直流斩波器

第4章直流-直流变换电路直流-直流变换器是将一种直流电压变换成另一种符合负载要求的直流电压的电力电子装置。其工作原理是利用电力电子器件的高速的开关性能，将直流电首先变换成脉冲列，然后经滤波电路得到满足负载要求的直流电，所以又叫直流斩波器（Copper）。4.1直流斩波器的基本电路直流斩波器的基本电路有降压型（Buck）、升压型（Boost）和升-降压型（Buck-Boost）三种基本形式，但实际应用中对上述三种基本电路进行适当地改进和组合还会形为多种新的电路形式。在本章的分析中，对电路做以下假设：（1）忽略电路的漏电感、杂散电阻等参数；（2）认为电力电子开关器件和与之配合的二极管是理想的，即导通时压降为0、阻断时漏电流为0、开关过程瞬间完成；（3）滤波电路的电磁时间常数远大于电子开关的工作周期，认为负载电压在一个开关周期中为常数。4.1.1降压型（Back）斩波电路降压型斩波电路的主电路结构如图4-1所示，图中S为电力电子开关，可用全控型电力电子器件来实现，也可用晶闸管加适当的换流电路来实现。电力电子开关按照一定的规律周期性地开通和关断，其工作周期为T，开关接通的时间为Ton，关断的时间为Toff，offonTTT+=（4.1）Ton与T的比值为占空比DTTDon=（4.2）UOUVDRLCSuDiL图4-1降压型斩波器主电路PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建炣为续流二极管，与电子开关交替工作。L为储能电感，C为滤波电容，R为负载电阻，E为直流电源。根据假设电容C和负载电阻R构成的时间常数远大于电力电子开关的工作周期，负载电压UO在一个工作周期中为常数。在S闭合期间，电源U通过S、L向负载供电，续流二极管因承受反压而关断。二极管两端的电压uVD=U，电感两端的电压uL=U-UO，滤波电容被充电。电感电流iL上升，根据基尔霍夫定律，回路电压方程为OLUUdtdiL-=（4.3）设t=0时S闭合，初始条件为iL（t=0）=ILmin，则（4.3）的解为minLOLItLUUi+-=到t=Ton=DT时S关断，电路进入续流状态，由于电感的储能作用续流二极管VD导通，为iL提供回路，此时负载靠电容的放电和电感的能量释放获取电压，所以电感电流下降，此时的回路电压方程为OLUdtdiL-=（4.4）设在S闭合转为断开的瞬间（即t=DT）电感电流为iL（t=DT）=ILmax，则式（4.4）的解为max)(LOLIDTtLUi+--=储能电感上的电流为三角波，在电路稳定工作状态时电感电流在开关闭合的瞬间从最小值开始线性上升，到开关断开的瞬间达到最大值，而后又从最大值开始线性下降到最小值。因此，在一个周期中电感电流的变化规律为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧---+-+=)()1(maxminmaxminmaxminDTtTDIIItDTIIIiLLLLLLLTtDTDTt≤≤≤0（4.5）由式（4.3）、（4.4）可看出储能电感上的电压为矩形波，如图4-2所示。根据电感上无直流电压成分这一原则，波形的正面积与负面积应相等，即TDUDTUUOO)1()(-=-（4.6）由此可得出负载电压与电源电压的关系为PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=（4.7）因设定滤波电容的容量足够大，负载电阻的电流无交流成分，其数值为RUIOO=（4.8）IO也就是电感电流的平均值，即2minmaxLLOIII+=由式（4.5）得出电感电流的峰-峰值IPP为DTDLUIPP)1(-=（4.9）IPP随D变化的曲线如图4-3。图4-2Buck电路的波形图4-3IPP与D的关系如果IPP很大，在S断开期间电感电流下降很快，在S尚未再度开通时iL已下降到0，此后的一段时间iL保持0值，电路出现电流断续现象，对电路中各电量会有一定的影响，此时各电量的波形如图4-4所示。图中示出了二极管两端的电压，该电压经电路右侧的LC滤波后为负载电压UO，所以其平均值即为UO。可见电流断续比电流连续时UO有所增大。电感电流连续的临界值（平均值）ILB为DTDLUIIPPLB)1(221-==（4.10）在D=0.5时达到最大值，就是说在D=0.5时电流最容易断续。如果令电流断续时电感电流平均值（也就是负载电流平均值IO）与ILB的比值为k，不难推出电流断续时负载电压与D和k的关系为kDDDUUO)1(-+=（4.11）PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建根据式（4.11）做出电流断续时负载电压与占空比的关系曲线如图4-5。图4-4电流断续时各电量的波形图4-5电流断续时负载电压与占空比的关系4.1.2升压型（Boost）斩波电路升压型斩波器的主电路如图2-6所示。可以看出，升压电路和降压电路的拓扑结构是相同的，只是两者S、L、VD的位置不同。uOUVDRCSuSLiL图4-6Boost电路S闭合时，电源、电感、S形成回路，S两端的电压为0，电源向电感输送电能，电感电流上升。由于S的闭合二极管VD两端的电压为－UO，VD阻断，C通过R形成放电回路，供给负载电压。S断开，切断了电感的充电回路，由于电感中的电流不能突变，电感、电源、二极管和负载形成回路。电感两端出现感应电压，方向左负右正，该电压与电源顺向串联与负载连接，使得电容两端的电压即负载电压高于电源电压，所以该电路叫做升压型斩波器。假设电容的容量足够大，在S断开电源和电感给电容充电时，电容电压的变化可忽略，而在S接通电容向负载放电时电容电压的变化也可忽略，这样电容两端的电压将保持在大于电源电压的数值上。电路工作时各电量的波形如图4-7所示。仍设电子开关S闭合的时间为Ton，电子开关断开的时间为Toff。闭合时电感电压UL=U，S断开时UL=U－UO，UL的波形为矩形波。电感电压不可能出现直流成分，UL波形的正面PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建炣积与负面积应相等，即UTon=（U－UO）Toff。或UDT=（UO－U）（1－D）T，由此得出负载电压与电源电压的关系为DUUO-=1（4.12）UO与U的关系曲线如图4-8。图4-7Boost电路的波形图4-8Boost电路UO与D的关系如果电路处于稳定状态，开关闭合时电感电流iL上升，开关断开时iL下降，iL的变化规律为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧---+=tDLUUItLUIiOLLL)1(maxminTtDTDTt≤≤≤0（4.13）注意到开关闭合前瞬间电流为ILmin，开关关断前瞬间电流为最大值ILmax。根据上式可得出电感电流iL的峰-峰值为PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=-=minmax（4.14）ILmin=0时电流临界连续，临界电流ILB为LDUTIIPPLB221==（4.15）在一个开关周期的不同时段，电感电流分别流过开关和二极管，在电感临界连续时二极管电流和开关电流的波形如图4-9所示。由电路结构可看出，二极管的电流平均值就是负载电流平均值，在临界连续时，二极管电流IVD为一三角形，其平均值IOB为三角形的面积除以开关周期T，即LUTDDIOB2)1(-=（4.16）图4-9电流临界连续时的电流波形Boost电路在电感储能不够大时也会出现电流断续的现象，有关电量的波形如图4-10所示。在Ton期间，S闭合，开关两端电压uS=0，电感电压uL=U。在T1期间，电感电流衰减，二极管导通，uS=UO，电感电压uL=U－UO。在T2期间，电感电流已衰减到零并保持零值，uS=0，uL=0。可计算出此时UO与U的关系为UIDIDUOBOO)/)1(1(-+=（4.17）如果令k=IO/IOB，做出电流断续时UO与U的关系曲线如图4-11。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的关系曲线降压型斩波器主电路器件的参数选择可遵循以下原则：（1）电力电子开关S在VD导通时S承受的电压为UO，UO可作为选择电子开关电压参数的依据，在D较大时UO比电源电压大得多。电子开关的最大电流瞬时值为ILmax，由波形图可看出PPOLIII21max+=（4.18）IPP由式（4.15）得出，IPP与电路参数有关，IO由负载电压和电阻决定。（2）二极管VD在S导通时VD承受的电压为UO，所以UO也是选择二极管电压参数的依据。二极管的最大电流瞬时值也为ILmax，式（4.15）也是选择二极管电流参数的依据。（3）电感L可以从两个方面选择电感。其一，把最小连续电流平均值作为选择电感的依据，由式（4.15）可看出，如果要求临界连续电流为ILB，电感必须满足PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建≥（4.19）还可从限制电流波动的角度选择电感值，电流的波动由电流的峰-峰值来衡量，根据式（4.14），如果要求电流的波动值不大于IPP，电感应满足PPIDUTL≥（4.20）（4）电容C电容的大小决定负载电压的波动程度，因此负载的电压波动作为选择电容的依据。在S导通期间，负载靠电容放电在维持电流，设在整个S导通期间（持续时间为DT）电容电压亦即负载电压下降了ΔU，并假设负载电流IO在此期间恒定，则DTICUO1=Δ根据上式可确定电容的数值，ΔU与IO和D均有关，考虑在最严重的情况下仍能保证电压的波动符合要求，电容的容量应满足UTDICOΔ≥maxmax（4.21）4.1.3升-降压型（Buck-Boost）斩波电路升-降压型（Buck-Boost）斩波电路主电路图如图4-12所示。在与升压和降压电路相同的拓扑结构上S、L、VD的位置又发生了变化。仍定义开关S的工作周期为T，S闭合的时间为Ton，S断开的时间为Toff。在S闭合期间，电源通过开关与电感形成回路，电感电流上升，在图4-12中该电流的方向是顺时针的。此时二极管承受反压阻断，负载电流由电容放电提供。S断开时，由于电感电流不能突变，电流通过负载和二极管形成回路，向电容充电和供给负载以电能，在图4-12中，电流的方向是反时针的。由此可看出电容电压的极性上负下正。因此该电路又叫做极性反转型斩波器。电感电压和电流的波形如图4-13所示。uOUVDRLCuLS图4-12升-降压型斩波器主电路PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建升-降压型斩波器波形电感电压不可能有直流成分，即uL波形的正负面积相等TDUUDTO)1(-=负载电压与电源电压的关系为UDDUO-=1（4.22）负载电压与电源电压的关系曲线如图4-14所示。图4-14负载电压与电源电压的关系曲线由图4-14可看出，当D0.5时，负载电压小于电源电压；D0.5时负载电压大于电源电压。既可升压又可降压。升降压型斩波器在电感储能不够大时也会出现电流断续的现象，其分析方法和对电路造成的影响与降压型电路相似，不再赘述。由上面对Boost和Buck-Boost电路的分析可知，在D接近1时负载电压趋于无穷大，PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建但实际上这是不可能的。导致上述结论的原因是在分析中忽略了回路中的电阻。实际上在输出电压较大时回路电阻是不能忽视的，尽管这个电阻可能很小。下面以降压型斩波器为例对含有回路电阻的电路进行分析。将回路电阻表示为R1，如图4-15所示。uOURCSuSLiLR1图4-15含有电阻的Boost电路将回路总的杂散电阻等效为R1，其它参数不变。当S闭合时回路电压方程为onppLLTILRiUdtdiL≈-=1（4.23）S闭合时回路电压方程为offppoLLTILURiUdtdiL-≈--=1（4.24）由此可得)()(11RiUTURiUTLonoLoff-=--