直流斩波电路2

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3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路3.1.1降压斩波电路（BuckChopper）图3-1降压斩波电路的原理图及波形根据图中的控制信号原理知：◆在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。◆当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0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，通常串接L值较大的电感。◆至一个周期结束，重复上一周期过程，直至稳态。能量关系•当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，此时负载电压的平均值为：………(3-1)式中，ton为V处于通态的时间；toff为Ｖ处于断态的时间；T为开关周期；a为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值U0的最大值为E，若减小占空比a，则U0随之减小。因此，该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使用其英文名称，称为Buck变换器。•负载平均电流为：…………(3-2)若负载中L值较小，则在Ｖ关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。此时输出电压U0的平均值就会被抬高，一般不希望电流出现断续情况。EETtEtttUonoffonona0REUIM00根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：⑴保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，缩写为PWM)，或脉冲调宽型。⑵保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。⑶ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中第1种方式应用最多。基于电力电子实质上是分时段线性电路这一思想，对降压斩波电路进行解析。•在V处于通态期间，设负载电流为i1，则列出如下方程：，设此阶段电流初值为I10，τ=L/R解上式得：•在V处于断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：设此阶段电流初值为I20，解得：。•当电流连续时，有：I10=i2(t2)，I20=i1(t1)。由此可得到：，式中有：。将上面的两个式子用泰勒级数近似可得：上式表明，当平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值I0。此时负载最大、最小电流均等于平均值。EERidtdiLM11)1()(101tMteREEeIti022MERidtdiL)1()(202ononttMtteREeItiREmeeREREeeIMTt1111110aREmeeREREeeIMTta111112002010)(IREmIIa1/;/;/()()MtTTmEEtTa以上能量关系的简单推导•由于L无穷大，故负载电流维持为I0不变。电源只在V处于通态时提供能量，为EI0ton。从负载看，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，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：•则与前面计算的结论一致。由于负载电流平直，假设电源电流平均值为I1，则有：其值小于等于负载电流I0，由上式得：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。2000onMEItRITEIT0MEEIRa100ontIIITa1000EIEIUIa200MRITEIT若负载中L值较小，则有可能出现负载电流断续的情况。•电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，利用前面的式子可求得：•电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为：•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：U0不仅和占空比α有关，也和反电动势EM有关。•此时负载电流的平均值：memtxa)1(1ln11aeemEmTttTEttTEtUxonMxonon1)(0aREUREmTttdttidttiTIMxonttxon002010)()(1a3.1.2升压斩波电路（BoostChopper）1升压斩波电路的基本原理分析升压斩波电路的工作原理时，首先假定电路中电感L很大，电容C也很大。当V处于导通状态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定位I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压u0为恒定值，记为U0。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为(U0-E)I1toff。图3-2升压斩波电路及其工作波形a)电路图b)波形当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI1ton=(U0-E)I1toff化简得：上式中的T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也有的文献中直接采用其英文名称，称为Boost变换器。式中T/toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。若将升压比的倒数记作β，即β=toff/T，则β与导通占空比α的关系为：α+β=1因此，输出电压可表示为：EEUa11100onoffofoffttTUEEtft升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：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。但应注意实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然下降，故实际输出电压会略低于式中所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。若忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩电路也可看成是直流变压器。根据电路结构并结合前式得出输出电流的平均值I0为：则可得出电源电流为：00EIUI010UEIRR20110UEIIER⑴用于直流电动机传动；⑵用作单相功率因数校正（PFC）电路；⑶用于其他交直流电源中。2升压斩波电路的典型应用当升压斩波电路用于直流电动机传动时，通是在直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，此时的电路及工作波形如图3-3所示。由于实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电流连续和断续两种工作状态。此时，电动机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的畅游电源相当于图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。对升压斩波电路的分析图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）电流断续时如图，当可控开关V处于通态时，设电动机的电枢电流为i1，得：式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i2的初值为I10，解上式得：当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得：设i2的初值为I20，解上式得：当电流连续时，从图b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=T时刻i2=I10，由此可得：1020(1)offoffttMEEIIeeR2010(1)ononttMEIIeeR11MdiLRiEdt101(1)ttMEiIeeR220(1)ttonttonMEEiIeeR22MdiLRiEEdt当电枢电流表断续时的波形如图C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：当txtoff时，电路为电流断续工作状态，txtoff是电流断续的条件，即：根据此式可对电路的工作状态作出判断。由以上两式求得：把上面两式用泰勒级数线性近似，得：该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值I0，即：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除数降低到了βE。101111offtMTEeEeEImRReRe2011ontTMTEeeEeeEImRReRe11eme1ln1ontxmetm1020EIImR0MEEEImRR1ln1ontxmetm3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）设电路中电感L和电容C的值都很大，使电感电流iL和电容电压即负载电压u0基本为恒值。该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，也与降压斩波电路和升压斩波电路的情况正好相反，因此，该电路也称作反极性斩波电路。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：当V处于通态期间时，uL=E；而当V处于断态期间时，uL=-u0。于是：Eton=U0toff所以输出电压：由上式可见，若改变导通比a，则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。TLdttu00)(EEtTtEttUononoffonaa102Cuk斩波电路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该电路的等效电路如图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）在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：（3-46）从而可得：（3-47）Cuk电路的特点：与升降压电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,即其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。•Tti0C0doff1on2tItIaa1onononoff12ttTttII当电容C很大使电容电压Uc的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压Ｅ的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uc；相反，当S合到A点时，uB=uc，uA=0。因此，B点电压uB平均值为：（为电容电压##的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以##。另一方面，A点的电压平均值为##，且L2的电压平均值为零，按图3-5##中输出电压##的极性，有##，于是可得出输出电压##与电源电压E的关系为：这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。EEtTtEttUaa1ononoffono（3-48）输出电压与输入电压关系的另一种求法offBCtUUT3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a）Sepic斩波电路b）Zeta斩