1、斩 波 ( Chopper) 将 直 流 电 变 为 另 一 固 定 电 压 或 可 调 电压 的 直 流 电 。3.1 基 本 斩 波 电 路重 点 : 最 基 本 的 2 种 降 压 斩 波 电 路 和 升 压 斩 波 电路 。3.1.1 降 压 斩 波 电 路 斩 波 电 路 的 典 型 用 途 之一 是 拖 动 直 流 电 动 机 , 也 可带 蓄 电 池 负 载 , 两 种 情 况 下负 载 中 均 会 出 现 反 电 动 势 ,如 图 3-1 中 Em 所 示 工 作 原 理 , 两 个 阶 段 t=0 时 V 导 通 , E向 负 载 供 电 ,uo=E, io 按 指 数 曲
2、线 上升 t=t1 时 V 关 断 , io经 VD 续 流 , uo 近 似 为零 , io 呈 指 数 曲 线 下 降 为 使 io 连 续 且 脉 动小 , 通 常 使 L 值 较 大E V +-MRLVDio EMuo图 降 压 斩 波 电 路 的 原 理 图 及波 形a) 电 路 图 b) 电 流 连 续 时 的波 形 c) 电 流 断 续 时 的 波 形 数 量 关 系电 流 连 续 时 , 负 载 电 压 平均 值 ETtEtUonofno ( 3-1)导 通 占 空 比 , 简 称 占空 比 或 导 通 比Uo 最 大 为 , 减 小 , Uo随 之 减 小 降 压 斩 波 电
3、 路 。也 称 为 Buck 变 换 器 ( Buck Converter) 。负 载 电 流 平 均 值 REUImoo( 3-2)电 流 断 续 时 , uo 平 均 值 会被 抬 高 , 一 般 不 希 望 出 现 斩 波 电 路 三 种 控 制 方 式( 1) 脉 冲 宽 度 调 制( PWM) 或 脉 冲 调 宽 型 T 不 变 , 调 节 ton( 2) 频 率 调 制 或 调 频 型ton 不 变 , 改 变 T( 3) 混 合 型 ton 和 T都 可 调 , 使 占 空 比 改 变其 中 PWM 控 制 方 式 应 用最 多 基 于 “分 段 线 性 ”的思 想 , 可 对
4、降 压 斩 波 电 路 进行 解 析3.1.2 升 压 斩 波 电 路1. 升 压 斩 波 电 路 的 基本 原 理E V RL VDCioi1 uo图 3-2 升 压 斩 波 电 路 及 其 工 作波 形a) 电 路 图 b) 波 形 工 作 原 理 假 设 L 值 、 C 值 很 大 V 通 时 , E 向 L 充 电 ,充 电 电 流 恒 为 I1, 同 时C 的 电 压 向 负 载 供 电 , 因C 值 很 大 , 输 出 电 压 uo为 恒 值 , 记 为 Uo。 设 V通 的 时 间 为 ton, 此 阶 段L 上 积 蓄 的 能 量 为 EI1ton V 断 时 , E 和 L
5、共 同 向C 充 电 并 向 负 载 R 供 电 。设 V 断 的 时 间 为 toff, 则此 期 间 电 感 L 释 放 能 量 为ofotIEU1 稳 态 时 , 一 个 周 期 T 中 L 积 蓄 能 量 与 释 放 能 量 相 等ofoontIEUtEI11( 3-20)化 简 得 : EtTtUofoffno( 3-21)1/oftT, 输 出 电 压 高 于 电 源 电 压 , 故 称 升 压 斩 波 电 路 。 也 称之 为 boost 变 换 器f/升 压 比 , 调 节 其 即 可 改 变 Uo。 将 升 压 比 的 倒 数 记作 , 即 Ttof。 和 导 通 占 空 比
6、 有 如 下 关 系 :1( 3-22)因 此 , 式 ( 3-21) 可 表 示 为 EUo1( 3-23) 升 压 斩 波 电 路 能 使 输 出 电 压 高 于 电 源 电 压 的 原 因 L 储 能 之 后 具 有 使 电 压 泵 升 的 作 用 电 容 C 可 将 输 出 电 压 保 持 住2. 升 压 斩 波 电 路 的 典 型 应 用 直 流 电 动 机 传 动 单 相 功 率 因 数 校 正 ( Power Factor CorrectionPFC) 电 路 用 于 其 他 交 直 流 电 源 中EMttTEiOO b) tOTOEtc)VDL Va)EMuoi1 i2I10
7、I20 I10ton tofuoio i1 i2t1 t2txton tofI20uo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 时 通 常 用 于 直 流 电 动 机 再 生 制 动 时 把 电 能 回 馈 给 直 流电 源 实 际 L 值 不 可 能 为 无 穷 大 , 因 此 有 电 动 机 电 枢 电 流 连续 和 断 续 两 种 工 作 状 态 电 机 反 电 动 势 相 当 于 图 3-2 中 的 电 源 , 此 时 直 流
8、 电源 相 当 于 图 3-2 中 的 负 载 。 由 于 直 流 电 源 的 电 压 基 本 是 恒定 的 , 因 此 不 必 并 联 电 容 器 。 电 路 分 析基 于 “分 段 线 性 ”的 思 想 进 行 解 析V 处 于 通 态 时 , 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i1, 得 下 式 mERitiL11d( 3-27)式 中 R 为 电 机 电 枢 回 路 电 阻 与 线 路 电 阻 之 和 。设 i1 的 初 值 为 I10, 解 上 式 得 tmt eREeIi 110( 3-28)当 V 处 于 断 态 时 , 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i2, 得 下 式
9、: ERitLm2d( 3-29)设 i2 的 初 值 为 I20, 解 上 式 得 : tmt eREeIi 120( 3-30)当 电 流 连 续 时 , 从 图 3-3b 的 电 流 波 形 可 看 出 , t=ton 时 刻i1=I20, t=toff 时 刻 i2=I10, 由 此 可 得 :REemREeREITtmof 1110 ( 3-33)REemREeREI Ttmon 1120( 3-34)把 上 面 两 式 用 泰 勒 级 数 线 性 近 似 , 得 REmI201( 3-35)该 式 表 示 了 L 为 无 穷 大 时 电 枢 电 流 的 平 均 值 Io, 即REm
10、Imo ( 3-36)对 电 流 断 续 工 作 状 态 的 进 一 步 分 析 可 得 出 : 电 流 连 续 的 条 件 为em1( 3-38)根 据 此 式 可 对 电 路 的 工 作 状 态 作 出 判 断 。3.1.3 升 降 压 斩 波 电 路 和 Cuk 斩 波 电 路1. 升 降 压 斩 波 电 路VDE RLa)CVi1i2uL uoILo tb)o ti1i2ton tofILIL图 3-4 升 降 压 斩 波 电 路 及 其 波 形a) 电 路 图 b) 波 形设 L 值 很 大 , C 值 也 很 大 。 使 电 感 电 流 iL 和 电 容 电 压 即 负载 电 压
11、uo 基 本 为 恒 值 。 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 TLtu0d( 3-39)当 V 处 于 通
12、态 期 间 , uL = E; 而 当 V 处 于 断 态 期 间 , uL = - uo。 于 是 : ofontUtE( 3-40)所 以 输 出 电 压 为 : EtTEtUonofn 1( 3-41)改 变 , 输 出 电 压 既 可 以 比 电 源 电 压 高 , 也 可 以 比 电 源 电 压 低 。当 01/2 时 为 降 压当 1/21 时 为 升 压因 此 称 作 升 降 压 斩 波 电 路 。 或 称 之 为 buck-boost 变 换 器 。2. Cuk 斩 波 电 路图 3-5 所 示 为 Cuk 斩 波 电 路 的 原 理 图 及 其 等 效 电 路 。E RVDa
13、)CVL1 L2uoRCB ASEi1L1 L2i2uAuB uo+-RCB ASEi1L1 L2i2uAuB uo+-b)图 3-5 Cuk 斩 波 电 路 及 其 等 效 电 路a) 电 路 图 b) 等 效 电 路 V 通 时 , EL1V 回 路 和 RL2CV 回 路 分 别 流过 电 流 V 断 时 , EL1CVD 回 路 和 RL2VD 回 路 分别 流 过 电 流 输 出 电 压 的 极 性 与 电 源 电 压 极 性 相 反 等 效 电 路 如 图 3-5b 所 示 , 相 当 于 开 关 S 在 A、 B两 点 之 间 交 替 切 换稳 态 时 电 容 C 的 电 流 在
14、 一 周 期 内 的 平 均 值 应 为 零 , 也 就 是 其对 时 间 的 积 分 为 零 , 即TCti0d( 3-45)在 图 3-5b 的 等 效 电 路 中 , 开 关 S 合 向 B 点 时 间 即 V 处 于通 态 的 时 间 ton, 则 电 容 电 流 和 时 间 的 乘 积 为 I2ton。 开 关 S合 向 A 点 的 时 间 为 V 处 于 断 态 的 时 间 toff, 则 电 容 电 流 和 时间 的 乘 积 为 I1 toff。 由 此 可 得font2( 3-46)从 而 可 得 112ononftTtI( 3-47)当 电 容 C 很 大 使 电 容 电 压
15、 uC 的 脉 动 足 够 小 时 , 输 出 电 压 Uo与 输 入 电 压 E 的 关 系 可 用 以 下 方 法 求 出 :当 开 关 S 合 到 B 点 时 , B 点 电 压 uB=0, A 点 电 压 uA= -uC;当 S 合 到 A 点 时 , uB= uC, uA=0因 此 , B 点 电 压 uB 的 平 均 值 为 CofBUTt( UC 为 电 容 电 压uC 的 平 均 值 ) , 又 因 电 感 L1 的 电 压 平 均 值 为 零 , 所 以CofBUTtE。 另 一 方 面 , A 点 的 电 压 平 均 值 为 ConATt,且 L2 的 电 压 平 均 值
16、为 零 , 按 图 3-5b 中 输 出 电 压 Uo 的 极 性 ,有 ConTt。 于 是 可 得 出 输 出 电 压 Uo 与 电 源 电 压 E 的 关 系 :tTtonofn 1( 3-48)这 一 输 入 输 出 关 系 与 升 降 压 斩 波 电 路 时 的 情 况 相 同 。 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 。3.1.4 Sepic 斩 波 电 路 和 Zeta 斩 波 电 路图 3-6 分 别 给 出
17、了 Sepic 斩 波 电 路 和 Zeta 斩 波 电 路 的 原 理图 。RVDEVb)RVDEa)Vi1 L1 C1uC1 i2L2 C2 uoi1 C1L1 uoC2L2图 3-6 Sepic 斩 波 电 路 和 Zeta 斩 波 电 路a) Sepic 斩 波 电 路 b) Zeta 斩 波 电 路Sepic 斩 波 电 路 的 基 本 工 作 原 理 是 : 当 V 处 于 通 态 时 ,EL1V 回 路 和 C1VL2 回 路 同 时 导 电 , L1 和 L2 贮 能 。V 处 于 断 态 时 , EL1C1VD负 载 ( C2 和 R) 回 路 及L2VD负 载 回 路 同
18、时 导 电 , 此 阶 段 E 和 L1 既 向 负 载 供 电 ,同 时 也 向 C1 充 电 , C1 贮 存 的 能 量 在 V 处 于 通 态 时 向 L2 转 移 。Sepic 斩 波 电 路 的 输 入 输 出 关 系 由 下 式 给 出 : EtTEtUonofn 1( 3-49)Zeta 斩 波 电 路 也 称 双 Sepic 斩 波 电 路 , 其 基 本 工 作 原 理 是 :在 V 处 于 通 态 期 间 , 电 源 E 经 开 关 V 向 电 感 L1 贮 能 。 同 时 ,E 和 C1 共 同 向 负 载 R 供 电 , 并 向 C2 充 电 。 待 V 关 断 后
19、,L1 经 VD 向 C1 冲 电 , 其 贮 存 的 能 量 转 移 至 C1。 同 时 , C2 向负 载 供 电 , L2 的 电 流 则 经 VD 续 流 。Zeta 斩 波 电 路 的 输 入 输 出 关 系 为 :EUo1( 3-50)两 种 电 路 相 比 , 具 有 相 同 的 输 入 输 出 关 系 。 Sepic 电 路 中 ,电 源 电 流 和 负 载 电 流 均 连 续 , 有 利 于 输 入 、 输 出 滤 波 , 反 之 ,Zeta 电 路 的 输 入 、 输 出 电 流 均 是 断 续 的 。 另 外 , 与 前 一 小 节 所 述的 两 种 电 路 相 比 , 这 里 的 两 种 电 路 输 出 电 压 为 正 极 性 的 , 且 输 入输 出 关 系 相 同 。