电力电子技术 直流斩波电路

第3章直流斩波电路

3.1基本斩波电路

3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路

本章小结

第3章直流斩波电路·引言

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。

也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。

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。

3.1基本斩波电路

3.1.1降压斩波电路

3.1.2升压斩波电路

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

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（Buck Chopper)

工作原理

c)电流断续时的波形

E

V +

-M

R

L

VD i o

E M

u o

i G

t t

t

O O O b)电流连续时的波形

T E

i G t on

t off

i o

i 1i 2I 10

I 20t 1

u o

O O

O t

t

t

T E E i G i G t on t off i o t x

i 1i 2

I 20

t 1

t 2

u o E M

a) 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u o =E ，负载电流i o 按指数曲线上升。t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压u o 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。动画演示。

数量关系

电流连续

负载电压平均值：

E

E T

t E t t t U α==+=on

off on on o （3-1）

R

E U I M

o o -=

（3-2）

t on ——V 通的时间t off ——V 断的时间a--导通占空比

电流断续，U o 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t on —脉冲宽度调制（PWM ）。t on 不变，变T —频率调制。

t on 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

()

T

I E T RI o M 2o +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I o 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on

o t EI 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。

T I E T RI t EI o M o on o +=2

R

E E I M o -=

αo

o on

1I I T

t I α==o

o o 1I U EI EI ==α

负载电流断续的情况：

I 10=0，且t =t x 时，i 2=0

式（3-7）

式（3-6）

??

?

?

?

?--=-m e

m t αρ

τ)1(1ln x （3-16）t x

电流断续的条件：

1

1-->ρ

αρ

e e m （3-17）

R E U R

E m T t t t i t i T I t t m o x on 0021o on x d d 1-=

??? ??+-=??? ??+=??α（3-19）

负载电流平均值为：

E

m T t t T

E t t T E t U ????????? ?

?+-+=--+=

x on M

x on on o 1)(α输出电压平均值为：

（3-18）

升压斩波电路

（Boost Chopper ）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I

1

，电容C 向负载R供电，输出电压U o

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。

动态演示。

i GE

i o

I1

图3-2 升压斩波电路及工组波形

b)波形

数量关系

设V 通态的时间为t on ，此阶段L 上积蓄的能量为设V 断态的时间为t off ，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：

()of f 1o t I E U -on

t EI 1E t T

E t t t U off

off off on o =+=

（3-21）

（3-20）off

o on t I E U t EI 11)(-=化简得：T/t off >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α的关系：因此，式（3-21）可表示为of f /t T 1=+b αE E U α

b -==11

1o T

t off

=b （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：。（3-24）

与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。o o 1I U EI =输出电流的平均值I o 为：R

E

R U I b 1o o =

=(3-25)

电源电流的平均值I o 为：

R

E I E U I 2

o o 11b ==(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

t t T E i O O

b)a)i 1

i

2

I 10

I

20

I

10

t on

t off

t O T O E

t

c)

u o

i

o

i 1

i

2

t 1

t 2

t x

t on

t

off

I 20

u o

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。动画演示。

数量关系

当V 处于通态时，设电动机电枢电流为i 1，得下式：

M

11

d d E Ri t

i L =+(3-27)当V 处于断态时，设电动机电枢电流为i 2，得下式：

E E Ri t

i L -=+M 22d d （3-29）

当电流连续时，考虑到初始条件，近似L 无穷大时电枢电流的平均值I o ，即

()R

E

E R E m I o b b -=

-=M （3-36）

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。

E b

如图3-3c ，当电枢电流断续时：当t =0时刻i 1=I 10=0，令式（3-31）中I 10=0即可求出I 20，进而可写出

i 2的表达式。

另外，当t =t 2时，i 2=0，可求得i 2持续的时间t x ，即

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

m

me

t t --=-11ln

on

x τ

τρ

bρ

----

e m 11--------电流断续的条件

t x

t

O T

O

E

t

u

o

o

i

1

i

2

t 1

t

2

t

x

t

on

t

off

I

20

升降压斩波电路

(buck -boost Chopper)电路结构

基本工作原理

a)o

t

b)

o

t

i 1i 2t on

t off

I L

I L

图3-4 升降压斩波电路及其波形a ）电路图b ）波形

V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为i 1。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i 2。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。动态演示。

数量关系

稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压u L 对时间的积分为零，即

?

=T

t u 0

L 0

d （3-39）

所以输出电压为：E E t T t E t t U α

α-=-==1on on of f on o

（3-41）V 处于通态u L =E

V 处于断态u L = -u o

off

o on t U t E ?=?（3-40）

图3-4b 中给出了电源电流i 1和负载电流i 2的波形，设两者的平均值分别为I 1和I 2，当电流脉动足够小时，有：

of f

on 21

t t I I =（3-42）

由上式得：

11on of f 21I I t t I α

α-==（3-43）结论

当0

其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

2

o 1I U EI =（3-44）

o

t

b)

o

t

i 1i

2t on

t off

I L I L