电力电子第4章直流斩波

1、第第 4 章章 直流直流/直流变换直流变换直流斩波器直流斩波器 理想的电力电子变换器OOSSIVIV 为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。4.1 4.1 直流降压斩波电路直流降压斩波电路 4.2 4.2 直流升压斩波电路直流升压斩波电路 4.3 4

2、.3 直流升降压斩波电路直流升降压斩波电路 4.4 4.4 桥式直流斩波调压电路桥式直流斩波调压电路 4.5 4.5 斩波电路的驱动控制斩波电路的驱动控制 小结小结4.1 直流降压斩波电路直流降压斩波电路 一电阻和电感负载一电阻和电感负载 t=0 IGBTt=0 IGBT导通导通，udE。 t=tt=toff,IGBT,IGBT关断，电感关断，电感L经经二极管二极管D续流续流, , ud 0， 输出平均电压输出平均电压: : EETTETTTUonoffonond式中：式中：T 为开关周期；为开关周期；TTon为占空比为占空比11， UdE，降压斩波。，降压斩波。 在在IGBT导通区间有电流导

3、通区间有电流id, 经经E+IGBTLRE-,二二极管极管D截止，列电路电压方程为：截止，列电路电压方程为： )3.4()1(可得2.4解方程,，初始值为设)2.4(0101ttTddddeREeIiiRLIiRidtdiLE 当当t t = = toff 时时id达到达到I2020, ,同时同时IGBTIGBT关断。关断。 电感电感L经电流经电流R和二极管和二极管D D续流，续流， 回路电压方程为：回路电压方程为：)5 . 4()4 . 4(02020onTtDddddeIiiIiRidtdiL解方程可得，初始值为以在在I10I30， I20I40，电路进入稳，电路进入稳定状态。一般定状态。

4、一般PWMPWM调制的斩波电路，调制的斩波电路，脉冲频率都比较高，在占空比脉冲频率都比较高，在占空比较较大时，较小的电感大时，较小的电感L就可以使电流就可以使电流连续连续, ,且电流电流连续时，电流的且电流电流连续时，电流的脉动很小，可以认为电流脉动很小，可以认为电流id d不变。不变。在占空比在占空比较小时，电感储能不足，较小时，电感储能不足，仍会出现电流断续（图仍会出现电流断续（图4.1e,f4.1e,f）。）。 如果在负载如果在负载R上并联电容，则相上并联电容，则相当于增加了电容滤波。在电容很大当于增加了电容滤波。在电容很大时，负载侧电压可视为恒值，但实时，负载侧电压可视为恒值，但实际电

5、容都是有限制的，负载侧电压际电容都是有限制的，负载侧电压仍会有脉动仍会有脉动。 二反电动势负载二反电动势负载 T T导通时的电路方程：导通时的电路方程：)1 ()6 . 4(01tMtTdMddeREEeIiiERidtdiLE T T关断时：关断时：)9 . 4()1 ()8 . 4(02020ononTtMTtDddMddeREeIiiIiERidtdiL解方程可得，初始值为以在电流连续时忽略电流的脉动，则在电流连续时忽略电流的脉动，则)10. 4(REEIEUMdd式中： TTon在占空比较小时在占空比较小时id会断续（图会断续（图4.2c4.2c）。）。在电流断续时，负载侧电压在电流断

6、续时，负载侧电压ud=EM, ,显然电流断续后电枢显然电流断续后电枢侧平均电压较电流连续时抬高，机械特性上翘特性变软侧平均电压较电流连续时抬高，机械特性上翘特性变软 电流断续时理想空载转速电流断续时理想空载转速, , eCEn 0返回LC滤波的buck直流输出电压中直流输出电压中含有各次谐波电含有各次谐波电压，在压，在Buck开关开关电路的输出端与电路的输出端与负载之间加接一负载之间加接一个个LC滤波电路，滤波电路，减少负载上的谐减少负载上的谐波电压。波电压。滤波电感的作用：滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻畅通无阻滤波电容的作用：滤波

7、电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。阻抗很小。滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电抗对谐波的阻抗为： L滤波器电容对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C如果：如果：CL1q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波滤波BuckBuck变换器有两种可能的运行工况：变换器有两种可能的运行工况：（1 1）电感电流连续模式）电感电流连续模式 CCM(Continuous CCM(Continuous Current Mode)Curren

8、t Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零；指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2 2）电感电流断流模式）电感电流断流模式 DCMDCM（Discontinuous Discontinuous Current ModeCurrent Mode）：）：指在开关管指在开关管T T阻断期间内经二极管续流的电感电阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。流已降为零。二者的临界：称为电感电流临界连续状态：二者的临界：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。1.电流连续时只有两种开关状态 OSLVVdtdiL DLfVVTD

9、LVVTLVViSOSSOSonOSL )1()1(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL OLVdtdiL(2) 开关状态开关状态2：T管阻断管阻断, D管导通管导通(1) 开关状态开关状态1：T管导通管导通,D管阻断管阻断Q: 电流连续模式跟哪些因素有关电流连续模式跟哪些因素有关?4.2 4.2 直流升压斩波电路直流升压斩波电路( (电感电流连续）电感电流连续） 状态一状态一 开关管开关管T T导通时，导通时，电流经电感电流经电感L、T流通，流通， iL上升上升, , 电感储能。负载电感储能。负载R由电容由电容C提供电流提供电流，二极，二极管的作用是阻断电容经开管的作用是阻断电容经开关

10、管关管T T放电的回路。放电的回路。开关管开关管IGBT的导通时间为的导通时间为Ton010IitLTTon)12. 4()11. 4(010201TLEIItLEIiL设设占空比占空比则则状态二状态二T T关断时，二极管关断时，二极管D导导通，电容通，电容C在电源在电源E和电和电感反电动势感反电动势eL 的共同作的共同作用下充电，电感释放储用下充电，电感释放储能，电流能，电流iL下降，下降，iL同时同时提供电容的充电电流和提供电容的充电电流和负载电流负载电流iR。如果电容足。如果电容足够大，电容两端电压够大，电容两端电压ud波动不大波动不大( () )，负载负载R的电流的电流iR是连续的。是

11、连续的。 dtdiLUELddcUu 设，设，D导通时间为（导通时间为（t-Ton）,可得可得 02IionTtL)14.4()1()13.4)(020102TLUEIITtLUEIidondL在电路稳定后，联解式在电路稳定后，联解式4.124.12和式和式4.144.14，可得，可得 当占空比当占空比越接近于越接近于1 1，Ud越高，因为在越高，因为在T关断区关断区间，电容间，电容C在电源在电源E和电感反电动势和电感反电动势eL 的共同作用的共同作用下充电，因此负载侧电压下充电，因此负载侧电压Ud可以大于可以大于E，电路起升，电路起升压作用。压作用。1EUd如果是轻载状态，如果是轻载状态，i

12、R很小，电容充电电流大于很小，电容充电电流大于放电电流，负载侧电压可以不断升到很高，这称为放电电流，负载侧电压可以不断升到很高，这称为“泵升电压泵升电压”，过高的电压将损坏电路元器件，因，过高的电压将损坏电路元器件，因此升压电路不允许空载运行，并要注意采取过电压此升压电路不允许空载运行，并要注意采取过电压保护措施。保护措施。 (1)电流连续时 (2)电流断续时 Boost三种工作状态 电感电流连续 电感电流断续 电感电流临界连续TTSonDTDTSoff)1 ( LSL didtVSLsViD TLLSoL didtVV0(1)SLsVViD TL0/1/(1)SMV VD理想理想Boost变

13、换器的变压比变换器的变压比T导通导通,D截止截止T 阻断，阻断，D导通导通1、电感电流连续的工作状态电感电流连续的工作状态工作电流的平均值表达式工作电流的平均值表达式(电感电流连续）电感电流连续） 假定负载电流平均值为IO01/1OSLSIIIVo VID001TSDIIIID输入电流和电感电流的电流平均值均为：输入电流和电感电流的电流平均值均为： 通过二极管的电流通过二极管的电流ID等于负载电流等于负载电流IO （电容的平均电（电容的平均电流为零）流为零） 通过开关管通过开关管T的电流平均值为：的电流平均值为：电感电流的脉动量为电感电流的脉动量为：00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLV

14、D DTD DVLLfmaxmaxmax0012(1)12TDLSLIIIIiID DVDLf通过开关管通过开关管T和和D的电流最大值与电感电流的最大的电流最大值与电感电流的最大值相等：值相等：000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs 输出电压脉动等于开关管输出电压脉动等于开关管T导通期间电容导通期间电容C的电压的电压变化量，变化量， V0可近似地由下式确定可近似地由下式确定理想理想Boost变换器输出电压纹波的大小变换器输出电压纹波的大小 T T和和DD所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。理想理想Boost变换器开

15、关器件所承受的最大电压变换器开关器件所承受的最大电压2、电感电流断续的工作状态、电感电流断续的工作状态VG0, T管导通管导通,D截止截止 ssLLDTLVIimaxVG=0, T管阻断，管阻断，D导通导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/11DM11)1 (111)1 (11111111DDDDDDDDDDDDDVVMso3、电感电流临界连续的工作状态、电感电流临界连续的工作状态2max)1 (2)1 (2)1 (2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB)1/( ),1/(1DVVDMso)1/(1DM临界负载电流当负载电流

16、IOIOB,电感电流连续当负载电流IO=IOB ,电感电流处于连续与断流的边界当负载电流IOIOB,电感电流断流返回4.3 4.3 直流升降压斩波电路直流升降压斩波电路4.3.14.3.1Buck-BoostBuck-Boost 降压升压斩波电路降压升压斩波电路 状态一开关状态一开关T T导通导通电流电流iT=iL由电源由电源E经经T和和L,电流上升，电感电流上升，电感L储能，储能，如果电感电流是连续的，如果电感电流是连续的，则电流从则电流从T导通时的导通时的I01上上升，如果电流是断续的，升，如果电流是断续的，电感电流则从电感电流则从0上升，终上升，终止电流止电流I02同式同式4.12。在状

17、。在状态一时，二极管态一时，二极管D受反向受反向电压关断，负载电压关断，负载R由电容由电容C提供电流。提供电流。 状态二状态二开关开关T T关断关断开关开关T T关断时，电感关断时，电感电流电流iL从从T T关断时的关断时的I I0202下下降，并经降，并经C、R的并联电的并联电路，和二极管路，和二极管D流通，电流通，电感感L释放储能，电容储能。释放储能，电容储能。而电感电流而电感电流iL L 能否连续，能否连续，则取决于电感的储能。则取决于电感的储能。如果在状态一时，电感储能不足，如果在状态一时，电感储能不足，I I0202不够不够大，不能延续到下次大，不能延续到下次T T导通，电感电流就断

18、续。导通，电感电流就断续。如果电感和电容的储能足够大，或者尽管如果电感和电容的储能足够大，或者尽管电感储能不足，但是电容储能足够大，则负载电感储能不足，但是电容储能足够大，则负载电流电流id d是连续的，否则负载电流要断续。是连续的，否则负载电流要断续。 在电路稳定时如果电容储能足够大，负载电压不变如果电容储能足够大，负载电压不变ud=d=Ud d，在，在T T导通导通时（模式一），时（模式一）， uL L= =E E, , iL L的终止电流的终止电流I I0202为；为； TLEII0102占空比 TTon（4.16） 在在T T关断时（模式二），关断时（模式二）， uL L = =Ud,

19、d, iL L的终止电流的终止电流I I0202为为； TLUIId)1 (0201（4.17） 将式将式4.174.17代入式代入式4.164.16，可得，可得： EUd1当当0 0.5时，时，Ud E,在在0.5 E,因此因此调节占空比调节占空比，电路既可以降压也可以升压。，电路既可以降压也可以升压。 图图4.74.7直流升降压斩波电路工作状态和波形直流升降压斩波电路工作状态和波形 1.电感电流连续 2.电感电流断续 4.3.24.3.2Cuk升降压斩波电路升降压斩波电路 Buck-Boost型斩波电路中，负载与电容并联，电容型斩波电路中，负载与电容并联，电容充放电过程的电压波动，引起负载

20、电流的波动，因此充放电过程的电压波动，引起负载电流的波动，因此Buck-Boost斩波电路输入和输出端的电流脉动量都较斩波电路输入和输出端的电流脉动量都较大。大。 Cuk电路的特点是输入和输出端都串联了电感，减电路的特点是输入和输出端都串联了电感，减小了输入和输出电流的脉动，可以改善电路产生的电小了输入和输出电流的脉动，可以改善电路产生的电磁干扰问题。磁干扰问题。 模式一开关模式一开关T导通导通 电源电源E经经L1和开关和开关T短路，短路，iL1线性增加，线性增加，L1储能储能 电容电容C1经开关经开关T对对C2和负载和负载R放电，并使放电，并使电感电感L2电流增加，电流增加，L2储能。在这阶

21、段中，因为储能。在这阶段中，因为C1释放能量，二极管被反偏而处于截止状态。释放能量，二极管被反偏而处于截止状态。 模式二开关模式二开关T截止截止电流电流iL2连续连续电感电流电感电流iL1经二极管经二极管D续流，并且续流，并且L1产生的电感电动势与产生的电感电动势与电源电源E顺向串联，对电容顺向串联，对电容C1充电，充电，uC1可以大于可以大于E。 L2经二极管经二极管D产生维持负载产生维持负载C2和和R的电流。如果的电流。如果L2储能较储能较大，大，L2的续流将维持到下一次的续流将维持到下一次T的导通的导通电流电流iL2断续断续如果如果L2储能较小，续流在下一次储能较小，续流在下一次T导通前

22、就结束，电流导通前就结束，电流iL2断续，负载断续，负载R由电容由电容C2放电维持电流放电维持电流 在在CukCuk电路中，开关管电路中，开关管T T关断时，电容关断时，电容C1C1由电源由电源E E和和电感电感L1L1充电，产生升压作用充电，产生升压作用11EUC在开关管在开关管T导通时，电容导通时，电容C1经过开关经过开关T向向C2放电，放电，C2两两端平均电压端平均电压1CdUU因此有因此有： （4.19） EUd1Cuk电路在不同工作情况下的波形图电路在不同工作情况下的波形图返回4.4 4.4 桥式直流斩波调压电路桥式直流斩波调压电路4.4.14.4.1半桥式电流可逆斩波电路半桥式电流

23、可逆斩波电路 一个开关管组成的直流斩波电路可以调节直流输出一个开关管组成的直流斩波电路可以调节直流输出电压，但是输出电压和电流的方向不变，如果负载是电压，但是输出电压和电流的方向不变，如果负载是直流电动机，电动机只能作单方向电动运行，直流电动机，电动机只能作单方向电动运行， 如果电动机需要快速制动或可逆运行，要采用桥式如果电动机需要快速制动或可逆运行，要采用桥式斩波电路。斩波电路。一电动状态一电动状态 T1以以PWM信号驱动信号驱动 T1导通时电流自电源导通时电流自电源ET1RL电动机。电动机。T1关断时电感储能经电动机和关断时电感储能经电动机和D2续流续流 EUd二制动状态二制动状态 T2以

24、PWM驱动信号T2导通时，电动机经电感导通时，电动机经电感L、T2形成回路，电感形成回路，电感L电流上电流上升。升。T2关断时，电动机反电动势关断时，电动机反电动势EM，和电感电动势，和电感电动势eL（左、（左、右）串联相加，产生电流，经右）串联相加，产生电流，经D1将电能输入电源将电能输入电源E（图（图4.9c）。）。调节调节T2驱动脉冲的占空比驱动脉冲的占空比可以调节可以调节Ud，控制制动电流。，控制制动电流。 1MdEU4.4.24.4.2全桥式可逆斩波电路全桥式可逆斩波电路 T1、T3导通，电流自电路导通，电流自电路A点经电动机点经电动机流向流向B点，电动机正转；点，电动机正转；T2、

25、T4导通时，电流自导通时，电流自B点经电动机流点经电动机流向向A点，电动机反转。点，电动机反转。桥式（桥式（H型）斩波电路驱动三种控制方式型）斩波电路驱动三种控制方式一双极式斩波控制一双极式斩波控制 模式模式1：T1、T3同时驱动导同时驱动导通（通（T2和和T4关断），电流关断），电流id1自自E+T1RLEMT3E-,L电流上升，电流上升，eL和和EM极性如图极性如图。 T1、T3和和T2、T4成对作成对作PWM控制，并且驱动脉冲互补。控制，并且驱动脉冲互补。为避免为避免 “直通直通”现象，上下桥臂两个开关导通之间要留现象，上下桥臂两个开关导通之间要留有一定的有一定的“死区死区”。 模式模式

26、2：T1、T3关断，关断，T2、T4驱动，因为电感电流不能立驱动，因为电感电流不能立即为即为0，电流，电流id2的通路是的通路是ED4RLEMD2E+,L电流下降。因为电感经电流下降。因为电感经D2、D4续流，短接续流，短接T2和和T4不能导通不能导通。 AB间电压间电压UdEETTETTTTTETTETTUonononoffond) 12(12TTon式中：占空比式中：占空比在在TonT时，时，1；在；在Ton0时，时，1，占空比的调节范围为占空比的调节范围为11。在在1 0时，时，Ud 0,电动机反转电动机反转在在00,电动机正转电动机正转模式模式3：10, UdRD锯齿波的下降时间为：锯

27、齿波的下降时间为： PWMPWM发生器由比较器组成。比较器输出发生器由比较器组成。比较器输出PWMPWM信号。比较器后信号。比较器后的锁存器，锁存的锁存器，锁存PWMPWM信号，可以屏蔽环境干扰影响。信号，可以屏蔽环境干扰影响。 振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源和外接充放电振荡电路由一个双门限比较器，一个恒流源和外接充放电电容电容CT组成。组成。 误差放大器，可以通过误差放大器，可以通过9端和端和1端的外接电路组成比例或比端的外接电路组成比例或比例积分调节器。经例积分调节器。经2端外接电位器端外接电位器RP可以调节脉冲宽度。可以调节脉冲宽度。 分相电路由分相电路由Q触发器组成，其输入是振荡电路输出的时触发器组成，其输入是振荡电路输出的时钟信号钟信号UK,并以并以UK的前沿触发，其输出是频率减半的互补的前沿触发，其输出是频率减半的互补信号。信号。 组合门电路组合门电路A和