第3章 直流斩波电路(第四版)

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。
3-8
3.1.1
降压斩波电路
式（3-6）
负载电流断续的情况：
I10=0，且t=tx时，i2=0
式（3-7）
1 (1 m)e t x ln （3-16） m
tx<toff 电流断续的条件：
输出电压平均值为： ton E (T ton tx ) EM Uo T 负载电流平均值为：
两种电路输出电压为正极性的。
3-24
3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.2.1 电流可逆斩波电路
3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
3-3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.1.1
降压斩波电路
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势
降压斩波电路 （Buck Chopper)
电路结构
续流二极管
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
3-4
3.1.1
工作原理
降压斩波电路
V
E iG L io R
Uo 1 E R b R
(3-25)
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
(3-26)
3-13
3.1.2
升压斩波电路
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
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。 图3-3 动画演示。
--------电流断续的条件
3-16
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
3-17
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
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。 动态演示。
i1 IL
ton
a) toff
o
i2 IL
t
o
b)
t
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 3-18
3.1.3升降压斩波电路和Cuk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

V处于通态 uL = E
T
0
uL d t 0
（3-39）
E ton U o toff
3-12
3.1.2
升压斩波电路
电容C可将输出电压保持住
电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用
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 ： EI1 U o I o 。 （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。
输出电流的平均值Io为：
Io
电源电流的平均值Io为：
toff
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
所以输出电压为： U ton E o
ton E E （3-41） T ton 1
3-19
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升降 压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。 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：
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
3-7
3.1.1
降压斩波电路
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 EI oton
ton tof f T E E 化简得：U o tof f tof f
（3-21）
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
tof f 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 b T b和的关系： b 1 （3-22） 1 1 因此，式（3-21）可表示为 U o E E （3-23） b 1
3-23
b) Zeta斩波电路
3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
Zeta斩波电路原理
V处于通态期间，电源E经开关 V向电感L1贮能。
V关断后，L1 －VD－C1 构成振
荡回路， L1的能量转移至C1， 能量全部转移至C1上之后，VD
b) Zeta斩波电路
图3-6 Sepic斩波电路 关断，C1经L2向负载供电。 和 Zeta斩波电路 输入输出关系： U o E （3-50） 1 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。
I o m b E EM bE R R
（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bE。
3-15
3.1.2
升压斩波电路
如图3-3c，当电枢电流断续时： 当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31） 中I10=0即可求出I20，进而可写出
u
o
2) Cuk斩波电路
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 3-21
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
a) uo E uo E
O i
t i1 I 10 I 20 toff T b) i2 I 10 t
O io i1 I 20 O ton T t1 t x toff c) t2 i2
t
O
t on
t
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
3-14
3.1.2
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI o2T EM I oT


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。 E EM 2 EIoton RI o T EM I oT Io R
EI1 EI o U o I o
t on I1 I o I o T
负载电流平均值：
U o EM Io R
（3-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
（3-2）
电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。
3-6
3.1.1
降压斩波电路
此种方式应用 最多
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。
+
VD u o M EM
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。 动画演示。
iG
a) 电路图
t on
t off T i1 I 10 i2 I 20 t1 E t t
E
i2的表达式。
另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持 续的时间tx，即
1 me t x ln 1 m
to n
O i
o
t
i
1
i
2
I O
20
t
on
t
1
t
x
t
2 off
t
t T c)
tx<t0ff
1 e b m 1 e
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
数量关系
升压斩波电路
当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式： d i1 (3-27) L Ri1 EM dt 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
L d i2 Ri 2 EM E dt
（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Io，即
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
（3-17）
（3-18）
tx 1 ton ton t x m E U o Em I o i1 d t i2 d t 0 0 T T R R
O io
O uo
O iG iG O io O uo O t on
b)电流连续时的波形
t off Tt i1 E t1 I 20
t
t
x
i2 t2 t E t
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
c) 电流断续时的波形
EM
3-5
3.1.1
数量关系
降压斩波电路
电流连续
负载电压平均值：
ton ton Uo E E E ton tof f T