电力电子技术基础-第3章 斩波电路

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本电力电子技术第3章DC/DC变换——斩波器电力电子与电力传动电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路3.复合斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制31、概述

直流—直流变换器（DC/DC

Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路：也称斩波电路（DCChopper）；功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电；一般指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。第3章

DC/DC变换——斩波器41、概述间接直流直流变流电路：在直流变流电路中增加了交流环节；在交流环节中通常采用变压器实现输入输出之间的隔离，因此也称为直—交—直电路。例如：正激电路Forward；反激电路Fly-back；

推挽电路Push-pull；桥式电路Bridge；第3章

DC/DC变换——斩波器51、概述依据电路拓扑结构，可将直接直流变流电路（斩波电路）分类为：①基本斩波电路；②复合斩波电路；③多相多重斩波电路。基本斩波电路，主要有6种类型：

①降压斩波电路（Buck电路）；②升压斩波电路（Boost电路）；③升降压斩波电路（Buck-Boost电路）；③Sepic电路；④Cuk电路；⑥Zeta电路。复合斩波电路，指由不同类型的基本斩波电路复合而成。多相多重斩波电路，指由相同类型的基本斩波电路复合而成。第3章

DC/DC变换——斩波器Buck电路和Boost电路是本章学习重点（主要包含电路构成、工作原理、波形、定量关系与典型应用）电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路3.复合斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制2、基本斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器降压斩波电路（Buck电路）升压斩波电路（Boost电路）升降压斩波电路Sepic电路Cuk电路Zeta电路Buck电路Boost电路2、降压斩波电路电路结构分析电路中使用直流电压源Vs，负载使用电阻负载R。使用了全控型器件V，图中为IGBT，如果使用晶闸管，则需设置使晶闸管关断的辅助电路。使用了续流二极管VD，在V关断时给负载中的电感电流提供通道。串联了较大电感L，确保负载电流连续且脉动较小，并且在V关断时利用其存储的电能维持负载电流连续。并联了较大电容C，确保负载在开关状态下的电压脉动不大，可以近似认为保持其直流平均值Vo不变。第3章

DC/DC变换——斩波器图3-1降压斩波电路2、降压斩波电路工作原理分析第3章

DC/DC变换——斩波器图3-1降压斩波电路状态1：V开通能量回路VsVLR

状态2：V关断

能量回路LRVD

2、降压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器（a）降压斩波电路-电阻负载工作原理分析（b）电感电流连续时主要波形（d）电感电流断续时主要波形（c）降压斩波电路-反电动势负载2、降压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器直流斩波电路的控制方式一般地，直流斩波电路采用斩控方式，来实现电路中开关管的快速开通、关断。使用斩控方式的控制电路，也称之为斩控电路。占空比在斩控电路中，设全控器件的一个控制周期Ts期间，器件开通的时间为Ton、关断时间为Toff，可知：

我们称D为：“占空比”，指在斩控电路中，器件的开通时间Ton在一个控制周期总时间Ts所占的比例。再由上述两式可知，占空比应设图3-2斩控电路的斩控方式2、降压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器降压斩波电路的定量关系①当电流连续时负载电压平均值为：负载电流平均值为：②当电流断续时

负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。2、降压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器例题3-1如图所示的降压斩波电路，已知Vs=200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V，Ts=50μs，Ton=20μs，计算输出电压平均值V0，输出电流平均值I0。解：由于L值极大，故负载电流连续，所以输出电压平均值为：

输出电流平均值为：电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路-–

升压斩波电路（Boost电路）3.复合斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制2、升压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器降压斩波电路升压斩波电路电路结构对比Buck电路Boost电路2、升压斩波电路电路结构分析升压斩波电路中使用直流电压源Vs，负载使用电阻负载R。使用了全控型器件V，图中为IGBT，如果使用晶闸管，则需设置使晶闸管关断的辅助电路。使用了续流二极管VD，阻止负载端的高压返回升压斩波控制侧。电源端串联了较大电感L，确保负载电流连续且脉动较小，并且在V开通时与电源构成回路，用电源Vs进行充能。并联了较大电容C，确保负载在开关状态下的电压脉动不大，可以近似认为保持其直流平均值Vo不变。第3章

DC/DC变换——斩波器图3-1升压斩波电路2、升压斩波电路工作原理分析第3章

DC/DC变换——斩波器图3-1升压斩波电路状态1：V开通能量回路VsLV

状态2：V关断

能量回路VsLVDR

开关管V导通，二极管VD截止，电源电压Vs加到升压电感L上，电感电流iL线性增长，电感充能。由于VD截止，负载由电容C供电，选用足够大的电容C可使得V0变化很小，近似认为在一个开关周期Ts中V0恒定不变。开关管V关断，二极管VD导通，电源电压Vs与VL一起向负载和电容供电，iL减小，电容C充电，电感在此期间释放能量。2、升压斩波电路工作原理分析第3章

DC/DC变换——斩波器（a）升压斩波电路—电阻式负载（b）电感电流连续时波形图（c）电感电流断续时波形图2、升压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器升压比（变压比）在Boost电路工作于稳态时，一个控制周期Ts期间，电感L存储的能量与释放的能量相等，即：化简后得：占空比

设由于Ts≥Toff，可知V0≥Vs，电路实现了电压泵升的作用，因此，Boost电路也称“泵升电源”。升压比Buck电路Boost电路考虑到器件的耐压、电感容量、开关频率等因素，实际的Boost电路中升压比M一般取3~5倍的范围。若想获得更高的升压效果，工程上往往采用多级泵升电路等等。2、升压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器Boost电路的升压条件在Boost电路工作时，整个升压过程就可以看成电感的能量传递过程，充电时电感吸收能量、放电时电感放出能量。实现Boost电路升压的条件有：1、如果电感L足够大，可以在开关管V关断的放电状态下输出足够的能量，并保持稳定连续的电流。2、如果电容C足够大，可以在开关管V开通的电感充电期间，保证负载上的电压持续稳定。图3-1升压斩波电路2、升压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器升压斩波电路的定量关系升压比与占空比：若忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量全部由负载R消耗，可知，则有：负载电压平均值：负载电流平均值：电源电流平均值：2、升压斩波电路第3章

DC/DC变换——斩波器例题3-2如图所示的升压斩波电路，已知Vs=50V，R=20Ω，L值C值极大，Ts=40μs，Ton=25μs，计算输出电压平均值V0，输出电流平均值I0。解：由于C值、L值极大，故负载电流连续，所以输出电压平均值为：

输出电流平均值为：电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路--

升压斩波电路的典型应用3.复合斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制2、升压斩波电路的典型应用典型应用用于直流电动机传动；用于单相功率因数校正电路（PowerFactorCorrection---PFC）；用于其他交直流电源。第3章

DC/DC变换——斩波器2、升压斩波电路的典型应用以用于直流电动机传动为例第3章

DC/DC变换——斩波器图3-2用于直流电机回馈能量的升压斩波电路在直流电动机再生制动时，把电能回馈给直流电源；电动机有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，所以不必并联电容器；电动机的反电动势相当于电源，而此时的直流电源相当于电路中的负载。2、升压斩波电路的典型应用以用于直流电动机传动为例第3章

DC/DC变换——斩波器a）用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路b）电流连续时c）电流断续时2、升压斩波电路的典型应用以用于直流电动机传动为例第3章

DC/DC变换——斩波器基于分时段线性电路的思想，电流连续时电感L无穷大时，电枢电流平均值：电路中电流断续的条件（或连续与断续的拐点）：

式中b）电流连续时c）电流断续时

电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路3.复合斩波电路---电流可逆斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制3.3.1、电流可逆斩波电路电路结构分析两个开关器件V1和V2串联组成半桥电路的上下桥臂。两个二极管VD1和VD2与开关管反并联形成续流回路。负载侧的R、L包含了电动机的电枢电阻和电感。电流可逆斩波电路中的电机电势用EM表示。在这个电路中，电动机具7有电动和制动两种状态。第3章

DC/DC变换——斩波器图3.12半桥式电流可逆斩波电路电动：电能

机械能制动：机械能

电能3.3.1、电流可逆斩波电路电路结构分析器件V1和VD2构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。器件V2和VD1构成升压斩波电路，电动机为再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致电源短路。工作方式1、2：可以仅作为Buck电路工作，或者仅作为Boost电路工作。工作方式3：可以在Buck电路、Boost电路中的某一种电路电流断续为零时刻，切换成另一种电路工作，让电流反向，这样电动机电枢回路总有电流经过。第3章

DC/DC变换——斩波器图3.12半桥式电流可逆斩波电路图3.13工作方式3时电压、电流波形工作原理第3章

DC/DC变换——斩波器图a电动状态图b制动状态

1、在电动机电动状态工作时，给V1以PWM驱动信号，V1处于开关交替状态，V2常闭。此时V2和VD1始终不导通，因此不考虑这两个元件，用虚线表示。在V1导通时，电流自电源E→V1→R→L→电动机，电感L储能。（红色箭头）在V1关断时，电感将储存的能量释放，经电动机、VD2、电阻R，实现续流。（红色虚线箭头）2、在电动机制动状态工作时，给V2以PWM驱动信号，V1、VD2始终在截止状态，因此不考虑这两个元件，也用虚线表示。在V2导通时，电动机EM→电感L→V2形成回路，电感L随电流上升而储能。（红色虚线箭头）在V2关断时，电动机反电动势EM，与电感电动势eL（左+、右-）串联相加，产生电流，经VD1将电能输入电源E。（红色箭头）第3章

DC/DC变换——斩波器3.3.1、电流可逆斩波电路定量关系负载电压平均值：调节V2驱动脉冲的占空比D，就可以调节Ud，从而控制制动电流。半桥式电流可逆斩波电路所用元器件少，控制方便，但是电动机只能以单方向作电动和制动运行，改变转向要通过改变电动机励磁方向。但如果要实现电动机的四象限运行，则需要采用全桥式DC-DC可逆斩波电路。电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路3.复合斩波电路---桥式可逆斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制3.3.2、桥式可逆斩波电路电路结构分析由两个半桥式电流可逆斩波电路组合。若V1、V3导通，则有电流自电路A点经电动机流向B点，电动机正转；若V2、V4导通时，则有电流自B点经电动机流向A点，电动机反转。一共有两种工作状态，四种工作模式。第3章

DC/DC变换——斩波器图3.13桥式可逆斩波电路工作原理第3章

DC/DC变换——斩波器图a工作模式1图b工作模式2电动机正转工作时，Em右-左+，电流方向从A→BV1、V3同时驱动导通，V2和V4关断；能量从E+→V1→R→L→EM→V3→E-；L电流上升。模式1模式2V1、V3关断，V2、V4驱动导通；能量E-→VD4→R→L→EM→VD2→E+L电流下降。工作原理第3章

DC/DC变换——斩波器图c模式3图d模式4电动机反向工作时，Em右+左-，电流方向从B→AV2、V4同时驱动导通，V1和V3关断；能量从E+→V2→EM→L→R→V4→E-；L电流反向上升。模式3模式4V2、V4关断，V1、V3驱动导通，L电流要经VD1和VD3续流；能量E-→VD3→EM→L→R→VD2→E+L电流反向下降。第3章

DC/DC变换——斩波器3.3.2、桥式可逆斩波电路电路特点四个开关器件都工作在PWM方式。实现了电机的四象限运行，即电机正转电动和正转制动，反转电动和反转制动。上下桥臂两个开关导通之间要有一定的时间间隔，需要留有一定的“死区”，防止上下桥臂短路。图直流电机的四象限运行电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座第3章DC/DC变换——斩波器1.概述2.基本斩波电路3.复合斩波电路4.多相多重斩波电路5.斩波电路的直流PWM控制4、多相多重斩波电路电路结构分析多相多重斩波电路是采用相同结构的基本斩波电路复合而成的电路。在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路。右图示例为一种三相三重的降压斩波电路。第3章

DC/DC变换——斩波器图3-16多相多重斩波电路一个控制周期中电源侧的电流脉波数称为斩波电路的相数，负载电流脉波数称为斩波电路的重数。4、多相多重斩波电路工作原理V1、V2、V3依次导通，相位相差1/3周期，波形相同。总输出电流i0为三个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的三倍，脉动频率也为三倍。第3章

DC/DC变换——斩波器图3-16多相多重斩波电路三个单元电流的脉动幅值互相抵消，使得总输出电流脉动幅值变得很小。电源电流为各开关电流之和，其脉动频率为单个斩波电路的三倍，谐波分量比单个斩波电路显著减小。各斩波电路单元可互为备用，万一某