直流斩波电路2

第十二讲直流斩波电路分析直流斩波电路（DCChopper）：将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电也称为直接直流--直流变换器（DC/DCConverter）一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流习惯上，DC—DC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况直流斩波电路的种类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，其中前两种是最基本的电路复合斩波电路——不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合12.1基本斩波电路重点介绍最基本的两种基本电路---降压斩波电路和升压斩波电路12.1.1降压斩波电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示图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tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG工作原理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时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大数量关系电流连续时，负载电压平均值ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比Uo最大为E，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。负载电流平均值电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）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—混合型基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行分析V通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：（3-3）设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得（3-4）V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：（3-6）当电流连续时，有：（3-7）EETtEtttUonoffononoREUIMooEERitiLM11ddtteREEeIi1101MtteREeIi1202M0ddM22ERitiL)(2210tiI)(1120tiI（3-8）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。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REmeeREREeeITt1111M//101REmeeREREeeITt1111M//201/TEEm/MTTtt11/o2010IREmIITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oonoREEIMoooon1IITtI（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。负载电流断续的情况：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）12.1.2升压斩波电路1.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ooo1IUEIEImemt)1(1lnx11eemEmTttTEttTEtUxonMxonono1)(REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1on1tEIoff1otIEU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）波形化简得：（3-21），输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。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off1oon1tIEUtEIEVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOttEtTEtttUoffoffoffono1/offtToff/tTTtoff1EEU111o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）2.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波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时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oo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo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。电路分析V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式（3-27）式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初值为I10，解上式得（3-28）当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（3-29）设i2的初值为I20，解上式得：（3-30）当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：（3-31）（3-32）由以上两式求得：（3-33）（3-34）与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得M11ddERitiLtteREeIi1M101EERitiLM22ddttteREEeIi1M202ononon1M1020tteREeIIoffofftmteREEeII12010REeemREeeREITt1111offM10REeeemREeeeREITTt11onM20（3-35）该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了。当电枢电流断续时的波形如图3-3c所示。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（3-37）当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是电流断续的条件，即（3-38）根据此式可对电路的工作状态作出判断。12.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1.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。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REmII2010REEREmIoMEmmett11lnonxeem11VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形稳态时，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）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0a1/2时为降压，当1/2a1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-BoostConverter）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）波形由上式可得：Ttu0L0doffoontUtEEEtTtEttU1ononoffonooffon21ttIIVDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL11onoff21IIttI（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。2.Cuk斩波电路图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即（3-45）