直流斩波电路 2

1第3章直流斩波电路直流斩波电路（直流--直流变换器）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电（不包括直流—交流—直流）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23.1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33.1.1降压斩波电路EV+-MRLVDioEMuoiG图3-1降压斩波电路的原理图及波形a)电路图V为该电路全控型器件，若采用晶闸管，需设置使其关断的辅助电路。为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路用途之一是拖动直流电机，也可带蓄电池负载，负载均会出现的反电动势。4•当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•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，通常串接L值较大的电感。•当电路工作于稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。tttOOOb)TEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uo图3-1降压斩波电路的原理图及波形b)电流连续时的波形5EETtEtttUoonoffononREUIooM（3-1）（3-2）负载电压平均值为式中，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；为导通占空比（简称占空比或导通比）。降压斩波电路（Buck变换器）输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比a，则U0随之减小。负载电流平均值为6OOOtttTEEc)uGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图3-1降压斩波电路的原理图及波形c)电流断续时的波形负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减为零，会出现负载电流断续，由波形可见，负载电压uo平均值会抬高，一般不希望出现电流断续的情况。7斩波电路三种控制方式1）脉冲宽度调制（PWM脉冲调宽型)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton2)频率调制（调平型）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T3)混合型ton和T都可调，占空比改变V为通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得EERitiLM11dd（3-3）tteREEeIi1101M（3-4）8V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，解上式得当电流连续时，有I10=i2(t2)I20=i1(t1)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。0ddM22ERitiL（3-5）tteREeIi1202M（3-6）（3-7）（3-8）9REmeeREREeeITt1111M//101REmeeREREeeITt1111//201M由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出/TEEm/MTTtt11/（3-9）（3-10）式中；；将式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似，可得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。o2010IREmII（3-11）10从能量传递关系推导得，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EI0ton。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗的能量为(RI2T+EMIoT)。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oTIETRItEIooMon20REEIoM（3-12）（3-13）假设L值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值为I1，则有ooIITtIon1（3-14）11I1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假如负载中L值较小，可能出现负载电流断续，电流断续时有I10=0、且t=ton+，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tX为电流断续时，txtoff，由此得电流断续的条件为oooIUEIEI1（3-15）memt)1(1lnx（3-16）11eem（3-17）12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立即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为Uo不仅和占空比有关，也和反电动势EM有关，此时负载电流平均值为EmTttTEttTEtUxonMxonono1)(（3-18）REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1（3-19）133.1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143.1.2升压斩波电路1.升压斩波电路EVRLVDCioi1iGuo图3-2升降压斩波电路及其工作波形a)电路图b)波形uGEI1iott00•当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，保持输出电压uo为恒值，记为Uo。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。•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，则此期间电感L释放能量为(Uo-E)I1toff。a)b)15电路工作稳态时，一个周期T中电感L积蓄能量与释放能量相等化简得式中，T/toff1，输出电压高于电源电压，该电路为升压斩波电路T/toff表示升压比，改变输出电压Uo的大小，升压比的倒数b=toff/T,则b和导通占空比的关系式（3-21）可表示为offoontIEUtEI11)(（3-20）EtTEtttUoffoffoffono（3-21）1b（3-22）（3-23）EEUb111o16升压斩波电路输出电压高于电源电压，关键原因L储能之后具有使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住实际输出电压会略低式（3-23）结果。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，即根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为由式（3-24）即可得出电源电流I1为oo1IUEI（3-24）（3-26）（3-25）RERUIb1ooREIEUI2oo11b17直流电动机传动用于单相功率因数校正（PFC）电路其他交直流电源中2.升压斩波电路的典型应用EVRLVDCioi1iGuo图3-2升降压斩波电路图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定的，因此不必并联电容器。18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EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo19V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式设i1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，得下式设i2的初值为I20，解上式得M11ddERitiLtMteREeIi1101EERitiLM22ddonttMtteREEeIi1202on(3-27)(3-28)（3-29）（3-30）20当电流连续时，t=ton时刻，i1=I20；t=T时刻，i2=I10，由此可得由上两式求得)1(1020onontMteREeII(3-31))1(2010offofftMteREEeII(3-32)REeemREeeREITtMoffb111110(3-33)REeeemREeeeREITTtMon1120(3-34)21将式（3-33）和式（3-34）用泰勒级数线性近似该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，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降低到了bE。REmIIb2010（3-35）REEREmIobbM（3-36）22tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形c）电流断续时当电枢电流断续时，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txmmett11lnonx（3-37）当txtoff时，电路为电流断续工作状态beem11（3-38）233.1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243.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1.升降压斩波电路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形可控开关V处于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压恒定并向负载R供电。V关断时，电感L中的能量向负载释放，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25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=-uo输出电压为改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路（buck-boost变换器）。Ttu0L0d（3-39）offoontUtE（3-40）EEtTtEttU1ononoffono（3-41）26offon21ttII11onoff21IIttI（3-43）2o1IUEI（3-44）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，有由上式可得如果V、VD为没有耗损的理想开关时，则其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。（3-42）272.Cuk斩波电路ERVDa)CVL1L2uoRb)CBASEi1L1L2i2uCuAuBuo图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。V处于断态时，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。28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，