1、3-1第第5章章 直流斬波電路直流斬波電路3-2第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言直流斬波電路（DC Chopper）將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。一般指直接將直流電變為另一直流電，不包括直流交流直流。 電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。復合斬波電路不同結構基本斬波電路組合。多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合。3-3主要內容：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合 斬波電路的結構與工

2、作原理。重 點：降壓斬波電路、升壓斬波電路的結構與工作原理。難 點：升壓斬波電路的工作原理基本要求：掌握降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路的結構與工作原理，了解復合斬波電路的結構與工作原理。直流斬波電路（DC Chopper）將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，也稱為直接直流直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路的種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。復合斬波電路不同基本斬波電路組合多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合1 基本斬波電路基本斬波電路重

3、點：最基本的2種降壓斬波電路和升壓斬波電路。 第第3章章 直流斬波電路直流斬波電路引言引言3-45.1 基本斬波電路基本斬波電路3-55.1 降壓斬波電路降壓斬波電路 電路結構 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續流二極管負載出現的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機。斬波電路廣泛應用于以蓄電池為動力 的各種設備，如行走機器人，運輸小 車，電動自行車等。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)3-65.1 降壓斬波電路降壓斬波電路工作原理工作原理c) 電流斷續時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續時的波形TEiGtontoffioi1i2I10

4、I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖3-1 降壓斬波電路得原理圖及波形原理圖如右：V-IGBT，VD-續流二極管，L-平波電抗器（為了使負載電流連續，脈動小） t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續且脈動小。動畫演示。3-71 工作原理t=0時：uGEGE0，V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E。負載電流i0 0由0按指數曲線上升。（進入穩態時，由1010開

5、始上升）t=t1時：uGE=GE=0，V關斷，負載電流由于大電感L的存在，電流不能突變經二極管VD續流，uo0，負載電流呈指數曲線下降。電流連續時，負載電壓平均值tonV導通時間；toffoffV關斷時間 T開關周期； 導通占空比 b b）電流連續時的波形）電流連續時的波形 c c）電流斷續時的波形）電流斷續時的波形 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiGEETtEtttUonoffononotttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I

6、10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG3-8 負載電流平均值： 討論：1）L值很大時：i0 0下降尚未到零，下一周期又開始，i0 0又上升，負 載電流i0 0處于連續狀態（如圖b）2）L值較小時：V關斷，到tx時，負載電流i0 0已衰減到零，i0 0出現 斷續。tx時，u0 0=EM，負載平均電壓U0 0被抬高。（如圖c）2 斬波電路三種控制方式（根據對負載電壓平均值調制方式分類）1）保持開關周期T不變，改變導通時間ton ，稱為脈沖寬度調制（PWM）。目前應用最廣泛。因為頻率固定，濾波器容易設

7、計， 容易消除諧波和控制電磁干擾。另外，改變脈寬容易實現。2）保持導通時間ton不變，改變T ，稱為頻率調制或調頻型。3）ton和T都可調，改變占空比，稱為混合型。REUIMoo3-9 5.2 升壓斬波電路 1. 工作原理（假設L值很大，C值也很大 ） uGEGE0：V導通，導通時間為tonon。此時 二極管VD截止，電源E向L提供能量，由 于L很大，電流恒為1 1。L上積蓄的能量 為 EI It tonon 同時C的電壓向負載供電，因C值很大， 輸出電壓Uo為恒值。 uGE GE = 0：V關斷，電源E和L產生的反電動 勢（電流減小時，eL L=-LdiL L/dt）共同相加，向C充電并向負

8、載R供 電。設V關斷的時間為toffoff，則電感L釋放能量為（U0 0-E）1 1 toffoff 當電路工作于穩態時，一個周期中L積蓄能量與釋放能量相等EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOttoff1oon1tIEUtEIEtTEtttUoffoffoffono3-10 1 輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路 升壓比，調節其大小即可改變Uo大小，調節方法與 改變導通比的方法類似。 將升壓比的倒數記作， 和導通占空比有如下關系：+= 1 如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗， 即 輸出電流的平均值： 電源電流： 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路

9、也可看成是直流變壓器。1/offtTTtoffoo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11offtTEU103-11補充：補充：升降壓斬波電路升降壓斬波電路 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結構3-12基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL圖3-4 升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形V通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。動態演示。3-13升降壓斬波電

10、路升降壓斬波電路數量關系穩態時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d（3-39）所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffono（3-41）V處于通態uL = EV處于斷態uL = - uooffoontUtE（3-40）3-14升降壓斬波電路升降壓斬波電路圖3-4b中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有：offon21ttII（3-42）由上式得：11onoff21IIttI（3-43） 結論當0a 1/2時為降壓，當1/2a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器

11、。其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。2o1IUEI （3-44）otb)oti1i2tontoffILIL3-15 5.3 電流可逆PWM斬波電路 （兩象限直流直流變換器）斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動，將能量回饋電源。電流可逆斬波電路構成：V1、VD1組 成降壓斬波電路，V2、VD2組成升壓 斬波。拖動直流電動機時，電動機的 電樞電流可正可負，但電壓只能是一 種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。工作過程如下：1）V2截止，V1周期性通、斷： V1導通，ton期間，uo=E，EEM，電流i0 0由電源電機，L儲能。 V1截止，toffoff期

12、間，L經二極管VD1續流，uo0。 結論：電機轉向n與轉矩M同方向，工作在第1象限電動機狀態。tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR3-162）V1截止，V2周期性通、斷： V2導通，ton期間，uo=0，電機將動能 轉變為電能，EM M提供能源，i0 0反向，L儲能。 V2截止， toffoff期間， L產生的反電動勢 和EM M相加，u0 0E，經VD2續流，將電能向電源饋送。 結論：i0產生的轉矩M與n反向，是制動轉矩，電機工作在第2象 限發電機制動狀態。必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。5.4 橋式可逆PWM斬波電路（四象限直

13、流直流變換器） 電流可逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運行，但電壓極性是單向的，電機的轉向沒有改變。當需要電動機進行正、反轉以及又要電動、制動的場合，須將兩 個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電 壓，成為橋式可逆斬波電路。（簡稱H橋） tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MRttb)uoioiV1iD1iV2iD2電流可逆斬波電路及波形3-17ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4Mtta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR工作原理：（1）V4導通時：V1、

14、V2、VD1、VD2構成上述的正轉“電流可逆斬波電路”，向電動機提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限即正轉電動和正轉再生制動狀態。（2）V2導通時：V3、VD3和V4、VD4又構成另一組反轉“電流可逆斬波電路”，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 ，即反轉電動和反轉再生制動狀態。直流傳動是斬波電路應用的傳統領域，而開關電源則是斬波電路應用的新領域，前者的應用在逐漸萎縮，而后者的應用方興未艾、欣欣向榮，是電力電子領域的一大熱點。3-18橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓。圖3-8 橋式可逆斬波電路 使V4保持通時，等效為

15、圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 。3-195.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路基本概念多相多重斬波電路在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成相數一個控制周期中電源側的電流脈波數重數負載電流脈波數3-205.5 多相多重斬波電路多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io3相3重降壓斬波電路電路結構：相當于由3個降壓斬波電路單元并聯而成。總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。總的輸出電流脈動幅值變得很小 。所需平波電抗器總重量大為減輕。總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數的平方成反比。圖3-9 3相3重斬波電路及其波形3-215.2.3 多相多重斬波電路多相多重斬波電路當上述電路電源公用而負載為3個獨立負載時，則為3相相1重斬波電路重斬波電路。而當電源為3個獨立電源，向一個負載供