（3)电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件,且电感量和电容量均为足够大。()线路阻抗为零。无特殊说明时电源的输入功率等于输出功率。4直流斩波电路的工作原理-最基本的直流斩波电路如图 4.1（)所示，图中 S 是可控开关，R 为纯电阻负载。当 S闭合时,输出电压Euo;当 S 关断时,输出电压0ou,输出波形如图 4.1(b)所示。假设开关 S 通断的周期 TS不变，导通时间为ont，关断时间为offt,则输出电压的平均值oU可表示为 DEETtEdtTdtuTUSontStoSoonon0011 （4.1)+-SioER0EontTSoffttoUEiuouo(a)电路 (b）电压波形 图.最简单直流斩波电路图及输出电压波形 由式(4.)可知，在周期 T不变的情况下，改变ont就可以改变oU的大小。将 S 的导通时间与开关周期之比定义为占空比(ut ratio)，用D表示。则 SonTtD （4.）由于占空D总是小于等于 1，所以输出电压oU总是小于或等于输入电压 E。因此，改变D值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变ont或 T来实现。通常直流斩波电路的控制方式有三种：()脉冲频率调制控制方式:即维持ont不变，改变 TS。在这种控制方式中，由于输出电压波形的周期或频率是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的,这使得滤波器的设计比较困难，输出波形谐波干扰严重，一般很少采用。()脉宽调制控制方式:即维持S不变，改变ont。在这种控制方式中，输出电压波形的周期或频率是不变的，因此输出谐波的频率也是不变的,这使得滤波器的设计变得较为容易,并得到普遍应用。常把这种调制控制方式称为脉冲宽度调制（Pulse Wdt Mdulation，PWM)。（3)调频调宽混合控制方式:这种控制方式不但要改变ont和也要改变S，其特点是:可以使大大提高输出的范围,但由于频率是变化的，也存在着设计滤波器较难的问题。-4.2 基本直流斩波电路 基本直流斩波电路是指降压(Buck)斩波电路、升压(oost)斩波电路、升降压(Buc-Bos)斩波电路和丘克(Ck)斩波电路。本节将对Spi斩波电路和Zeta斩波电路一并给予介绍。42.1降压斩波电路 降压斩波电路又称uck 斩波电路,该电路的特点是输出电压比输入电压低,而输出电流则高于输入电流。也就是通过该电路的变换可以将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压,并实现电能的转换。降压斩波电路的拓扑结构如图 4.2(a）所示。图中是开关器件,可根据应用需要选取不同的电力电子器件,如GBT、MOFET、GTR 等。L、C 为滤波电感和电容,组成低通滤波器，R 为负载，VD 为续流二极管。当 S 断开时,D 为Li提供续流通路。为输入直流电压,oU为输出电压平均值。当选用 IGBT 作为开关器件时,降压斩波电路如图 4 2(b)所示。SLER+-+-VDuDEiLiDiuL+-oIC+-CioUuC LER+-+-VDuDEiLiDiuL+-oIC+-CioUuCTG(a）S 为开关器件 (b)IGBT 为开关器件 图.2 降压斩波电路的拓扑结构图 根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式。4.21.1 电感电流连续导电模式 连续导电模式对应电感电流恒大于零的情形。设开关器件 T 的控制信号为GU（GU的波形如图4 所示）。当GU为高电平时导通，GU为低电平时关断。T 导通与关断时的等效电路分别如图 4.（)、（）所示。电路的工作原理是:设电路已处于稳定工作状态，在0t时，使 T 导通,因二极管 VD 反向偏置,电感两端电压为oLUEu，且为正。此时，电源 E 通过电感向负载传递能量,电感中的电流Li从1I线性增长至2I，储能增加。在ontt 时刻，使 T 关断,而Li不能突变，故Li将通过二极管D 续流,L 储能消耗在负载 R 上,Li线性衰减，储能减少。此时oLUu。由于 VD 的单向导电性，Li只能向一个方向流动,即总有 Li0，从而在负载 R 上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值,并控制 T 周期性地开关,可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然 T 导通时间愈长,传递到负载的能量愈多,输出电压-也就愈高。T 导通和关断时各电量的工作波形如图 4.所示。LCERUo+-+-LiCiuCuL+-OIEi LCERUo+-+-LiDiuCuL+-OIEi=0Ci (a)T 导通截止 （)D 导通 T 截止 图.3 连续导电模式降压斩波电路等效电路图 00t0t0tiLI2I1I2-IoI1-IoIoioUouo,UGuLtiCuCUC0tE-Uo-Uotonto ff0tTSIL=Io 图 4.降压斩波电路的工作波形图 在ont期间，导通,根据等效电路 43(),可得出电感 L 上的电压为 dtdiLuLL （4.3）-由于电感和电容无损耗,电流Li从导通时的电流初值1I线性增长至终值为2I,因此上式可写成 onLonLotILtIILdtdiLUE12 则 oLonUEILt (4.4)式中12IIIL为电感电流的变化量,oU为输出电压的平均值。在offt期间,T 关断,VD 导通续流,根据图 4.3(b）的等效电路，电流Li从2I线性衰减至1I，因此有 offLoffLotILtIILdtdiLU21 即 oLoffUILt (4.5)从式（4.4)和式(.5）消去LI，可得 offoonotUtUE)(即 DEETtEtttUSonoffonono (6)事实上，由于稳态工况下的电感电压Lu波形周期性地重复，又根据假设电感为理想器 件,故电感电压的平均值在一个周期内必为零。即:0dtudtudtuSononSTtLt0LT0L 这就意味着导通和关断的电压波形面积相等,即 )()(onSooffoonotTUtUtUE 所 以 有 DEETtUSono (4.7）当输入的直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化,与其它电路参数无关。由于占空比D总是小于等于,所以输出电压oU总是小于或等于输入电压 E。因此，这种斩波电路称为降压斩波电路。-由于不考虑电路元件的损耗,则输入功率与输出功率相等，oEPP 或ooEIUEI,因此输入电流EI和负载电流oI之间的关系为 EEooIDIUEI1 （4.8）由图 4.2 可知，开关器件和二极管 VD 承受的最大电压均为电源电压。.21.2 电感电流断续导电模式 在电感电流连续导电模式下的整个开关周期 TS中,电感电流Li都大于 0，且介于1I与2I之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件 T 关断的offt期间内,电感电流Li已降为零,且保持一定时间，电路有三种工作状态,即 T 导通,VD 截止；T 截止，D 导通；T、VD 都截止，电感电流为零。电路的工作原理是：在0t时,使 T 导通,情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流Li线性增长至maxLI,储能增加。在ontt 时刻，使 T 关断,Li通过二极管 VD 续流。但在 T 的下一个导通周期到来之前,Li已衰减到零，此时续流二极管 VD也截止,T 和 VD 都截止时的等效电路如图 4.5(a)所示，电感电流断续导电模式的电压电流波形如图5()所示。LCERUo+-+-LiuCuL+-Ei=0OICi 0iLUGuLt0tE-Uo-Uoton0tTSIL=IotofftoffILmax (a)等效电路 （)电压电流波形 图 4.Li断续状态的等效电路和电压电流波形图 根据图 4.5 的波形可以求得，当 T 导通时，电感电压为 onLLotILdtdiLUEmax (4.9）电流maxLI的大小与的导通时间ont有关。当 T 关断时，电感电压为 maxoffLLotILdtdiLU (.1）-设SoffTt,则由式(4.9)和式（4）可求得 oSoSUTUEDT)(即 EDDUo (.1）所 以 DUUEoo （412)在电感电流断续导电模式下,负载电流平均值oI为)2121(1maxmaxSLSLSoTIDTITI 即 )(21maxDIILo （.1)将式(49）和式(12）代人式（.13）有 )1(22oSoUEDLETI （4.14)而当offt等于offt时,负载电流处于临界连续状态，电感电流Li临界连续状态的电压电流波形如图 4.6 所示。0iLuLttonto ff0tTSE-Uo-UoILBILmax 图 4.6 Li临界状态的电压电流波形图 4.2.3 输出电压纹波 在降压斩波电路中,当滤波电容 C 的容量足够大时，输出电压oU基本不变,近似为恒值。然而电容 C 的容量总是有限值的，因此输出电压含有纹波分量。在连续导电模式下，-假定Li中所有纹波分量都流过电容，而其直流分量流过负载电阻。在图 4.的Li波形中,当LLIi 时,电容对负载放电;在LLIi 时,由电源为 C 提供充电电流。由于流过电容 C的电流在一周期内的平均值为零，那么在 TS/2 时间内电容充电或放电的电荷量可用图 4.4中阴影面积来表示,即 LSLSLoffonITITIttQ82)2(212)22(21 (4.15）因此,电压纹波的峰峰值oU为 LSoICTCQU8 （6）根据式(.4）和式（.5)可求出开关周期 T为 )(1ooLoffonsSUEUELIttfT (.17）同时考虑式（4.16）和式(4.1),可求出 2228)1(8)1(8)(sossoooLCfDULCfDEDELCfUEUU (48)由式(4.1）可以根据电路的技术数据来选择滤波电容的参数。电流连续时的输出电压纹波系数为 222)(1(28)1(scsooffDLCfDUU （41)式中 SsTf1是 Bck 电路的开关频率；LCfc21为 LC 低通滤波器的固有频率。式（4.1）说明可以通过选择合适的 L、C 的值,使cfsf,来限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。对电流断续方式也可以进行类似的分析。42.1.4 临界电感平均电流与临界电感 电感电流在一个周期内的平均值与负载电流oI相等，在电流连续时，可表示为 212IIIILo （4.0)由式(4.7）可求得电感电流连续工况时电流纹波的峰峰值，即 LfDEDLEfUEUIssooL)1()(（4.)将式(20）和式（.21)代入关系式12IIIL，可得-)1(21DDLETIISo (4.2)当电路处于临界工况时,电感电流在斩波周期结束时,恰好等于零。由图 4.6 知,此时01I,max2LII，参考式(4.），则临界电感电流平均值为)1(2)(22121DDLETUELDTtLE-UIISoSonoLmaxLB （4.)由式(4.23）可求得临界电感值为 )1(2DDIETLLBSB （.24)在5.0D时,电感电流最大，也即输出电流最大，即 LETISLBmax8 （4.)那么,可以根据电流的临界值来选择电流连续时的最小电感值，其大小为 LBmaxSBminIETL8 （4.26)需要指出的是流过开关器件 T 和二极管 VD 的电流最大值就是电感电流的最大值，据此可以选择器件的电流参数。由于降压（Bck）斩波电路电源的输入电流为断续方式,而负载侧因电感 L 的存在,所以在电流连续工作情况下,输入电流脉动较大,输出电流脉动相对较小，因此其应用受到一定的限制。但由于电路结构简单,常用在要求不高的场合,如需要降压的直流开关稳压电源和小功率直流电动机的调速。例.1 斩波电路如图 4.2 所示。输人电压为 2V1，保持输出电压为 15V 不变,电路的最大输出功率为 120W，最小功率为 1W。IGBT 饱和导通电阻0.2,轻载时关断时间为s，忽略开通时间，若工作频率为 3 Hz。(1）求占空比 D 变化范围;(2）保证整个工作范围内电感电流连续时的电感 L 值；(3)当输出纹波电压mVUo100时,求滤波电容 C 值；(4）如电感临界电流的平均值 IL=4A,求电感B值,并求在最小输出功率时的占空比;(5）如电感的等效电阻 RL0.02,在最低输出电压最大输出功率时，求最大占空比和效率。解:(1)电源电压最大值7.291.02727maxE,最小值3.241.02727minE，所以占空比的变化范围为505.07.29/15minD和617.03.24/15maxD。-(2)由式(4.）和式(4.2）可求得临界电感)1(2)1(2)1(2)1(222DfPUDUIUTDEUIETDDIETLSoooLBoSoLBSLBSB 式中,oP为电路的输出功率，此处应取最小值 1W；Sf为开关频率 3 kz；D 应取最小值 0.55,则 mHDfPULSooB168.0505.0-1103010215)1(2322）（(3)由式（.18)可求得 FfULDUCsoo44.5510301010010618.08505.0-1158)1(3-3-32）（式中，D 应取最小值 0.5。(4)由式(.7）和式(4.24)可求得 IB=4A 时的临界电感 mHDfIUDDIETLSLBoLBSB031.0505.0-110304215)1(2)1(23）（当电感值为 0.031mH 时,若输出功率只有0W，此时电路工作在断续状态。设断续状态下的输出电压与输入电压之比为 M，则)/(/DDEUMo。由式(413）得 SoLLooTDDLUEDIDIIRU)(2)(21)(21max 由式（4.9)解出得maxLI,带入上式并在等式两边同时除以整理可得)1)(2EUDDLRTEUoSo 解得 )/(2DDDEUMLo 式中SLRTL/。与)/(DDM比较,可知)/(2DL，解得)18-122DDL（所以 28112DDDEUMLo 进而求得 MMDL12 根据已知数据得-041.010301101510031.032-3SLRTL 当4.3V 时,M 取最大值 617.03.2415EUMo 所求占空比 25.0617.0.1041.02617.012MMDL（5)设电路工作在连续状态，此时根据有功功率恒定的原理有22EToLoEIRIRPEI,而AUPIooo815/120/,则222.08025.01203.24EEII。解得AIE23.5，所以%42.9923.53.24/(120/）EoEIP 4.2升压斩波电路 升压斩波电路又称 Bos斩波电路,用于将直流电源电压变换为高于其值的直流输出电压，实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递。采用 IGBT 作为开关器件的电路拓扑结构如图 4.7 所示。LERUO+-TGbauT +-LuDOIDi+LiCuC+-Ci 图 4.升压型斩波电路的拓扑结构图.2.2.1 电感电流连续导电模式 设开关器件 T 的控制信号为GU(GU的波形如图 4.9 所示）。当GU为高电平时 T 导通，GU为低电平时 T 关断。T 导通与关断时的等效电路分别如图 4.8(a）、（b)所示。电路工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在0t时,使 T 导通，二极管 VD 承受反压而截止,电源电压 E 全部加到电感 L 上，电感中的电流Li从1I线性增长至2I，储能增加;同时由电容为负载 R 提供能量,对应的等效电路如图 4.8(a)所示。在ontt 时刻,使GU为低电平,关断，因电感电流不能突变,Li通过 VD 将存储的能量提供给电容和负载，即电感储能传递到电容、负载侧。电感中的电流Li从2I线性减少至1I,储能减少,产生的感应电势阻止电流减少,感应电势0LU,故EUo，对应的等效电路如图.8(b）所示。T 导通和关断工况下各电量的工作波形如图 4.9 所示。-LRUO+-LiOIEC+-LuuC+-LCR+-OILiEUO+-LuuC+-（a)导通 VD 截止 (）V导通截止 图 4.8 连续导电模式升压斩波电路等效电路图 由上分析可知,在 T 导通期间,即ont期间，EuL,因此有 onLonLLtILtIILdtdiLEu12 (4.27)或 EILtLon （4.28)式中12IIIL为电感中电流的变化量。而在T关断期间,即offt期间，oLUEu，有 offLoffLoLtILtIILdtdiLUEu21 即 offLotILEU （4.9）所 以 LooffIEULt （.30)从式（28)和式（430）消去LI，整理可得 EDUo11 （4.31)式中占空比SonTtD，因10 D，所以输出电压总是大于或等于输入电压。当输入直流电压不变时,输出直流电压随占空比线性变化,与其它电路参数无关。在理想的情况下,电路的输入功率等于输出功率,即EP=oP或ooEIUEI。因此输 入电流EI和负载电流oI之间的关系为 EEooIDIUEI)1(42）-00t0t0tiLI2I1UoUGuLtiCUC0tE-Uoton0tTSIL=IEtoffEioIouo,uCI2-Io-Io 图 49 升压斩波电路的工作波形图 由图 47 可知，开关器件 T 和二极管 VD 承受的最大电压均为输出电压oU。4.2.2 电感电流断续导电模式 与 Buck 电路类似,Bos电路的工作模式也分连续和断续两种工作状态。当电路处于断续工作状态时,在开关管关断的offt期间内,输出电感电流Li已降为零,且保持到下一个周期开始。电路同样有三种工作状态,即导通,VD 截止；T 截止,导通;T、D 都截止。电路的工作原理是：电路的工作原理是:在0t时,使 T 导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流Li线性增长至maxLI,储能增加。在ontt 时刻，使 T 关断,Li通过二极管 VD 同时给电容 C 充电和为负载 R 提供能量。但在 T 下一个导通周期到来之前，Li已衰减到零，从而出现电流的断续现象,此时 T、V都截止。T、VD 都截止时的等效电路如图1(a)所示，电感电流断续模式下的电压电流波形如图 4.10(b)所示。-RLEuT+-Li=0+-LuUo+-OIC 0iLUGuLt0tE-UoEton0tTSIL=IotofftoffILmax (a)等效电路 ()电压电流波形 图 4.10 Li断续状态的等效电路和电压电流波形图 当 T 导通时,电感电压为 onLLLtILdtdiLEumax (4.33）式中电流maxLI为电感电流最大值,也是电感电流的增量。当 T 关断时,电感电压为 maxoffLLoLtILdtdiLUEu （4.34）设SoffTt,则由式(.33)和式(434）可求得 EDUo (.5）而电源 E 的输出平均电流就等于电感的平均电流,通过图.10(b)用三角形的原理得到，即 )2121(1maxmaxSLonLSELTItITII （.6）又有由式(33）得 LEDTLtEISonLmax （47）由式(37)和式（4.36）整理得 )(2DDTLEIISEL (4.3）式(.）包含两个部分,第一部分为导通时,电感L从电源获取的电流平均值,-即为STDLE22;第二部分则为 T 关断时,流过二极管 VD 的平均电流，即为STDLE2。由于在一个斩波周期S内,流过电容的电流平均值为零,所以在电感电流断续导电模式下，流过负载 R 的平均电流就是流过二极管 VD 的平均电流。因此,电路输出的平均电流为 DLETISo2 （.39)事实上,由图.10(b)的电流波形可以看出，负载电流平均值为2/maxLoII，将式（37）代入同样可得到式（4.39)。在断续导电模式下,如果不能在每一个开关周期里对oU进行控制,则从电源端供给电容和负载的能量至少为)2/()(2/22maxLEDTLISL。而当负载不能吸收这些能量时，电容电压将会升高，直到能量平衡为止。因此在轻负载时,oU的上升可能导致电容器的击穿或出现危害性的高电压，可见这种电路不能工作于轻载或空载情况下。当图 4.10（b）中的offt等于offt时,电感电流Li处于临界连续状态,其电压电流波形如图4.1所示。0iLuLttonto ff0tTSE-U0ILBILmaxE 图 41 Li临界状态的电压电流波形图 4.2.2.3 输出电压纹波 由图4.9可知，升压斩波电路在连续工作状态时输出电压的纹波为三角波,假设流过二极管V的纹波电流分量全部流过电容,而平均电流流过负载电阻R,图中阴影部分表示电荷Q，输出电压纹波的峰峰电压为 onontotCCodtICdtiCCQUU0011 CDTRUDTCItCISoSoono （.40)所以-CSSooTDRCDTUU （4.41）式中，RCC为时间常数。根据电路的技术数据的要求，由式(4.4）可选择滤波电容的参数。4.2.2.4 临界电感平均电流与临界电感 从式(4.2)和式(4.0)可得 LoooffonsSIEUELUttfT)(1 （442）则 LfEDLUfEUEIsosoL)(44）式中12IIIL是电感电流连续工况时电流纹波的峰峰值。电感电流在一个斩波周期内的平均值与电源电流EI相等,其大小为 212IIIIEL （.44）当电路处于临界工况时,01I，LLIIImax2,则临界电感电流平均值为 LfEDIIIIsLLmaxEBLB22121 (4.45）由式(.5)可求得电感电流临界连续时的电感值,为 LBsBIfEDL2 （4.4)根据式(.3），输出电流oi的连续临界值可表示为oBI,即 )1(2)1(DDLfEIDIsEBoB (4.7)当5.0D时，oBI有最大值,可表示为 LETISoBmax8 (4.48)由此,可以根据负载电流的临界值来选择负载电流临界连续时的最小电感值,为 LBmaxSoBminIETL8 （4.9）以上讨论是基于电路在输出功率减少时电源电压E和占空比D均保持不变的假设条件，常用于直流调速系统中，在这样的系统中,通常要求电源电压不变,而输出电压oU则随-电动机转速变化要求在大范围调整（通过改变占空比D）。相反在常用的直流开关电源设备中,其输出电压oU为恒值，对于这种情况,为了维持维持oU恒定不变，在E发生变化时,占空比D必须随之调整。在式（447)中，由于电源电压E不变,所以输出电流oi的连续临界值只与占空比D有关。如考虑维持oU恒定不变，并将式(447）中的E替换为oU表示，则在临界连续条件下，将式(4.31)代入式(.47)并将输出临界连续电流用BEoI表示，可得 2)1(2DDLfUIsooBE (.5)当=1/3 时，oBEI有最大值并可表示为 LUTIoSoBEmax272 （451)在BEooII 输出电流断续时,将式(4.35)代入式（4.3)并参考式(451),整理可得 21/)1/)(/(274oBEmaxoooIIEUEUD (.）由式(.52)可见,在断续状态下，若保持EUo/为定值,占空比D必须随oI的变化而调整。同样由工作波形可知，不论在电流连续还是断续的情况下,流过开关器件 T 和二极管VD 电流的最大值和最小值与电感电流相同。在升压(Bos）斩波电路中,由于电感的存在,输入电流连续。但在开关器件 T 导通时，负载由电容 C 提供电源。因此输入电流脉动较小,而输出电流脉动相对较大，通常被应用于电池供电设备中的升压开关稳压电源和功率因数校正（PC)电路等场合。例 4.2 升压斩波电路如图.7 所示。设输人电压为 270%,输出电压为 45V,输出功率为 75W,效率为 95,若电感的等效电阻 RL=0.05,IT 为理想开关器件。(1）求最大占空比；(2）如要求输出电压为 60V 是否可能?为什么？解:（)输入电流的平均值为EPIoE/，设EI恒定不变,则)1/()(DRIEUEo，所以 ooooooEUERPEUUERPEURIED/11 当取最小值时,D 为最大值，即-24.3V%102727minE 5.045)3.2495.0/(75005.03.2445maxD(2）如果要求输出电压为0V,此时占空比 D 为 62.060)3.2495.0/(75005.03.2460/ooomaxUERPEUD 理论上说明此电路是可以输出 6V 电压的。4.2.3升降压斩波电路 升降压斩波电路又称 BckBost 斩波电路,它是一种既可以升压,又可以降压的变换电路,输出电压相对于输入电压公共端为负极性输出。用GB作为开关器件的电路拓扑结构如图 4.2 所示。LR+-TG+-VDOILi+-EiDiuCuLECUOCi 图 4.12 升降压型斩波电路的拓扑结构图 4.3.电感电流连续导电模式 从图 4.可以看出,随着开关器件的通断,能量先存储到电感 L 中,然后再由电感向负载释放。电路工作原理如下：设电路已处于稳定工作状态,在0t时,使 T 导通，二极管VD 反偏而截止。一方面电源电压全部加到电感上，电感中的电流Li从1I线性增长至2I，储能增加，能量从直流电源输入并存储到电感中；另一方面,电容维持输出电压基本恒定并向负载供电，等效电路如图 4.13(a)所示。在ontt 时刻,使 T 关断,由于电感 L 中的电流Li不能突变，并产生上负下正的感应电动势Lu,当Lu大于负载电压oU时,V导通,电感L 经D 将存储的能量传递给电容 C 和负载 R，等效电路如图.13(）所示。可见,负载电压极性与电源电压极性相反,与降压斩波电路和升压斩波电路的情况也相反,因此该电路也称反极性斩波电路。导通和关断工况下各电量的工作波形如图 4.14 所示。RUo+-+EuLLiL+-uCCCiOI R+-Uo+-LOILiuL+-uCCCi （a)导通 VD 截止 (b)VD 导通 T 截止 图.13 连续导电模式升降压斩波电路等效电路图 -OOtOtOtiLI2I1UoUGuLtiCUCOtEtonOtTSILtoff-UoioIouo,uCI2-Io-Io 图 4.1升降压斩波电路的工作波形图 以上分析可知，在 T 导通期间，EuL,因此有 EtILtIILdtdiLuonLonLL12 (4.5)即 onLtILE （4.54）在关断期间，oLUu,则有-ooffLoffLLUtILtIILdtdiLu21 即 offLotILU (4.5)在电路稳态工作时，ont期间电感电流的增加量等于offt期间的减少量，由式（4.54)和式(4.55)得到 offoontUEt (45)将SonDTt和SoffTDt)1(代入式（46）,可求得输出电压平均值,为 EDDUo1 (4.57）当5.0D时，EUo,输出电压与输入电压大小保持不变;当15.0 D时，EUo，输出电压的值大于输入电压,为升压变换;当 00EVD2T1T2M-+EMabLRVD1EVD2T1T2M-+EMabioioUdUdnIo0Te0Io0Ud0第象限Te 图 48 两象限直流调速系统 4.5.2.四象限直流斩波电路供电的直流调压调速.已中分析过，在四象限运行工况下，电动机既可以正转控制也可以反转控制,且在正转和反转两种情况下,电动机都可以运行在电动状态和再生制动状态,有正向电动、正向再生制动、反向电动、反向再生制动四种工况。在正向电动、正向再生制动时，与两象-限直流调速一样。而在反向电动、反向再生制动时，电压 Ud反向，转速 n 反向，旋转电动势反向,转矩的极性与电流有关,可正可负。当电流o与电压 Ud方向相同时,转矩与转速 n 方向一致且为负,电动机工作于电动状态;当电流与电压 Ud方向相反时,转速方向不变,转矩为正,电动机工作于再生制动状态。各工作状态对应的象限如图.39 所示。nTeLRVD1EVD2T1T2Mba-+EMT3T4断通ioLRVD1EVD2T1T2Mba-+EMT3T4断通ioLRET1T2Mba-+EMVD3VD4T3T4断通ioLRET1T2Mba-+EMVD3VD4T3T4断通ioUd0Io0第象限Io0Te0Io0Te0第象限Ud0Te0Io0第象限UdUdUdUd 图 4.四象限直流调速系统 4.5.升压型斩波器在内馈式串级调速中的应用 内馈式串级调速是将带调节绕组的绕线式交流异步电动机的三相转子交流电引出,经三相不可控整流电路整流,通过晶闸管有源逆变电路变换为工频三相交流电，回馈到电动机的调节绕组,从而达到调速的目的,同时实现能量回馈和充分利用。但在调速时,为了保证附加的直流电动势随速度变化而变化，就需要通过调节逆变电路的逆变角来达到，速度越低逆变角越大,导致逆变电路交流侧的功率因数降低。如果在整流电路和和逆变电路之间加入一个升压型斩波电路，主电路结构如图 4.40 所示。M3整流升压斩波电路逆变LVDCIGBT三相交流电源 图 440 升压型斩波器在内馈式串级调速中的应用 从图中可看出，升压型斩波器由开关器件 IGBT、二极管 VD 和电感 L 构成,将不可控整流器的输出电压进行升压,然后送至晶闸管逆变电路的直流侧。调节 IGBT 的占空比，可以在整流电路输出不同电压的情况下使逆变电路得到相对稳定的直流电压，这样就可以把逆变角固定在最小逆变角上,使得逆变电路交流侧的功率因数始终为最大,从而可以提高系统-的功率因数。本章小结 本章介绍了直流斩波电路，其中包括降压（uc)斩波电路、升压(Boot）斩波电路、升降压(Bu-Boost)斩波电路、丘克（uk）斩波电路、Sei斩波电路、Zta 斩波电路、复合斩波电路和多相多重斩波电路。将 Buc电路与 Boo电路串联成两级电路即可构成 Bck-Bot 斩波电路或 Cuk 斩波电路；而 Sp电路则是输入部分类似于oost电路,输出部分类似于uckBot 电路，Zeta 电路则是输入部分类似于 BuBoost，输出部分类似于ck 电路，都是基本斩波电路的组合。将ck 电路和 Boo电路进行组合可以构成两象限和四象限复合型直流斩波电路。四象限桥式直流斩波电路可以改变输出电压、电流的极性,它对具有反电动势性质的直流电动机类负载，可以实现四象限运行,实现能量的双向流动。将几个结构相同的基本斩波电路进行组合,即可构成多相、多重直流斩波电路。多相、多重电路的输出电压、电流脉动小而更平滑，可以大大改善电路的输入、输入特性，还使滤波更易实现,同时可以提高电路的输出容量。最后介绍了直流斩波电路的几个基本应用,仅起引导作用,实际的应用较多，可以是不同的领域,读者可以根据需要参考其它资料。Bu电路和 Bst 电路是最基本的直流斩波电路,深刻理解和掌握这两种电路的工作原理和不同工作模式下的分析方法是学习本章的关键和核心，也是学习其他斩波电路的基础。本章的重点是,掌握降压斩波电路和井压斩波电路的工作原理、工作特点和波形分析方法。参考文献 1刘志刚,叶斌,梁晖.电力电子学.北京：清华大学出版社,0.阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术.北京：科学出版社,00 3.陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术 北京:高等教育出版社，204 4林渭勋.现代电力电子技术 北京：机械工业出版社，2005 5.王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社，000 6.贾正春，马志源 电力电子学.北京:中国电力出版社,2002.张加胜，张磊.电力电子技术.东营:石油大学出版社,20 习题与思考题.直流斩波主要有哪几种控制方式?2.绘制Buk和oost斩波电路的原理图,简述其工作原理。-3.试分别简述 Bu-Boost 斩波电路和uk 斩波电路的工作原理，并比较其异同点。4.在图 4.2 所示的 Buk 斩波电路中，已知电源电压 E=0V，负载电阻 R=10，电感和电容 C 足够大，TS=50s，to=s。（1）输出电压平均值 Uo;(2)输出电流平均值 I。.Buck 斩波电路如图 4.所示,开关器件为 IGB，电源电压 E=80，负载电阻=1，IB的导通压降为 1，斩波频率为Hz,占空比 D=0.5，电容足够大。（1)画出各电流波形；(2)求输出电压 Uo和电流的平均值；（3）计算直流电源输出的功率 PE。6.有一斩波频率Sf=50kHz的Buck斩波电路如图.2所示,工作在电感电流连续模式下，L=0.5m,输入电压 E15，输出电压 Uo=0V。（1)求占空比 D 的大小;()求电感电流的峰-峰值LI；(3）若允许输出电压的纹波%5/ooUU,求滤波电容 C 的最小值。7.在图 4.所示的 Buc斩波电路中,已知电源电压=12V，U=5,斩波频率Sf=10Hz,C=330F,电路工作于电感电流连续模式下。(）占空比 D 和电感电流的峰-峰值LI；（2)当输出电流为 1A 时,保证电感电流连续的临界电感值 L。(3)输出电压的纹波oU。.在图 4.2 所示的 Buck 斩波电路中，已知电源电压=200V,负载电阻 R=2，电感L 足够大，电源电压 EM=3V,S=5s，ton=20s。(1）输出电压平均值o;(2)输出电流平均值 Io;（3）输入电流平均值 IE。.在图4.2所示的Buck斩波电路中,已知电源电压E=1720V,额定负载电流为11A，最小负载电流为 1.1A,斩波频率Sf=0kz。要求输出电压 U=110V，纹波小于 1%；要求最小负载时,电感电流连续。(1)电感和电容 C 的值；(2)开关器件 T 和二极管D 的电压、电流参数。在图7 所示的 Boost 斩波电路中,已知 E50V，值和 C 值极大，R=2,采用脉宽调制控制方式,TS=s，ton 25s。-(1)输出电压平均值 Uo;(2)输出电流平均值o。11.在图 4.7 所示的 Bost 斩波电路中,电源电压100，负载电阻 R50,导通时间 ton=s，关断时间 toff=20s，设电感和电容的值足够大。(1)画出 uo、C 的波形；（2)输出电压平均值 U的大
