斩波电路(第五章)

1、1第五章 斩波电路2第五章 斩波电路n主要内容主要内容降压斩波电路降压斩波电路升压斩波电路升压斩波电路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Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路3第一节 降压斩波电路 用斩波器斩切直流的基本思想是：通过改变开关的用斩波器斩切直流的基本思想是：通过改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。n降压斩波电路的工作原理降压斩波电路的工作原

2、理4第一节 降压斩波电路n降压斩波电路的分析降压斩波电路的分析5第一节 降压斩波电路6第一节 降压斩波电路7第一节 降压斩波电路n储能元件在处于稳态工作状态时，在一个开关周期内具有以下储能元件在处于稳态工作状态时，在一个开关周期内具有以下几个特点：几个特点：电感：电感：电流变化量电流变化量/伏秒面积为零，电压平均值为零伏秒面积为零，电压平均值为零；电容：电容：电压变化量电压变化量/安秒面积为零，电流平均值为零安秒面积为零，电流平均值为零；变压器：变压器：磁通变化量磁通变化量/伏秒面积为零伏秒面积为零。能量守恒原则：能量守恒原则：储存能量储存能量=释放能量释放能量，输入输出有功功率相，输入输出有

3、功功率相等。等。 8第一节 降压斩波电路n下面基于下面基于“分段线性分段线性”的思想，对降压斩波电路进行分析。的思想，对降压斩波电路进行分析。 V通态期间，设负载电流为通态期间，设负载电流为 ，可列出如下方程：，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为 ， ，解上式得，解上式得V断态期间，设负载电流为断态期间，设负载电流为 ，可列出如下方程：，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为 ，解上式得：，解上式得： EERidtdiLM1110IRL/)1 ()(101ononttMtteREEeIti1i2i022MERidtdiL)1 ()(202tMteREeIti

4、20I9第一节 降压斩波电路当电流连续当电流连续(CCM方式）时，有：方式）时，有： ; 当电流连续时，由上式可知电流最大值和最小值分别为当电流连续时，由上式可知电流最大值和最小值分别为 由上式联解可求得：由上式联解可求得： 令令 ， ， ， 则有：则有： ； ； )(2210tiI)(1120tiI)1 ()(20210onontTMtToffeREeItiI)1 ()(10120onontMtoneREEeItiIREREeeIMTton1110REREeeIMTton1120TTtonEEmMTTttonon/REmeeI)11(10REmeeI)11(2002010m-IREII10第

5、一节 降压斩波电路负载电流断续的情况负载电流断续的情况(DCM方式）：方式）： =0，且，且 时，时， ，利用式，利用式（5-5）和式（）和式（5-6）可求出为：）可求出为： 电流断续时，电流断续时， ，由此得出电流断续的条件为：，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即关即关断，负载两端电压等于断，负载两端电压等于 。输出电压平均值为：。输出电压平均值为： 此时负载电流平均值为此时负载电流平均值为 10Ixtt 02imemtx)1 (1lnoffxtt 11eemMEEmTttTEttTEt

6、UxonMxonono1)(REUREmTtttitiTIMttoxonoonx0021dd111第一节 降压斩波电路n数量关系数量关系 例题例题5-1 降压式斩波电路，输入电压为降压式斩波电路，输入电压为27V10%，输出电压为，输出电压为15V，求，求 占空比变化范围。占空比变化范围。 解：解：12第一节 降压斩波电路n数量关系数量关系 平波电抗器电感量的确定平波电抗器电感量的确定 必要性必要性：不连续的电枢电流对电动机的工作不利，是不希望的。因而：不连续的电枢电流对电动机的工作不利，是不希望的。因而 必须选择适当的平波电抗器电感量，保证在电动机的工作范围内，电枢电必须选择适当的平波电抗器

7、电感量，保证在电动机的工作范围内，电枢电 流是连续的。流是连续的。 对于定频调宽控制方式对于定频调宽控制方式 对于定宽调频控制方式对于定宽调频控制方式 选择回路电感应考虑两种情况：选择回路电感应考虑两种情况：是保证在是保证在 条件下，条件下， 连续；连续；是保证电流脉动系数是保证电流脉动系数K满足电机工作要求。按上述两种情况算出所满足电机工作要求。按上述两种情况算出所需的电感值。取两者中较大的一个作为电机回路中应有的电感值，需的电感值。取两者中较大的一个作为电机回路中应有的电感值，min01min8IECLLD)1 (2minmin02minIECLLDmin00II 0i13第一节 降压斩波

8、电路n数量关系数量关系平波电抗器电感量的确定平波电抗器电感量的确定例例5-2 有一降压斩波电路，有一降压斩波电路，E=120V，负载电阻，负载电阻R0=6，开关周期性通断，通，开关周期性通断，通30s，断，断20s，忽略开关导通压降，电感足够大。试求：忽略开关导通压降，电感足够大。试求：（1）负载电流及负载上的功率。）负载电流及负载上的功率。（2）若要求负载电流在）若要求负载电流在4A时仍能维持，则电感最小应取多大？时仍能维持，则电感最小应取多大？14第一节 降压斩波电路n斩波电路的控制方式斩波电路的控制方式时间比控制方式时间比控制方式(Time Rate Control TRC) 定频调宽控

9、制（脉冲宽度调制定频调宽控制（脉冲宽度调制PWM） ton=变数，变数，T =常数常数 定宽调频控制（脉冲频率调制定宽调频控制（脉冲频率调制PFM） ton=常数，常数，T =变数变数调频调宽混合控制调频调宽混合控制 ton=变数，变数，T =变数变数瞬时值控制和平均值控制瞬时值控制和平均值控制 方式方式瞬时值控制瞬时值控制 将电动机电流的瞬时值与预先给定的主电机电流上限值和下限值比较，将电动机电流的瞬时值与预先给定的主电机电流上限值和下限值比较，在电流达到上限值或下限值时即关断或开通斩波器，称为电流瞬时值在电流达到上限值或下限值时即关断或开通斩波器，称为电流瞬时值控制。控制。 平均值控制平均

10、值控制 方式方式 用检测出的电流平均值与给定值比较，根据其差值控制斩波器的开通用检测出的电流平均值与给定值比较，根据其差值控制斩波器的开通与关断，称为平均值控制。与关断，称为平均值控制。15第二节升压斩波电路n升压斩波电路原理图升压斩波电路原理图16第二节升压斩波电路n升压斩波电路动态演示升压斩波电路动态演示17第二节 升压斩波电路n例例5-3 升压式斩波电路，输入电压为升压式斩波电路，输入电压为27V10%，输出电压为，输出电压为45V，输出功率为，输出功率为750W，效率为，效率为95%，若等效电阻为，若等效电阻为=0.05。 （1）求最大占空比；）求最大占空比； （2）如果要求输出）如果

11、要求输出60V， 是否可能？为什么？是否可能？为什么？18第二节 升压斩波电路n升压斩波电路的升压斩波电路的典型应用典型应用 升压斩波电路的典型升压斩波电路的典型应用主要有三个方面：应用主要有三个方面：用于直流电动机传用于直流电动机传动；动；用作单相功率因数用作单相功率因数校正（校正（PFC）电路；）电路；用于其他交直流电用于其他交直流电源中。源中。 这里主要介绍用于这里主要介绍用于直流电动机回馈能直流电动机回馈能量的升压斩波电路。量的升压斩波电路。a a） 电路图电路图 b b） 电流连续时电流连续时 c c） 电流断续时电流断续时图图5-11 5-11 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路

12、及其波形用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形19第二节 升压斩波电路n下面就图下面就图5-11该电路做如下分析：。该电路做如下分析：。 V通态期间，设电动机电枢电流为通态期间，设电动机电枢电流为 ，可列出如下方程：，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为 ，解上式得，解上式得V断态期间，设负载电流为断态期间，设负载电流为 ，可列出如下方程：，可列出如下方程： 设此阶段电流初值为设此阶段电流初值为 ，解上式得：，解上式得： 1iMERitiL11dd10ItteREeIi1101M2iEERitiLM22dd20ItteREEeIi1202M20第二节 升压斩波电路当电流

13、连续时，有：当电流连续时，有： ; 当电流连续时，由上式可知电流最大值和最小值分别为当电流连续时，由上式可知电流最大值和最小值分别为 由上式求得由上式求得 设设 ， ， ， ， 则有：则有： 与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似， )(2210tiI)(1120tiIonontteREeII11020MoffofftteREEeII12010MREeeREITtMoff1110REeeeREITTtMon120EEmMTtoffTtonTREeemI1110REeeemI120REmII)(201021第二节 升压斩波电路当电流断续

14、时当电流断续时, 当当 =0时刻，时刻， ,令令 由下式可以求出由下式可以求出 。 进而可写出的进而可写出的 表达式。另外，当表达式。另外，当 时，时， ，可求得持续的时间，可求得持续的时间 ，即即 当当 时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态， 是电流断续的条件，即是电流断续的条件，即 根据上式可对电路的工作状态作出判断。根据上式可对电路的工作状态作出判断。t0101 IionontteREeII11020M010I20I2i2tt 02ixtmmett11lnonxoffxtt offxtt eem1122第三节第三节 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

15、n升降压斩波电路升降压斩波电路 23第三节第三节 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n升降压斩波电路的动态演示升降压斩波电路的动态演示24第三节第三节 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n升降压斩波电路的工作原升降压斩波电路的工作原理理 V通时，电源通时，电源E经经V向向L供电供电使其贮能，此时电流为使其贮能，此时电流为i1。同时，同时，C维持输出电压恒定维持输出电压恒定并向负载并向负载R供电。供电。 V断时，断时，L的能量向负载释的能量向负载释放，电流为放，电流为i2 。负载电压极。负载电压极性为上负下正，与电源电性为上负下正，与电源电压极性相反，该电

16、路也称压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路作反极性斩波电路 25第三节第三节 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nCuk斩波电路的工作原理斩波电路的工作原理Cuk斩波电路的原理电路如图斩波电路的原理电路如图5-13(a)所示。其等效电路如图所示。其等效电路如图5-13(b)所示。基本工作原理：所示。基本工作原理：V导通时，导通时，E-L1-V回路和回路和R-L2-C-V回路分别回路分别流过电流，流过电流，V断时，断时，E-L1-C-VD回路和回路和R-L2-VD回路分别流过电流，回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反，等效电路如图输出电压的极性与电源电压极性相

17、反，等效电路如图5-13(b)所示，所示，相当于开关相当于开关S在在A、B两点之间交替切换。两点之间交替切换。 图图5-13 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26第四节 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路nSepic斩波电路斩波电路（a）给出了给出了Sepic斩波电路的原理图斩波电路的原理图 Sepic斩波电路的工作原理是：当斩波电路的工作原理是：当V处于通态时，处于通态时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。V处于断态，处于断态，EL1C1VD负负载（载（C2和和R）回路及）回路及L

18、2VD负载回路同时导电，此阶段负载回路同时导电，此阶段E和和L1既向既向负载供电，同时也向负载供电，同时也向C1充电，充电，C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时向处于通态时向L转移。转移。nZeta斩波电路斩波电路 （b）给出了）给出了Zeta斩波电路的原理图。斩波电路的原理图。 在在V处于通态期间，电源处于通态期间，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。待贮能。待V关断后，关断后，L1经经VD与与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过，至振荡回路电流过零，零，L1上的能量全部转移至上的能量全部转移至C1上之后，上之后，VD关断，关断

19、，C1经经L2向负载供电。向负载供电。 27第五节 复合斩波电路和多相多重斩波电路 n复合斩波电路复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成；降压斩波电路和升压斩波电路组合构成；n多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成；相同结构的基本斩波电路组合构成；电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 电流可逆斩波电路的原理和电压、电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压电流可逆斩波电路的原理和电压、电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其斩波电路组合，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第可工作于第1

20、象限和第象限和第2象限。象限。V1和和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，通过控制动机供电，电动机为电动运行，通过控制V1的导通比可以控制电机的转速，的导通比可以控制电机的转速，工作于第工作于第1象限；象限；V2和和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，通过控制能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，通过控制V2的导通比可以调节电的导通比可以调节电机的制动功率，工作于第机的制动功率，工作于第2象限；象限； 28第五节 复合斩波电路和多相多重斩

21、波电路n电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路必须防止必须防止V1和和V2同时导通而导致的电源短路：同时导通而导致的电源短路：只作降压斩波器运行时，只作降压斩波器运行时，V2和和VD2总处于断态；总处于断态；只作升压斩波器运行时，则只作升压斩波器运行时，则V1和和VD1总处于断态；总处于断态；一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工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。作。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 电枢电流可逆，两象限运行，但是电压极性是单相的。电枢电流可逆，两象限运行，但是电压极性是单相的。 29第五节 复合斩波电路和多相多重斩波电路n桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路

22、 电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可极性是单向的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向制动的场合，须将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，成为桥式可逆斩波电路。电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路。 桥式可逆斩波电路的原理图如图桥式可逆斩波电路的原理图如图5-16（a）30第五节 复合斩波电路和多相多重斩波电路n桥式可逆斩波电路的工作模态桥式可逆斩波电路的工作模态工作模态工作模态1，斩波器

23、工作于第，斩波器工作于第1象限象限 使使V4保持通时，保持通时，V3一直处于关断，向电动机提供正电压，控制一直处于关断，向电动机提供正电压，控制V1和和V2可使可使电动机工作于第电动机工作于第1象限，即正转电动状态。象限，即正转电动状态。V1导通，导通，V2关断。关断。 工作模态工作模态2，斩波器工作于第，斩波器工作于第2象限象限 使使V4保持通时，保持通时，V3一直处于关断，向电动机提供正电压，控制一直处于关断，向电动机提供正电压，控制V1和和V2可使可使电动机工作于第电动机工作于第2象限，即正转再生制动状态。象限，即正转再生制动状态。V2导通，导通，V1关断。关断。 工作模态工作模态3，斩

24、波器工作于第，斩波器工作于第3象限象限 使使V2保持通时，保持通时，V1一直处于关断，一直处于关断，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组（电等效为又一组（电压反向）电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第压反向）电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3象象限即反转电动状态，始终处限即反转电动状态，始终处V2于导通状态，于导通状态，V1于关断状态。于关断状态。V3导通，导通，V4关关断。断。 工作模态工作模态4，斩波器工作于第，斩波器工作于第4象限象限 使使V2保持通时，保持通时，V1一直处于关断，一直处于关断，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组（电压

25、等效为又一组（电压反向）电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第反向）电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第4象限，象限，即反转再生制动状态。即反转再生制动状态。V3关断时，电流不能突变。导致关断时，电流不能突变。导致VD3导通，电感向电导通，电感向电动机供电。斩波器工作在第动机供电。斩波器工作在第4象限，电动机作为反转再生制动时。象限，电动机作为反转再生制动时。 31第五节 复合斩波电路和多相多重斩波电路n桥式斩波电路的划分桥式斩波电路的划分 桥式斩波电路又有双极性、单极性和受限单极性之分。桥式斩波电路又有双极性、单极性和受限单极性之分。双极性工作方式双极性

26、工作方式 四个开关器件四个开关器件V1与与V4， V2与与V3同时导通和关断，且工作于互补状同时导通和关断，且工作于互补状态，即态，即V1与与V4导通时，导通时， V2与与V3关断，反之亦然。关断，反之亦然。 单极性工作方式单极性工作方式 单极性工作方式四个开关器件中单极性工作方式四个开关器件中V1和和V2工作于互补的工作于互补的PWM方式，方式，而而V3和和V4则根据电动机的转向采取不同的驱动信号，电动机正转时，则根据电动机的转向采取不同的驱动信号，电动机正转时，V3恒关断，恒关断，V4恒导通；电动机反转时，恒导通；电动机反转时，V4恒关断，恒关断，V3恒导通。由于恒导通。由于减少了减少了V

27、3和和V4的开关次数，开关损耗减少，这是单极式工作方式的的开关次数，开关损耗减少，这是单极式工作方式的优点。优点。 受限单极性工作方式受限单极性工作方式 在单极性工作的基础上，为了进一步减少开关损耗和减少桥臂直通在单极性工作的基础上，为了进一步减少开关损耗和减少桥臂直通的可能性，在电动机要求正转时，只有的可能性，在电动机要求正转时，只有V1工作于工作于PWM方式，方式，V4始终始终处于导通状态，而处于导通状态，而V3与与V2全断；而在电动机要求反转时，只有全断；而在电动机要求反转时，只有V2工工作于作于PWM方式，方式，V3始终处于导通状态，而始终处于导通状态，而V1与与V4全断。全断。 32第五节 复合斩波电路和多相多重斩波电路n桥式可逆斩波电路的控制桥式可逆斩波电路的控制 基于桥式可逆斩波电路的基本原理，用微机来实现脉冲宽度调制通常有两基于桥式可逆斩波电路的基本原理，用微机来实现脉冲宽度调制通常有两种方法：软件方案和硬件方案。选择的硬件方案如图种方法：软件方案和硬件方案。选择的硬件方案如图5-17所示。所示。图图5-17脉冲宽度调制原理图脉冲宽度调制原理图33第五节 复合斩