1、3 1 第3章直流斩波电路 3 1基本斩波电路 主要内容 3 2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结 3 2 第3章直流斩波电路 引言 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 3 3 3 1基本斩波电路 3 1 1降压斩波电路3 1 2升压
2、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 3 4 3 1 1降压斩波电路 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 BuckChopper 3 5 3 1 1降压斩波电路 工作原理 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 电压源电流源的
3、变换 3 6 3 1 1降压斩波电路 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 3 7 3 1 1降压斩波电路 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 3 8 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
4、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 3 9 3 1 1降压斩波电路 负载电流断续的情况 I10 0 且t tx时 i2 0 3 16 电流断续的条件 3 17 3 10 3 1 2升压斩波电路 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 电流源电压源的变换 3 11 3 1 2升压斩波电路 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
5、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 图3 2升压斩波电路及工组波形 a 电路图 b 波形 3 12 3 1 2升压斩波电路 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 3 13 3 1 2升压斩波电路 电压升高的原因 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
6、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 输出电流的平均值Io为 3 25 电源电流的平均值Io为 3 26 3 14 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 t t T E i O O b a i 1 i 2 I 10 I 20 I 10 t on t off 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
7、的 不必并联电容器 3 15 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路 buck boostChopper 电路结构 3 16 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 基本工作原理 a 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 3 17 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 3 39 V处于通态
8、uL E V处于断态uL uo 3 18 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 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 3 42 由上式得 3 43 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 其输出功率和输入功率相等 可看作直流变压器 3 44 3 19 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 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
9、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 5Cuk斩波电路及其等效电路a 电路图b 等效电路 3 20 3 1 3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 同理 数量关系 3 45 3 46 3 48 优点 与升降压斩波电路相比 输入电源电流和输出负载电流都是连续的 且脉动很小 有利于对输入 输出进行滤波 3 21 反激式开关电源 DC DC典型应用之一 参见教材P185 186 3 22 3 23 3 24 3 25 3 26 3 27 开关电源 DC DC典型应用之一 有关开关电源的原理 参考教材第8章8 2节关于开关电源更详细深入的电路拓扑结构 工作原理 变压器设计 参数选择可参考 张占松 蔡宣三编著 开关电源的原理与设计 北京 电子工业出版社 2004年 3 28 3 2复合斩波电路和多相多重斩波电路 此节不要求 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 29 本章小结 本章介绍了6种基本斩波电路 2种复合斩波电路及多相多重斩波电路 本章的重点是 理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理 掌握这两种电路的输入输出关系 电路解析方法 工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域 而开关电源则是斩波电路应用的新领域 前者的应用在逐渐萎缩 而后者的应用是电力电子领域的一大热点
