第十三讲直流斩波电路

1、电 力 电 子 技 术Power Electronic TechnologyPower Electronic Technology直流斩波电路直流斩波电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组直流斩波电路分析直流斩波电路分析v 直流斩波电路（DC Chopper） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter） 一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流 习惯上，DCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况 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

2、、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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 直流斩波电路分析直流斩波电路分析下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。v在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的切换只能通过强迫换流措施来实现。由于强迫换流电路需要较大的换流电容、

3、辅助晶闸管等，造成了线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断能力的器件作为开关器件。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 降压斩波电路降压斩波电路v斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c） 电流断续时的波形v工作原理工作原

4、理 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使串接的电感L值较大 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 降压斩波电路降压斩波电路v数量关系数量关系 电流连续时电流连续时，负载电压平均值 tonV通的时间 toffV断的时间 导通占空比占空比 Uo最大为E ，减小占空比，Uo随之减小。因此称为降压降压斩波电路。 负载电流平均值 电流断续时，电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现 EETtEtttUonoffonono

5、（3-1）REUIMoo（3-2）tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 降压斩波电路降压斩波电路v斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）ton不变，变T 频率调制（PFM）ton和T都可调，改变占空比混合型此种方式应用最多tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGton

6、toffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组PWM控制器SG3525)37 . 0(1DTTRRCf合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组降压斩波电路降压斩波电路(BUCK)(BUCK)v从能量传递关系出发进行的推导 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 在整个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 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 则 onotEITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oono（3-12）REEIMo（3

7、-13） 在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有 其值小于等于负载电流Io，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。 ooon1IITtI（3-14）ooo1IUEIEI（3-15）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路升压斩波电路1.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路

8、图 b）波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEU ontEI1EtTEtttUoffoffoffono（3-21）（3-20）offoontIEUtEI11)(化简得： T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和的关系：因此，式（3-21）可表示为 off/tT1bEEUb111oTtoffb（3-23）（3-22）合肥工业大学电气工程

9、学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路升压斩波电路v 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住 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 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。 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： ooIUEI1（3-24）RERUIb1oo（3-25)REIEUI2oo11b（3-26）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升压斩波电路升压斩波电路

10、(BOOST)(BOOST)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:2-Mar-2004 Sheet of File:F:hhh767767.DdbDrawn By:CE1OUT2NC3LX5GND4NCP1402SN50T110u68u1N581747uHB+50.1uB- NCP1402SN50T1是ONSEMI公司生产的高效率、低功耗升压型DC/DC转换器，其内置PFM（脉冲频率调制）振荡器、PFM控制器、PFM比较器、软起动电路、电压基准及MOEFET开关管，还具有限流电路。其输入电压范围为0.8V5.5V，输出为固定的5V电压，输出额

11、定电流为200mA。 内部MOSFET开关管导通时，管脚LX连接的47uH电感进行储能；内部MOSFET开关管关断时，电感释放能量，在管脚OUT产生高于输入电压的+5V，通过电容滤波，得到稳定输出电压。外接肖特基二极管，使输出电压不会反回至输入端。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组有源有源 交流输入电压经桥式整流后，再经过DCDC变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随整流电压基准值，可获得较高的网侧功率因数，并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈控制环：输入电流环使DCDC变换器输入电流为全波整流波形，并且与全波整流电压波形相位相同；输出电压环DCDC变换器使输出端为一

12、个直流稳压源，达到直流电源的稳压效果。 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组有源有源 在控制电路中设置按正弦绝对值规律变化，并且与电路输入电压uS同相位的给定电流iref，并使电感电流iL围绕iref升降，则iL近似地按正弦绝对值脉动，图c为VF的漏源极电压uVF的波形，当uVF =Uo时，VF处于关断状态，电感L释放能量，iL下降；当uVF =0时，VF处于导通状态，电感L储存能量，iL上升。而由于iL=|iS|，可知输入电流iL近似于正弦波，且与uS同相位，如图d所示，则网侧功率因数接近于1。 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组 升降压斩波电路升降压斩波电路设L值

13、很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。v基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L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VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升降压斩波电路升降压斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d（3-39）所以输出电压为：

14、EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V处于通态uL = EV处于断态uL = - uooffoontUtE（3-40）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组升降压斩波电路升降压斩波电路图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：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43） 结论当01/2时为降压，当1/21时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。2o1IUEI （3-44）EU1ootb)o

15、ti1i2tontoffILIL合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD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ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a） 电路图 b） 等效电路CukCuk斩波电路斩波电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组CukCuk斩波电路斩波电路 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，即 在

16、图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得 从而可得Tti0C0d（3-45）off1on2tItI（3-46）1onononoff12ttTttII（3-47）ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组CukCuk斩波电路斩波电路当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A

17、点电压uA=-uC；相反，当S合到A点时，uB=uC，uA=0。因此，B点电压uB的平均值为 （UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以 。另一方面，A点的电压平均值为 ，且L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有 。 CBUTtUoffCBUTtUEoffCAUTtUonCUTtUonoERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组CukCuk斩波电路斩波电路ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuoEEtTtEttU1ononoffono

18、（3-48） 优点优点（与升降压斩波电路相比）：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。CBUTtUEoffCUTtUono合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组SepicSepic斩波电路斩波电路 a) Sepic斩波电路Sepic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载负载回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：EEtTtEttU1ononoffono（3-49）合肥工业大学电气工程学院电力

19、电子与电力传动教研组ZetaZeta斩波电路斩波电路V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。E和C1共同向负载供电，并向C2充电。V关断后，L1的能量转移至C1。同时C2向负载供电，L2的电流经VD续流。输入输出关系：EU1o（3-50）相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。 b) Zeta斩波电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路拖动直流电动机时，电动机工作于第1象限

20、；升压斩波电路中，电动机工作于第2象限；电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，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1象限和第2象限。tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MRV1和VD1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，工作于第1象限；V2和VD2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，工作于第2象限。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 tta)OOb)ELV1VD1uoioV2V

21、D2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR第3种工作方式：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；当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，则会使另一个斩波电路工作，电流反方向流过。这对应就是第3种工作方式。这时电动机电枢回路总有电流流过。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以调速的响应很快。电流可逆斩波电路中电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的，即电机转向固定。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路；只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态；只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态；合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

22、桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路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，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路： 使V4保持通时，等效为电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态； 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路1、双极性工作方式 V1与V4同时通断

23、，V2与V3同时通断 V1与V2通断互补，V3与V4通断互补 输出电压波形中电压有正有负，故称双极性。ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M2、单极性工作方式 V1与V2通断互补，V3一直断，V4一直通； V3与V4通断互补，V1一直断，V2一直通； 输出电压波形中电压只有正或只有负，故称单极性。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组多相多重斩波电路多相多重斩波电路基本概念多相多重斩波电路在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成相数一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数负载电流脉波数合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组多相多重斩波电路多相多重斩波电路3相3重降压斩波电