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

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1 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
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 Power Electronics 广东工业大学

2 第3章 直流斩波电路 Power Electronics
第3章 直流斩波电路 直流斩波电路（直流--直流变换器） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电（不包括直流—交流—直流） 直流斩波电路的种类 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，其中 前两种是最基本的电路 复合斩波电路——不同基本斩波电路组合 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合 Power Electronics 广东工业大学

3 3.1 基本斩波电路 Power Electronics 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路
3.1 基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Power Electronics 广东工业大学

4 3.1.1 降压斩波电路 Power Electronics 广东工业大学 V为该电路全控型器件，若采用晶闸管，需设置使其关断的辅助电路。
为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。 斩波电路用途之一是拖动直流电机，也可带蓄电池负载，负载均会出现的反电动势。 图3-1降压斩波电路的原理图及波形 a)电路图 Power Electronics 广东工业大学

5 Power Electronics 广东工业大学 当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
当t = t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值较大的电感。 当电路工作于稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。 t O b) T E uGE on off i o 1 2 I 10 20 u 图3-1降压斩波电路的原理图及波形 b)电流连续时的波形 Power Electronics 广东工业大学

6 Power Electronics 降压斩波电路（Buck变换器） 输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比a，则U0随之减小。
负载电压平均值为 （3-1） 式中， ton为V处于通态的时间； toff为V处于断态的时间；T为开关周期； a为导通占空比（简称占空比或导通比）。 降压斩波电路（Buck变换器） 输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比a，则U0随之减小。 负载电流平均值为 （3-2） Power Electronics 广东工业大学

7 Power Electronics 广东工业大学
uGE on off i o x 1 2 I 20 u M 负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减为零，会出现负载电流断续，由波形可见，负载电压uo平均值会抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 图3-1降压斩波电路的原理图及波形 c)电流断续时的波形 Power Electronics 广东工业大学

8 Power Electronics 斩波电路三种控制方式 广东工业大学
1） 脉冲宽度调制（PWM 脉冲调宽型) 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton 2) 频率调制（调平型） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T 混合型 ton和T都可调，占空比改变 V为通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程 设此阶段电流初值为I10， =L/R，解上式得 （3-3） （3-4） Power Electronics 广东工业大学

9 Power Electronics 广东工业大学 V处于断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程 设此阶段电流初值为I20，解上式得
当电流连续时，有 I10 = i2 (t2) I20 = i1(t1) V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。 （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） Power Electronics 广东工业大学

10 Power Electronics 广东工业大学 由式（3-4）、（3-6）、（3-7）和（3-8）得出 式中 ； ；
（3-9） （3-10） 式中 ； ； 将式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似，可得 上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 （3-11） Power Electronics 广东工业大学

11 Power Electronics 广东工业大学
从能量传递关系推导得，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EI0ton。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗的能量为(RI2T + EMIoT)。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，即 o （3-12） （3-13） 假设L值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值为I1，则有 （3-14） Power Electronics 广东工业大学

12 Power Electronics 广东工业大学 I1值小于等于负载电流I0，由上式得
即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 假如负载中L值较小，可能出现负载电流断续，电流断续时有 I10 = 0、且t = ton + ，i2 = 0，利用式（3-7）和式（3-6）可求出tX为 电流断续时， tx<toff，由此得电流断续的条件为 （3-15） （3-16） （3-17） Power Electronics 广东工业大学

13 Power Electronics 广东工业大学
在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD立即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为 Uo不仅和占空比a有关，也和反电动势EM有关，此时负载电流平均值为 （3-18） （3-19） Power Electronics 广东工业大学

14 3.1 基本斩波电路 Power Electronics 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路
3.1 基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Power Electronics 广东工业大学

15 3.1.2 升压斩波电路 Power Electronics 1.升压斩波电路 广东工业大学
当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。 V处于断态时，E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为(Uo-E)I1toff。 a) uGE I1 io t b) 图3-2 升降压斩波电路及其工作波形 a)电路图 b)波形 Power Electronics 广东工业大学

16 Power Electronics 广东工业大学 电路工作稳态时，一个周期T中电感L积蓄能量与释放能量相等 化简得
式中，T/toff>1，输出电压高于电源电压，该电路为升压斩波电路 T/toff表示升压比，改变输出电压Uo的大小，升压比的倒数b = toff /T,则b和导通占空比a的关系 式（3-21）可表示为 （3-20） （3-21） （3-22） （3-23） Power Electronics 广东工业大学

17 Power Electronics 广东工业大学 升压斩波电路输出电压高于电源电压，关键原因 L储能之后具有使电压泵升的作用
实际输出电压会略低式（3-23）结果。 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 根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为 由式（3-24）即可得出电源电流I1为 （3-24） （3-25） （3-26） Power Electronics 广东工业大学

18 Power Electronics 2. 升压斩波电路的典型应用 广东工业大学 直流电动机传动 用于 单相功率因数校正（PFC）电路
其他交直流电源中 用于直流电动机再生制动时把电能回馈给 直流电源，实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩 波电路一样，也有电动机电枢电流连续 和断续两种工作状态。 此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是定的，因此不必并 联电容器。 图3-2 升降压斩波电路图 Power Electronics 广东工业大学

19 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
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 Power Electronics 广东工业大学

20 Power Electronics 广东工业大学 V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 设i1的初值为I10，解上式得
(3-27) (3-28) （3-29） （3-30） Power Electronics 广东工业大学

21 Power Electronics 广东工业大学
当电流连续时，t=ton时刻， i1 = I20；t =T 时刻，i2 = I10 ，由此可得 由上两式求得 (3-31) (3-32) (3-33) (3-34) Power Electronics 广东工业大学

22 Power Electronics 广东工业大学 将式（3-33）和式（3-34）用泰勒级数线性近似
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即 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。 （3-35） （3-36） Power Electronics 广东工业大学

23 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形
当电枢电流断续时， t = 0时刻，i1=I10=0，令式（3-31）中I10= 0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t = t2时，i2= 0，可求得i2持续的时间tx （3-37） 当tx<toff时，电路为电流断续工作状态 （3-38） 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形 c） 电流断续时 Power Electronics 广东工业大学

24 3.1 基本斩波电路 Power Electronics 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路
3.1 基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Power Electronics 广东工业大学

25 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Power Electronics 1. 升降压斩波电路 广东工业大学
可控开关V处于通态时，电源经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压恒定并向负载R供电。 V关断时，电感L中的能量向负载释放，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 图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形 Power Electronics 广东工业大学

26 Power Electronics 广东工业大学 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
当V处于通态期间时，uL=E；而当V处于断态期间时，uL=-uo 输出电压为 改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路（buck-boost 变换器）。 （3-39） （3-40） （3-41） Power Electronics 广东工业大学

27 Power Electronics 广东工业大学
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 由上式可得 如果V、VD为没有耗损的理想开关时，则 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。 （3-42） （3-43） （3-44） Power Electronics 广东工业大学

28 Power Electronics 2. Cuk斩波电路 广东工业大学 V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。
VD a) C V L 1 2 u o V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。 V处于断态 时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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。 R b) C B A S E i 1 L 2 u o 图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路 Power Electronics 广东工业大学

29 Power Electronics 广东工业大学 稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的 积分为零，即
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 从而可得 （3-45） （3-46） （3-47） Power Electronics 广东工业大学

30 Power Electronics 广东工业大学 当电容C很大使电容电压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得
当开关S合到B 点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uc 当开关S合到A 点时，uB=uc,uA=0,B点电压uB平均值为 又因电感L1的电压平均值为零，所以 电感L2的电压平均值为零，A点的电压平均值为 Power Electronics 广东工业大学

31 Power Electronics Cuk 斩波电路优点 广东工业大学 图3-5b中输出电压Uo 可得出输出电压Uo与电源电压E的关系
输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。 Cuk 斩波电路优点 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。 （3-48） Power Electronics 广东工业大学

32 3.1 基本斩波电路 Power Electronics 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路
3.1 基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Power Electronics 广东工业大学

33 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Power Electronics Sepic斩波电路工作原理 广东工业大学
V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，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。 当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。 E 图3-6 a)Sepic斩波电路 Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出 （3-49） Power Electronics 广东工业大学

34 Power Electronics Zeta斩波电路(双Sepic斩波电路) 工作原理 广东工业大学
在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。 b） 图3-6 b)Zeta斩波电路 Zeta斩波电路的输入输出关系为 （3-50） Power Electronics 广东工业大学

35 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，与升降压斩波电路和Cuk斩波电路相比， Sepic电路和Zeta电路输出电压为正极性的。 Power Electronics 广东工业大学

36 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
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 Power Electronics 广东工业大学

37 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
3.2 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 Power Electronics 广东工业大学

38 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 Power Electronics 复合斩波电路 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成
3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 复合斩波电路 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路 相同结构的基本斩波电路组合构成 Power Electronics 广东工业大学

39 图3-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形
3.2.1电流可逆斩波电路 图3-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形 V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限 若V1和V2同时导通将导致的电源短路 V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限 Power Electronics 广东工业大学

40 即 Power Electronics 广东工业大学 当电路只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态
一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作 当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。 即 t O b) u o i V1 D1 V2 D2 在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。 图3-7 b）电流可逆斩波电路波形 Power Electronics 广东工业大学

41 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
3.2 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 Power Electronics 广东工业大学

42 3.2.2 桥式可逆斩波电路 Power Electronics 广东工业大学
桥式可逆斩波电路 电动机进行正、反转以及可电动又可制动时，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，即成为桥式可逆斩波电路 图3-8 桥式可逆斩波电路 Power Electronics 广东工业大学

43 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
3.2 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 Power Electronics 广东工业大学

44 3.2.3 多相多重斩波电路 Power Electronics 多相多重斩波电路 在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成
多相多重斩波电路 在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成 斩波电路相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数 斩波电路重数 负载电流脉波数 图3-9 a)3相3重斩波电路图 Power Electronics 广东工业大学

45 Power Electronics 广东工业大学
相当于由3个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。 由于3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小 多相多重斩波电路总输出电流最大脉动率与相数的平方成反比，且输出电流脉动频率提高。 多相多重斩波电路和单相时相比，在输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗器总重量大为减轻 图3-9 b) 3相3重斩波波形 Power Electronics 广东工业大学

46 Power Electronics 3相1重斩波电路 电路电源公用而负载为3个独立负载时
3相1重斩波电路 电路电源公用而负载为3个独立负载时 1相3重斩波电路 电源为3个独立电源，向一个负载供电时 电流电源为各可控开关的电流之和，其脉动频率为单个斩波电路时的3倍，谐波分量比单个斩波电路是显著减小，且电源电流的最大脉动率也是与相数的平方成反比。使得由电源电流引起的感应干扰大大减小，若需滤波，接上简单的LC滤波器即可充分防止感应干扰。 多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用 Power Electronics 广东工业大学

47 目 录 Power Electronics 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路
目 录 绪论 1 电力电子器件 2 整流电路 3 直流斩波电路 4 交流电力控制电路和交交变频电路 5 逆变电路 6 PWM控制技术 7 软开关技术 8 组合变流技术 Power Electronics 广东工业大学