直流斩波电路精.ppt

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1、直流斩波电路1第1页，本讲稿共28页第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言 直流斩波电路（直流斩波电路（DC ChopperDC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流也称为直流-直流变换器（直流变换器（DC/DC ConverterDC/DC Converter）。）。一一般般指指直直接接将将直直流流电电变变为为另另一一直直流流电电，不不包包括括直直流流交交流流直流。直流。电路种类电路种类电路种类电路种类6 6种种基基本本斩斩波波电电路路（chopperchopper）：BuckBuck、BoostBoos

2、t、Boost-BuckBoost-Buck、CukCuk、SepicSepic和和Zeta chopperZeta chopper。复合斩波电路复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。相同结构基本斩波电路组合。2第2页，本讲稿共28页第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路引言引言 直流斩波电路工作原理直流斩波电路工作原理直流斩波电路工作原理直流斩波电路工作原理斩波输出直流平均电压：斩波输出直流平均电压：Uo=a aUs斩波电路输出功率：斩波电路输出功率：Po=UoIo斩波电路输入功率：斩波电路输入功率：Ps=

3、UsI1忽略其他损耗，可看作直流变压器：忽略其他损耗，可看作直流变压器：UoIo=UsI13第3页，本讲稿共28页3.1 3.1 基本斩波电路基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路3.1.4 Sepic和和Zeta斩波电路斩波电路(略略)4第4页，本讲稿共28页3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 电路结构 全控型器件，全控型器件，多为多为IGBTIGBT续流二极管续流二极管负载出现的负载出现的反电动势反电动势 典型用途之一是典型用途之一是拖动直流电动机拖动直流电动机，也

4、可带，也可带蓄电池负载蓄电池负载。降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper)电源输出能量电源输出能量电源输出能量电源输出能量等于负载消耗等于负载消耗等于负载消耗等于负载消耗能量能量能量能量i15第5页，本讲稿共28页3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路工作原理工作原理t=0时时刻刻驱驱动动V V导导通通，电电源源E向向负负载载供供电电，负负载载电电压压uo=E，负负载载电电流流io按按指指数数曲曲线线上上升升。t=t1时时控控制制V V关关断断，二二极极管管VD续续流流，负负载载电电压压uo近近似似为为零零，负负载载电电流流呈呈指指数数曲曲线线下降下降。通通常常串串接接

5、较较大大电电感感L L使使负负载载电流连续且脉动小。电流连续且脉动小。c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuotttooob)电流连续时的波形TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uooootttTEEuGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图图3-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形6第6页，本讲稿共28页数量关系数量关系电流连续电流连续负载电压平均值：负载电压平均值：（3-1）（3-2）tonV通的时间通的时间toffV断的时间断的时间a a 导通占空比导通占空比 电流断续电流断续，U Uo o 被抬高，一般不希望出现

6、。被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：负载电流平均值：3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路7第7页，本讲稿共28页斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式T不变，变不变，变ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）。）。ton不变，变不变，变T 频率调制。频率调制。ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型。混合型。此种方式应用此种方式应用此种方式应用此种方式应用最多最多最多最多基于基于“分段线性分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析的思想，对降压斩波电路进行解析 分分V处于处于通态通态和处于和处于断态断态 初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续3.1.

7、1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路8第8页，本讲稿共28页同样可以从同样可以从能量传递关系能量传递关系出发进行的推导出发进行的推导 由于由于L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为Io不变不变 电源只在电源只在V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为 在整个周期在整个周期T中，负载消耗的能量为中，负载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。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。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。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。输出功率等于输入功率，可将降压斩

8、波器看作直流降压变压器。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9第9页，本讲稿共28页3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路升压斩波电路（升压斩波电路（Boost ChopperBoost Chopper）保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结构电路结构1)1)升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理电感的存储电感的存储电感的存储电感的存储能量等于其能量等于其能量等于其能量等于其释放能量释放能量释放能量释放能量10第10页，本讲稿共28页工作原理工作原理假设假设L和和C值很大。值很大。V处于处于通态通态时

9、，电源时，电源E向电感向电感L充电，电流恒定充电，电流恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，输出电压供电，输出电压Uo恒恒定。定。V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向负载充电，并向负载提供能量。提供能量。0uGE0ioI1图图3-2 升压斩波电路及工组波形升压斩波电路及工组波形a)电路图电路图b)波形波形3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路11第11页，本讲稿共28页数量关系数量关系设设V通态的时间为通态的时间为 ton，此阶段，此阶段L上积蓄的能量为上积蓄的能量为 EI1ton设设V断态的时间为断态的时间为 toff，则此期间电感

10、，则此期间电感L释放能量为释放能量为(Uo-E)I1toff稳态时，一个周期稳态时，一个周期T中中L积蓄能量与释放能量相等：积蓄能量与释放能量相等：化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。，故为升压斩波电路。T/toff1升压比；升压比的倒数记作升压比；升压比的倒数记作b b，即，即b b=toff/T。b b和和a a的关系：的关系：a a+b b=13.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路12第12页，本讲稿共28页电压升高的原因：电感电压升高的原因：电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用 电容电容C可将输出电压可将输出电压保持保

11、持住住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载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，消耗，即即：EI1=UoIo。与降压斩波电路一样，与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值输出电流的平均值Io为：为：电源电流的平均值电源电流的平均值I1为：为：3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路13第13页，本讲稿共28页2)2)升压斩波电路典型应用升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动一是用于直流电动机传动二是用作二是用作单相功率因数校正单相功率因数校正电路电路三是用于其他交直流电源中三是用于其他交直流电源中t

12、tTEioob)电流连续时a)电路图i1i2I10I20I10tontofftoToEtc)电流断续时uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图图3-3 用于直流电动机回用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及馈能量的升压斩波电路及其波形其波形用于直流电动机传动用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。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。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。14第14页，本讲稿共28页数量关系数量关系当当V处于通态时，设电动机电枢电流为处

13、于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：，得下式：当当V处于断态时，设电动机电枢电流为处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：，得下式：当电流连续时，考虑到初始条件，近似当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电无穷大时电枢电流的平均值流的平均值 Io，即，即该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压该式表明，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看作是被降低到了 b bE 。m=EM/E15第15页，本讲稿共28页 当电枢电流断续时：当电枢电流断续时：可求得可求得 i2 持续的时间持续的时间 tx，即，即电流断续电流断续的条件的条件t tx x t t0f

14、f0ff3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路toToEtc)电流断续时电流断续时uoioi1i2t1t2txtontoffI2016第16页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路1）升降压斩波电路）升降压斩波电路 (buck-boost Chopper)电路结构电路结构电感的存储能电感的存储能电感的存储能电感的存储能量等于其释放量等于其释放量等于其释放量等于其释放能量能量能量能量17第17页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路基本工作原理基本工作原理a)otb)ot

15、i1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电源通时，电源E经经V向向L供电使其供电使其贮能，此时电流为贮能，此时电流为i1。同时，。同时，C维持输出电压恒定并向负载维持输出电压恒定并向负载R供供电。电。V断时，断时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流为电流为i2。负载电压极性为上负。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该下正，与电源电压极性相反，该电路也称作电路也称作反极性斩波电路反极性斩波电路。18第18页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路数量关系数量关系稳态时，一个

16、周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即所以输出电压为：V处于通态处于通态uL=EV处于断态处于断态uL=-uo19第19页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路图图3-4b中给出了电源电流中给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设两者的平均值的波形，设两者的平均值分别为分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有：，当电流脉动足够小时，有：当当0a 1/2时为降压，当时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为路。也有称

17、之为buck-boost 变换器。变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。otb)oti1i2tontoffILIL20第20页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路2)Cuk斩波电路斩波电路V通时，通时，E-L1-V回路和回路和R-L2-C-V回路有电流。回路有电流。V断时，断时，E-L1-C-VD回路和回路和R-L2-VD回路有电流。回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换。两点之间

18、交替切换。图图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a）电路图电路图 b）等效电路等效电路电容的存储能电容的存储能电容的存储能电容的存储能量等于其释放量等于其释放量等于其释放量等于其释放能量能量能量能量21第21页，本讲稿共28页3.1.33.1.3升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路数量关系数量关系V通态时间通态时间ton，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为 I2ton。V断态时间断态时间toff，则电容电流和时间的乘积为，则电容电流和时间的乘积为 I1toff。由此可得：由此可得：I2 ton=I1 toff 优点（与升降压斩波电路相

19、比）：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。小，有利于对输入、输出进行滤波。22第22页，本讲稿共28页3.2 3.2 复合斩波电路复合斩波电路3.2.13.2.1 电流可逆斩波电路（两象限斩波电路）电流可逆斩波电路（两象限斩波电路）3.2.23.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路（四象限斩波电路）（四象限斩波电路）23第23页，本讲稿共28页降压斩波电路能使电动机工作于第降压斩波电路能使电动机工作于第1 1象限。象限。升压斩波电路能使电动机工作于第升压斩波电路能使电动机

20、工作于第2 2象限。象限。3.2.1 3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路：降降压压斩斩波波电电路路与与升升压压斩斩波波电电路路组组合合。此此电电路路电电动动机机的的电电枢枢电电流流可可正正可可负负，但但电电压压只只能能是是一一种种极极性，故其可工作于第性，故其可工作于第1 1象限和第象限和第2 2象限。象限。24第24页，本讲稿共28页3.2.1 3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 电路结构电路结构V1和和VD1构成降压斩波电路，电动机为电构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第动运行，工作于第1象限。象限。V2和和VD2构成升压斩波电路

21、，构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工电动机作再生制动运行，工作于第作于第2象限。象限。必须防止必须防止V1和和V2同时导通同时导通而导致的电源短路。而导致的电源短路。25第25页，本讲稿共28页3.2.1 3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路工作过程（工作过程（三种工作方式三种工作方式)第第3 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。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

22、有电流流过。流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。电路响应很快。图图3-7 电流可逆斩波电路及波形电流可逆斩波电路及波形26第26页，本讲稿共28页3.2.2 3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路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。别向电动机提供正向和反向电压。图3-8 桥式可逆斩波电路 使使V4保保持持通通时时，等等效效为为图图3-7a所所示示的的电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路，提提供供正电压，可使电动机工作于第正电压，可使电动机工作于第1、2象限

23、。象限。使使V2保保持持通通时时，V3、VD3和和V4、VD4等等效效为为又又一一组组电电流流可可逆逆斩斩波波电电路路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限象限。27第27页，本讲稿共28页本章本章小结小结本章介绍了本章介绍了6 6种基本斩波电路、种基本斩波电路、2 2种复合斩波电路。种复合斩波电路。本本章章的的重重点点是是，理理解解降降降降压压压压斩斩斩斩波波波波电电电电路路路路和和升升升升压压压压斩斩斩斩波波波波电电电电路路路路的的工工作作原原理理，掌掌握握这这两两种种电电路路的的输输入入输输出出关关系系、电电路路解解析析方法、工作特点方法、工作特点直直直直流流流流传传传传动动动动是是斩斩波波电电路路应应用用的的传传统统领领域域，而而开开开开关关关关电电电电源源源源则则是是斩斩波波电电路路应应用用的的新新领领域域，前前者者的的应应用用在在逐逐渐渐萎萎缩缩，而而后后者者的的应用是电力电子领域的一大热点。应用是电力电子领域的一大热点。28第28页，本讲稿共28页