电力电子技术chapter5

1、中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )第第5章章 直流斩波电路直流斩波电路5.1 基本斩波电路基本斩波电路*5.2 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中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )u 6种基本斩波电路种基本斩波电路: 降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电 路、路、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，其中前两种是最基本的电路斩波电路，其中前两种是最基本的电路.u 复合斩波电路复合斩波电路: 不同基本斩波电路组合不同基本斩波电路组合.u 多相多重斩波电路多相多重斩

2、波电路: 相同结构基本斩波电路组合相同结构基本斩波电路组合. 2. 直流斩波电路的种类直流斩波电路的种类将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 1. 直流斩波电路的概念直流斩波电路的概念中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )5.1 基本斩波电路基本斩波电路 重点介绍最基本的两种基本电路重点介绍最基本的两种基本电路-降压斩波降压斩波电路和升压斩波电路电路和升压斩波电路.中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )EV+-MRLVDioEMuoiG V 为该电路全控型器件，为该电路全控型器件， 若采用晶闸管，需设置使若采用晶闸管，需设置使 其

3、关断的辅助电路。其关断的辅助电路。 为在为在 V关断时给负载中的关断时给负载中的 电感电流提供通道，设置电感电流提供通道，设置 了续流二极管了续流二极管VD。 斩波电路用途之一是拖动斩波电路用途之一是拖动 直流电机，也可带蓄电池直流电机，也可带蓄电池 负载，负载均会出现的反负载，负载均会出现的反 电动势。电动势。5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 a) 降压斩波电路的原理图降压斩波电路的原理图1. 电路结构电路结构（Buck变换器）变换器）中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 当当 t = 0 时刻时刻驱动驱动 V 导通，导通， 电源电源E 向负载供电，负载向负载供电，负载

4、 电压电压 uo= E，负载电流，负载电流 io 按指数曲线上升。按指数曲线上升。 当当 t = t1时刻时刻控制控制 V 关断，关断， 负载电流经二极管负载电流经二极管 VD 续续 流，负载电压流，负载电压uo近似为零，近似为零， 负载电流负载电流io呈指数曲线下降呈指数曲线下降. . 为了使负载电流连续且脉为了使负载电流连续且脉 动小，通常串接动小，通常串接 L 值较大值较大 的电感。的电感。tttOOOTEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiG图图5-1b)电流电流连续连续时的波形时的波形2. 工作原理工作原理中国石油大学中国石油大学( (

5、北京北京) ) 当电路工作于稳定时，负载电流在一个周期的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。初值和终值相等。tttOOOTEuGEtontoffioi1i2I10I20t1uo中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )EETtEdtTdtuTUontTooon0011REUIooM（5-1）（5-2）1) 负载电压平均值为负载电压平均值为降压斩波电路（降压斩波电路（BuckBuck变换器）变换器） 输出到负载的电压平输出到负载的电压平均值均值 Uo最大为最大为 E，若减小占空比，若减小占空比 ，则，则 Uo 随之减小。随之减小。 式中式中: ton 为为V处于通态的时间

6、处于通态的时间； toff 为为V处于断态的时间；处于断态的时间；T为开关周期；为开关周期； 为导通占空比为导通占空比（简称占空比或导通比）。（简称占空比或导通比）。2) 负载电流平均值为负载电流平均值为3. 定量计算定量计算L 值较大值较大,负载电流连续的情况负载电流连续的情况中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )OOOtttTEEc)uGEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图图5-1 c) 降压斩波电路电流断续时的波形降压斩波电路电流断续时的波形 当负载中当负载中 L 值较小，值较小，则在则在 V 关断后，到了关断后，到了 t2 时刻时刻，负载电流已衰减负载电流已衰

7、减为零为零，会出现负载电流，会出现负载电流断续，此时断续，此时, uo = EM 由由波形可见，负载电压波形可见，负载电压 uo平均值会抬高，一般不平均值会抬高，一般不希望出现电流断续的情希望出现电流断续的情况。况。 EV+-MRLVDioEMuoiGL 值较小值较小,负载电流断续的情况负载电流断续的情况中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )4. 斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式1）脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM 脉冲调宽型脉冲调宽型)保持开关周期保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间不变，调节开关导通时间 ton 2) 频率调制（调频型）频率调制（调频型）保持开关导通时

8、间保持开关导通时间 ton不变，改变开关周期不变，改变开关周期 T 3) 混合型混合型ton 和和 T 都可调，占空比都可调，占空比 改变改变根据对输出电压调制的方式，有三种控制方式：根据对输出电压调制的方式，有三种控制方式：PWM 脉宽调制型应用最广脉宽调制型应用最广中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )V V为通态期间，设负载电流为为通态期间，设负载电流为i1，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I10， = =L /R，解上式得，解上式得EERitiLM11ddtteREEeIi1101M（5-3）（5-4）EV+-MRLVDioEMuoiG5. 斩波

9、电路的电路分析斩波电路的电路分析(1) L值极大值极大,负载电流连续时负载电流连续时中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )V处于断态期间，设负载电流为处于断态期间，设负载电流为i2，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I20，解上式得，解上式得当电流连续时，有当电流连续时，有: I10 = i2 (t2) I20 = i1(t1) 0ddM22ERitiL（5-5）tteREeIi1202M（5-6）（5-7）（5-8）EV+-MRLVDioEMuoiGt2t1 = tont2 = T中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) V进入通态时的电流初值就是进

10、入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的在断态阶段结束时的电流值，反过来，电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是进入断态时的电流初值就是V在通态在通态阶段结束时的电流值。阶段结束时的电流值。由式（由式（5-4）、（）、（5-6）、（）、（5-7）和（）和（5-8）得出）得出REREeeI/T/tM11110REmee11（5-9）（5-10） 令令 ； ；/TEEm/MTTtt11/REmee11REREeeI/T/tM11120Imin = Imax = 中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )将式（将式（5-9）和式（）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得）用泰勒级数近似，可得

11、上式表示了平波电抗器上式表示了平波电抗器 L 为无穷大，负载电流完全为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。小值均等于平均值。o2010IREmII（5-11）当当L 为无穷大时，为无穷大时， ，0中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 假设假设L值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值为值为I1，则有，则有ooIITtIon1（5-14）I1 值小于等于负载电流值小于等于负载电流 I0，由上式得，由上式得oooIUEIEI1（5-15） 即输出功

12、率等于输入功率，可将降压斩波器看作直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流降压变压器 .EV+-MRLVDioEMuoiGI1IO中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 假如负载中假如负载中 L 值较小，可能出现负载电流断续，电流值较小，可能出现负载电流断续，电流断续时断续时有有 I10 = 0、且且 t = t2 = ton + tX ，i2 = 0，利用式（，利用式（5-7）和式（和式（5-6）可求出）可求出 tX 为为电流断续时，电流断续时， tx 1，输出电压高于电源电压，该电路为，输出电压高于电源电压，该电路为升压斩波电路升压斩波电路. T/toff表示升压

13、比，升压比的倒数表示升压比，升压比的倒数 = toff / T .offoontIEUtEI11)(（5-20）EtTEtttUoffoffoffono（5-21）3. 定量计算定量计算中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )则则 和导通占空比和导通占空比 a 的关系的关系: 式（式（5-21）可表示为）可表示为1（5-22）（5-23）EEU111o中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载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，即消耗，即根据电路结构并结合式（根据电路结构并结合式（5-235-23）得出输出电流的平均值）

14、得出输出电流的平均值Io为为 由式（由式（5-245-24）即可得出电源电流）即可得出电源电流I1为为oo1IUEI （5-24）（5-26）（5-25）RERUI1ooREIEUI2oo11中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 例例5-3 在图在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极大，值极大，R=20 ，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： )( 3 .13

15、350254040offVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667. 6203 .133oARUIo中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )4. 升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用 中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 升压斩波电路用于直流电动机传动时，通常是在直流升压斩波电路用于直流电动机传动时，通常是在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。实际电路中电感感 L 值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，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。也

16、有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。EMVDLVEMuo相当于原升压电路相当于原升压电路中的电源中的电源E用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路相当于原升压电路相当于原升压电路中的负载中的负载R中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )图图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路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a） 电路图电路图 b） 电流连续时电流连续时 c） 电流断续时电流断续时EMttTEioOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20u

17、oEMio中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )V处于通态时，设电动机电枢电流为处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式，得下式 设设i1的初值为的初值为I10，解上式得，解上式得当当V处于断态时，设电动机电枢电流为处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式，得下式 M11ddERitiLtMteREeIi1101EERitiLM22dd(5-27)(5-28)（5-29）1) 当电枢电流连续时当电枢电流连续时中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )设设 i2 的初值为的初值为 I20，解上式得，解上式得onttMtteREEeIi1202on（5-30）当电流连续时，当电流连续时

18、，t = ton时刻，时刻， i1 = I20；t =T 时刻，时刻，i2 = I10 ，由此可得由此可得)1 (1020onontMteREeII(5-31)1 (2010offofftMteREEeII(5-32)中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )REeemREeeREITtMoff111110(5-33)REeeemREeeeREITTtMon1120(5-34)由上两式求得由上两式求得:将式（将式（5-33）和式（）和式（5-34）用泰勒级数线性近似）用泰勒级数线性近似REmII2010（5-35）Imin = Imax = 中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )该式表

19、示了该式表示了L 为无穷大时电枢电流的平均值为无穷大时电枢电流的平均值Io，即，即 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源该式表明，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电压看作是被降低到了E。REEREmIoM（5-36）中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形 c）电流断续时t = 0时刻，时刻，i1=I10=0，令式（，令式（5-31）中）中I10= 0即可求出即可求出I20，进，进而可写出而可写出 i2的表达式。另外，当的表达式。另外，当t = t2时

20、，时，i2= 0，可求得，可求得i2持持续的时间续的时间txmmett11lnonx（5-37）当当 tx toff 时，电路为电流断续工时，电路为电流断续工作状态作状态 :eem11（5-38）EM2) 当电枢电流断续时当电枢电流断续时中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )5.1.3 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1. 升降压斩波电路结构升降压斩波电路结构VDERLCVi1i2uLuoIL5.1.3.1 升降压斩波电路升降压斩波电路一般：一般：L 很大，很大，iL=ILC 很大，很大，uo=Uo中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) V处于通态时，处于

21、通态时，E 经经 V 向电感向电感 L恒流（恒流（IL）充电，）充电， 其贮存能其贮存能 量：量：EILton， 此时电流为此时电流为 i1。 同时电容同时电容 C 恒压恒压 -Uo 并向负载并向负载 R供电。供电。 V关断时，电感关断时，电感 L 中的能量向中的能量向 负载恒流（负载恒流（IL）释放，）释放， 其释放其释放 能量能量：UoILtoff，电流为，电流为i2。 负载电压极性为上负下正，与负载电压极性为上负下正，与 电源电压极性相反，该电路也电源电压极性相反，该电路也 称作称作 - 反极性斩波电路反极性斩波电路VDERLCVi1i2uLuoILototi1i2tontoffILIL

22、2. 工作原理工作原理图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形OtuGEtontoff中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L吸收的能量与释放的能量相等，吸收的能量与释放的能量相等，即即 输出电压为输出电压为offoontIUtIELLEEtTtEttU1ononoffono（5-41）3. 定量计算定量计算中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 改变导通比改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/2 1时为升

23、压，因此将该电路称作时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路（升降压斩波电路（boost-buck 变换器）。变换器）。EU1oVDERLCVi1i2uLuoIL中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )图图5-4b中给出了电源电流中给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设两者的的波形，设两者的平均值分别为平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有，当电流脉动足够小时，有 : 由上式可得由上式可得:如果如果V、VD为没有耗损的理想开关时，则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。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。offon21ttI

24、I11onoff21IIttI（3-43）2o1IUEI （5-44）（3-42）中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )5.1.3.2 Cuk 斩波电路斩波电路1. Cuk 斩波电路结构斩波电路结构假定电感假定电感L1,、 L2很大、电容很大、电容 C 很大很大i1 = I1i2 = I2uc = UcERVDa)CVL1L2uoi1i2uc+-中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) V处于通态时处于通态时, EL1VE回路和回路和 RL2CVR回路回路 分别流过电流分别流过电流 I1、I2。2. 工作原理工作原理tOuGEtontoff 电容电容C 恒流（恒流（I2）放电，其释放

25、能量：）放电，其释放能量：UCI2ton。ERVDa)CVL1L2uoi1i2uc+-中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) V处于断态时，处于断态时，EL1C VD E回路和回路和 RL2VD R 回路分别流过电流回路分别流过电流I1、I2。 输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压的极性与电源电压极性相反。图图5-5 Cuk斩波电路斩波电路ERVDCVL1L2uoi1i2uc+-tOuGEtontoff 电容电容C 恒流（恒流（I1）充电，）充电， 其吸收能量：其吸收能量：UCI1toff。中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 稳态时电容稳态时电容 C 在一周期内在一周期内

26、吸收的能量与释放的能量相等，吸收的能量与释放的能量相等，即：即： 由此可得由此可得 off1on2tItI1onononoff12ttTttII（5-46）（5-47）offontIUtIUCC12中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )uV处于断态时，处于断态时，uV处于通态时处于通态时,tOuBtOuAtOuGEtontoff-UcuB = 0, uA = -UcuA= 0, uB = Uc)(conAUTtUcoffBUTtU UcERVDCVL1L2uoi1i2uc+-BA 中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )输出电压输出电压Uo与输入电压与输入电压 E 的关系可用以下方法

27、求得的关系可用以下方法求得 .又因电感又因电感L1的一个周期内电压平均值的一个周期内电压平均值UL1为零，所以为零，所以电感电感L2的一个周期内电压平均值的一个周期内电压平均值UL2为零为零,所以所以CoffBUTtUCoffBUTtUEConAoUTtUUconAUTtUBLUUE1oLAUUU2ERVDCVL1L2uoi1i2uc+-BA 中国石油大学中国石油大学( (北京北京) ) 可得出输出电压可得出输出电压Uo与电源电压与电源电压E的关系的关系 输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。 Cuk 斩波电路优点斩波电路优点 输入电源电流和输出负

28、载电流都是连续的，且脉动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。很小，有利于对输入、输出进行滤波。 EEtTtEttU1ononoffono（5-48）中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路EVDVi1L1C1uC1i2L2C2uo5.1.4.1 Sepic斩波电路斩波电路1. Sepic斩波电路结构斩波电路结构中国石油大学中国石油大学( (北京北京) )EVDVi1L1C1uC1i2L2C2uo 当当V处于通态时，处于通态时，E L1V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