电力电子第4章直流斩波

第4章

直流/直流变换－直流斩波器

理想的电力电子变换器

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：（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直流降压斩波电路

4.2直流升压斩波电路

4.3直流升降压斩波电路

4.4桥式直流斩波调压电路

4.5斩波电路的驱动控制

小结4.1直流降压斩波电路

一电阻和电感负载

t=0IGBT导通，ud＝E。

t=toff,IGBT关断，电感L经二极管D续流,

ud

＝0，

输出平均电压:

式中：T为开关周期；为占空比α≦1，

Ud≦E，降压斩波。

在IGBT导通区间有电流id,经E+→IGBT→L→R→E-,二极管D截止，列电路电压方程为：

当t=toff

时id达到I20,同时IGBT关断。电感L经电流R和二极管D续流，回路电压方程为：在I10＝I30，

I20＝I40，电路进入稳定状态。一般PWM调制的斩波电路，脉冲频率都比较高，在占空比α较大时，较小的电感L就可以使电流连续,且电流电流连续时，电流的脉动很小，可以认为电流id不变。在占空比α较小时，电感储能不足，仍会出现电流断续（图4.1e,f）。

如果在负载R上并联电容，则相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，但实际电容都是有限制的，负载侧电压仍会有脉动。

二反电动势负载

T导通时的电路方程：

T关断时：在电流连续时忽略电流的脉动，则式中：

在占空比较小时id会断续（图4.2c）。在电流断续时，负载侧电压ud=EM,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

电流断续时理想空载转速,

返回LC滤波的buck直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC如果：各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。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。1.电流连续时只有两种开关状态(2)开关状态2：T管阻断,D管导通(1)开关状态1：T管导通,D管阻断Q:电流连续模式跟哪些因素有关?4.2直流升压斩波电路(电感电流连续）

状态一开关管T导通时，电流经电感L、T流通，

iL上升,电感储能。负载R由电容C提供电流，二极管的作用是阻断电容经开关管T放电的回路。开关管IGBT的导通时间为Ton设占空比则状态二

T关断时，二极管D导通，电容C在电源E和电感反电动势eL

的共同作用下充电，电感释放储能，电流iL下降，iL同时提供电容的充电电流和负载电流iR。如果电容足够大，电容两端电压ud波动不大(

)，负载R的电流iR是连续的。

设，D导通时间为（t-Ton）,可得

在电路稳定后，联解式4.12和式4.14，可得

当占空比α越接近于1，Ud越高，因为在T关断区间，电容C在电源E和电感反电动势eL

的共同作用下充电，因此负载侧电压Ud可以大于E，电路起升压作用。

如果是轻载状态，iR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“泵升电压”，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理想Boost变换器的变压比T导通,D截止T阻断，D导通1、电感电流连续的工作状态工作电流的平均值表达式(电感电流连续）

假定负载电流平均值为IO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ID等于负载电流IO

（电容的平均电流为零）

通过开关管T的电流平均值为：电感电流的脉动量为：通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：

输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定理想Boost变换器输出电压纹波的大小

T和D所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。理想Boost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VG>0,T管导通,D截止VG=0,T管阻断，D导通

3、电感电流临界连续的工作状态临界负载电流当负载电流IO>IOB,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IO<IOB,电感电流断流返回4.3直流升降压斩波电路

4.3.1

Buck-Boost

降压－升压斩波电路

状态一开关T导通

电流iT=iL由电源E经T和L,电流上升，电感L储能，如果电感电流是连续的，则电流从T导通时的I01上升，如果电流是断续的，电感电流则从0上升，终止电流I02同式4.12。在状态一时，二极管D受反向电压关断，负载R由电容C提供电流。

状态二

开关T关断

开关T关断时，电感电流iL从T关断时的I02下降，并经C、R的并联电路，和二极管D流通，电感L释放储能，电容储能。而电感电流iL

能否连续，则取决于电感的储能。

如果在状态一时，电感储能不足，I02不够大，不能延续到下次T导通，电感电流就断续。如果电感和电容的储能足够大，或者尽管电感储能不足，但是电容储能足够大，则负载电流id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ud=Ud，在T导通时（模式一），

uL=E,

iL的终止电流I02为；

占空比

（4.16）

在T关断时（模式二），uL=Ud,

iL的终止电流I02为；

（4.17）

将式4.17代入式4.16，可得：

当0≤α≤0.5时，Ud<E,在0.5≤α<1时，Ud>E,因此调节占空比α，电路既可以降压也可以升压。

图4.7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

4.3.2

Cuk升降压斩波电路

Buck-Boost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大。

Cuk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磁干扰问题。

模式一开关T导通

电源E经L1和开关T短路，iL1线性增加，L1储能电容C1经开关T对C2和负载R放电，并使电感L2电流增加，L2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。

模式二开关T截止

电流iL2连续

电感电流iL1经二极管D续流，并且L1产生的电感电动势与电源E顺向串联，对电容C1充电，uC1可以大于E。

L2经二极管D产生维持负载C2和R的电流。如果L2储能较大，L2的续流将维持到下一次T的导通电流iL2断续如果L2储能较小，续流在下一次T导通前就结束，电流iL2断续，负载R由电容C2放电维持电流

在Cuk电路中，开关管T关断时，电容C1由电源E和电感L1充电，产生升压作用在开关管T导通时，电容C1经过开关T向C2放电，C2两端平均电压因此有：

（4.19）

Cuk电路在不同工作情况下的波形图返回4.4桥式直流斩波调压电路

4.4.1半桥式电流可逆斩波电路

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，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。一电动状态

T1以PWM信号驱动

T1导通时电流自电源E→T1→R→L→电动机。

T1关断时电感储能经电动机和D2续流

二制动状态

T2以PWM驱动信号

T2导通时，电动机经电感L、T2形成回路，电感L电流上升。

T2关断时，电动机反电动势EM，和电感电动势eL（左＋、右－）串联相加，产生电流，经D1将电能输入电源E（图4.9c）。调节T2驱动脉冲的占空比α可以调节Ud，控制制动电流。

4.4.2全桥式可逆斩波电路

T1、T3导通，电流自电路A点经电动机流向B点，电动机正转；

T2、T4导通时，电流自B点经电动机流向A点，电动机反转。桥式（H型）斩波电路驱动三种控制方式一双极式斩波控制

模式1：T1、T3同时驱动导通（T2和T4关断），电流id1自E+→T1→R→L→EM→T3→E-,L电流上升，eL和EM极性如图。

T1、T3和T2、T4成对作PWM控制，并且驱动脉冲互补。为避免“直通”现象，上下桥臂两个开关导通之间要留有一定的“死区”。

模式2：T1、T3关断，T2、T4驱动，因为电感电流不能立即为0，电流id2的通路是E－→D4→R→L→EM→D2→E+,L电流下降。因为电感经D2、D4续流，短接T2和T4不能导通。

AB间电压Ud式中：占空比在Ton＝T时，α＝1；在Ton＝0时，α＝－1，占空比的调节范围为－1≤α≤1。在－1≤α<0时，Ud<0,电动机反转在0<α≤1时，Ud>0,电动机正转模式3：－1≤α<0,Ud<0,即AB间电压反向模式4：在电动机反转状态，T2、T4关断T2、T4被驱动导通电流id3的流向：E+→T2→EM→L→R→T4→E-,L电流反向上升，电动机反转。

L电流经D1和D3续流，id4的流向：E-→D3→EM→L→R→D2→E+,

L电流反向下降。（a）正向电流（正转）（b）反向电流（反转）（c）零电流（停止）α从1→－1逐步变化，电动机电流id从正变到负在变化过程中电流始终连续。即使在α＝0时，Ud＝0，电动机不是完全静止不动，是在正反电流作用下微振。

二单极式斩波控制

正转时：T3门极给正信号（恒通），T2门极给负信号（恒关断）反转时：T2恒通，T3恒关断，减小T2、T3开关损耗和直通可能。

T1、T4工作在互反的PWM状态（调压）以T2、T3控制电动机的转向

正转T1导通时状态与双极式图4.11的模式1相同，

反转T4导通时的工作状态和模式3相同。

不同在T1或T4关断时，电感L的续流回路模式2

和模式4。

在D4续流时，尽管T4被驱动，但是有导通的D4短接，T4不会导通。但是电感续流结束后（负载较小情况），D4截止，T4导通，电动机反电动势EM将通过T4和D3形成回路（图4.13b），电流反向，电动机处于能耗制动阶段，。模式2－1（a）

模式2－1

正转T1关断时，因为T3恒通，电感L经EM→T3→D4形成回路，电感能量消耗在电阻R上，ud=uAB=0。模式2－2模式2－2模式2－3T4关断时，电感L将经D1→E→D3放电（图4.13c），电动机处于回馈制动状态，

ud=uAB=E。

模式2－3电动机反转时的情况与正转相似，模式4有类似的变化。

式中：占空比

（4.21）Ton，在正转时是T1的导通时间，在反转时是T4的导通时间，Ud：正转时为“＋”，反转时应为“－”。

三受限单极式斩波控制

正转:T1受PWM控制,T3恒通；

T4、T2恒关断反转:

T4受PWM控制,

T2恒通。T1、T3恒关断

无论正转或反转，都只有一只开关管处于PWM方式（T1或T4），减小了开关损耗和桥臂直通可能。

电流较小（轻载）时，没有反电动势EM经过T4的通路，因此id将断续，在断续区间ud=EM，平均电压Ud较电流连续时要抬高，即电动机轻载时转速提高，机械特性变软（图4.3）。

电流连续时的工作状态与单极式控制相同返回4.5斩波电路的驱动控制

PWM的驱动信号采用锯齿波或三角波与脉宽控制信号Uct比较产生。单极性调制：载波（锯齿波）没有负值，是单极性的。双极性调制：锯齿波有正负值，控制信号Uct可以是正负直流。

集成模块，如SG1524/1527,TL494,MC34060,可编程UC1840等

SG3525脉冲发生器

电源UCC1为8～35V，片内基准电压用于产生5.1V片内电源。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CT组成。锯齿波的上升时间为：锯齿波的周期为：振荡频率：式中：CT,RT,RD均为外接电容和电阻，且,RT>>RD锯齿波的下降时间为：

PWM发生器由比较器组成。比较器输出PW