第五章直流斩波电路

第五章直流斩波电路直流斩波电路（DCChopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器（DC/DCConverter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。

电路种类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、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。

电路结构

全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

降压斩波电路（BuckChopper)工作原理c)

电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

电路图图3-1

降压斩波电路得原理图及波形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时控制V关断，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。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。数量关系电流连续负载电压平均值：（3-1）（3-2）ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比

电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：斩波电路三种控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T—频率调制。ton和T都可调，改变占空比—混合型。此种方式应用最多第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续同样可以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，负载消耗的能量为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。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。

升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能

电路结构1)升压斩波电路的基本原理工作原理假设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。0iGE0ioI1图3-2升压斩波电路及工组波形a)

电路图b)

波形数量关系设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：（3-21）（3-20）化简得：T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

——升压比；升压比的倒数记作b，即 。b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为（3-23）（3-22）电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用

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

与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：(3-25)电源电流的平均值Io为：(3-26)2)升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3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b）电流连续时c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成

多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成

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。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第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。此电路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。电流可逆斩波电路电路结构a)电路图V1和VD1构成降压斩波电路，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，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。工作过程（三种工作方式)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。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。图3-7电流可逆斩波电路及波形B型双象限斩波器

B型双象限斩波器是指输出电压极性可变，但输出电流平均值始终为正，电路工作在第一和第四象限。

1．工作在第一象限

2．工作在第四象限电路工作有三种方式：

1）两斩波器件CHl和CH2同时导通，且，电机吸收能量。

2）其中一个斩波器件和一个二极管同时导通，ud=0，id经这二个导通管续流。

3）两二极管VDl和VD2同时导通，两斩波器件CHl和CH2同时关断，且U<E，电机放出能量。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。图3-8桥式可逆斩波电路

四象限斩波器(桥式可逆斩波器）使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。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。一、斩波器换流电路1．电压换流电路其换流原理是对电容C进行预充电，极性为左负右正。当开关Q闭合，晶闸管二端承受反压关断。注意加在晶闸管VT二端的反压时间要大于晶闸管的关断时间，才能使晶闸管VT可靠关断。第三节普通晶闸管组成的直流斩波电路

2．电流换流电路其换流原理同样是对电容Ｃ进行预充电，极性为左负右正。当开关Q闭合，换流电感L和电容Ｃ组成振荡电路，产生电流ic，其方向同iＴ方向相反。当id＝ic时，iＴ＝０，晶闸管VT关断，使二极管VD1导通，并使晶闸管VT承受反压。同样要注意加在晶闸管二端的反压时间要大于晶闸管的关断时间。二、TGC－I型无轨电车晶闸管斩波调速装置电气主电路原理图，它主要适用于ZQ—60、DQ—14／86、ZQ—90直流牵引电动机，斩波器的工作频率为125Hz，直流电源输入电压为600V。1．直流斩波器工作原理

VT1为斩波器主晶闸管，VT2为斩波器辅晶闸管，Ｃ和L1组成振荡电路，与ＶＤ1

、ＶＤ2、L2组成VT1管的换流关断电路。脉冲宽度控制直流斩波电路工作过程2．主电路中各元件的作用ＶＤ0：防止直流斩波器被加上反向电压。ＴＰ：由霍尔元件组成的电流变换器。电阻ＲＴ和晶闸管ＶＴ3组成削磁回路，目的在于进一步提高车速。３．换流电容Ｃ和换流电感Ｌ1的确定斩波器正常工作的关键是靠充电的换流电容给晶闸管VT1以反压，保证管子能关断并恢复正向阻断特性。三、逆导晶闸管与逆导型斩波器在前面讨论的斩波器中，经常将晶闸管与整流二极管反并联使用，逆导晶闸管就是根据这一使用要求研制的新型器件，它将晶闸管和整流二极管制作在同一管芯上，其符号与等效电路。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短以及高温特性好等优点。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第五节多相多重斩波电路

1）导通比，二个斩波器件ＣＨ1和ＣＨ2的输出电压在相位上相隔T／2工作，二个斩波器件的导通时间不会重合，这样就会出现两种运行方式。

1，其中一个斩波器件CHl或CH2和两个二极管导通。在方式０和方式１时，电路以2倍于单个斩波电路的频率工作，辅出电流id为各项电流id1和id2之和，其平均值为一相的2倍，其频率是id1和id2频率的2倍。根据以上分析，我们知道多相多重斩波电路具有以下特点：

2)导通比，出现两个斩波器件CHl或CH2同时导通的方式2，而且在任一时刻，至少有一个斩波器件导通，不会出现方式０，输入电流iCH为零的时刻也不会出现，各电量波形。

1）输出电流脉动率减小，有利于电机的运行。

2）平波电抗器的重量和体积可明显降低。

3）滤波器的效果会增加。

4）线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电路。

5）由单个斩波器并联构成，总的可靠性可提高。用电力电子器件将一种直流电压先变为交流电压，再变为极性、电压值不同的另一种直流电压的变流电路，被称作间接直流变流电路。第六节间接直流变流电路一、单管传输型变流电路

其基本线路和部分波形。这是一种当开关器件Ｖ接通时向二次线圈供能的方式，在向变压器TR的一次线圈Nl外加输入电压的同时，由二次线圈N2感应的电压通过二极管VDl加以整流，并在Ｖ断开时，利用电感L的储能通过续流二极管VD2再由输出滤波器LC加以平波供给负载。Ｖ在t1时刻导通，VD截止，E加在一次线圈N1上，在二次线圈N2上感应出（N2／N1）×Ｅ电压，这时输出电压Ｕ0为单管传输型变流电路比较简单，适用于中小容量输出，而且容易适应高频化，缺点是变压器TR只能外加单向电压，变压器利用率较低，输出滤波器容量也较大。二、推挽式变流电路这是一种适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形。三、半桥式和全桥式变流电路半桥式电路全桥式电路四、MOSFET整流电路由于MOSFET具有开关频率高、驱动功率小、无二次击穿等优点，故在低压便携式电源中较多