1、一讲直流斩波电路分析一讲直流斩波电路分析v 直流斩波电路（）v将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电v也称为直接直流直流变换器（）v一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流v习惯上，变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况vv直流斩波电路的种类v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、斩波电路、斩波电路和斩波电路，其中前两种是最基本的电路v复合斩波电路不同基本斩波电路组合v多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合v第十一讲第十一讲 直流斩波电路分析直流斩波电路分析 基本斩波电路基本斩波电路 降压斩波电路降压斩波电路 升压斩波电路升压斩波电路 升降压
2、斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路 斩波电路和斩波电路斩波电路和斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路多相多重斩波电路 基本斩波电路基本斩波电路v重点介绍最基本的两种基本电路降压斩波电路和升压斩波电路v 降压斩波电路v 升压斩波电路v 升降压斩波电路和斩波电路v 斩波电路和斩波电路 降压斩波电路降压斩波电路v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，如图中所示 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20
3、t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图 降压斩波电路的原理图及波形）电路图 ）电流连续时的波形 ） 电流断续时的波形v工作原理工作原理 v时刻驱动导通，电源向负载供时刻驱动导通，电源向负载供电，负载电压，负载电流按指数电，负载电压，负载电流按指数曲线上升曲线上升v时刻控制关断，负载电流经二时刻控制关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，极管续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了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使使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感值较大串接的电
4、感值较大 动画 降压斩波电路降压斩波电路v数量关系数量关系v电流连续时，负载电压平均值电流连续时，负载电压平均值v v通的时间通的时间 断的时间断的时间 导通占空导通占空比比v 最大为最大为 ，减小占空比，随之减小。，减小占空比，随之减小。因此称为降压斩波电路。因此称为降压斩波电路。v 负载电流平均值负载电流平均值v电流断续时，被抬高，一般不希望出现电流断续时，被抬高，一般不希望出现 EETtEtttUonoffononoREUIMoo（）（） 降压斩波电路降压斩波电路v斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）v不变，变 脉冲宽度调制（）v不变，变 频率调制v和都可
5、调，改变占空比混合型v基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行分析v 通态期间，设负载电流为，可列出如下方程： EERitiLM11dd（）设此阶段电流初值为，解上式得 断态期间，设负载电流为，可列出如下方程：设此阶段电流初值为，解上式得：当电流连续时，有：tteREEeIi1101M0ddM22ERitiLtteREeIi1202M)(2210tiI )(1120tiI 降压斩波电路降压斩波电路（）（）（）（）（）即进入通态时的电流初值就是在断态阶段结束时的电流值，反过来，进入断态时的电流初值就是在通态阶段结束时的电流值。由式（）、（）、（）、（）得出： 式中: ； ； 。由图可知，和分别
6、是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 降压斩波电路降压斩波电路REmeeREREeeITt1111M/101REmeeREREeeITt1111M/201/ TEEm/MTTtt11/（）（） 降压斩波电路降压斩波电路把式（）和式（）用泰勒级数近似，可得 上式表示了平波电抗器为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。o2010IREmII（）v从能量传递关系出发进行的推导v 由于为无穷大，故负载电流维持为不变v电源只在处于通态时提供能量，为v在整个周期中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为v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v
7、v则v 降压斩波电路降压斩波电路onotEITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oonoREEIMo（）（） 降压斩波电路降压斩波电路在上述情况中，均假设值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为，则有 其值小于等于负载电流，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。 ooon1IITtIooo1IUEIEI（）（） 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： ，且时，利用式（）和，且时，利用式（）和式（）可求出为：式（）可求出为：电流断续时，电流断续时，由此得出电流断续的条件为：，由此得出电流断续的条件为： 对于电路的具体工况，可据此式判
8、断负载电流是否对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。连续。 降压斩波电路降压斩波电路memt)1 (1lnx11eem（）（） 降压斩波电路降压斩波电路 在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管即关断，负载两端电压等于。输出电压平均值为： 不仅和占空比 有关，也和反电动势有关。 此时负载电流平均值为 EmTttTEttTEtUxonMxonono1)(REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1（）（） 升压斩波电路.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理工作原理工作原理 假设值很大，值也很大假设值很大，值也很大通时，向充电，充电电流恒为，
9、同通时，向充电，充电电流恒为，同时的电压向负载供电，因值很大，时的电压向负载供电，因值很大，输出电压为恒值，记为。设通的输出电压为恒值，记为。设通的时间为，此阶段上积蓄的能量为时间为，此阶段上积蓄的能量为断时，和共同向充电并向负载供电。断时，和共同向充电并向负载供电。设断的时间为，则此期间电感释设断的时间为，则此期间电感释放能量为放能量为稳态时，一个周期中积蓄能量与释稳态时，一个周期中积蓄能量与释放能量相等放能量相等 EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图 升压斩波电路及其工作波形）电路图 ）波形on1tEIoff1otIEU off1oon1tIEUtEI（）化简得：，
10、输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也称之为变换器升压比，调节其大小即可改变大小，调节方法与节中介绍的改变导通比的方法类似。将升压比的倒数记作 ，即 。 和导通占空比有如下关系： 因此，式（）可表示为EtTEtttUoffoffoffono1/offtToff/tTTtoff1EEU111o 升压斩波电路（）（）（） 升压斩波电路v 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因v 一是储能之后具有使电压泵升的作用一是储能之后具有使电压泵升的作用v 二是电容可将输出电压保持住二是电容可将输出电压保持住v 以上分析中，认为通态期间因电容的作用使得
11、输出以上分析中，认为通态期间因电容的作用使得输出电压不变，但实际值不可能无穷大，在此阶段其向电压不变，但实际值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，必然会有所下降，故实际输出电压会略负载放电，必然会有所下降，故实际输出电压会略低低 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载消耗，即 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式（）得出输出电流的平均值为 由式（）即可得出电源电流为： oo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11 升压斩波电路（）（)（）. 升压斩波电路的升压斩波电路的典型应用典型应用一是用于直流电一是用于直流电动机传动动机传
12、动二是用作单相功二是用作单相功率因数校正（）率因数校正（）电路电路 三是用于其他交三是用于其他交直流电源中直流电源中EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形） 电路图 ） 电流连续时 ） 电流断续时 升压斩波电路v 用于直流电动机传动时v通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源v实际电路中电感值不可能为无穷大，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v此时电机的反电动势相当于 图电路 中的电源，而此
13、时的直流电源相当于图中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。 升压斩波电路v 电路分析v处于通态时，设电动机电枢电流为，得下式 v式中为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。v设的初值为，解上式得vv当处于断态时，设电动机电枢电流为，得下式：v v设的初值为，解上式得：v M11ddERitiLtteREeIi1M101EERitiLM22ddttteREEeIi1M202on 升压斩波电路（）()（）（）当电流连续时，从 图的电流波形可看出，时刻，时刻，由此可得： 由以上两式求得：onon1M1020tteREeIIoffofftmteREEeII12010REeemR
14、EeeREITt1111offM10REeeemREeeeREITTt11onM20 升压斩波电路（）（）（）（）与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得 （）该式表示了为无穷大时电枢电流的平均值，即 （）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了 。 REmII2010REEREmIoME 升压斩波电路当电枢电流断续时的波形如 图所示。当时刻，令式（）中即可求出，进而可写出的表达式。另外，当时，可求得持续的时间，即当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即 根据此式可对电路的工作状态作出判断。 mmett11lnonxeem11 升压斩波电路（）（） 升
15、降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路. 升降压斩波电路升降压斩波电路设值很大，值也很大。设值很大，值也很大。使电感电流和电容电压即负使电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。载电压基本为恒值。基本工作原理基本工作原理通时，电源经向供电使通时，电源经向供电使其贮能，此时电流为。同时，其贮能，此时电流为。同时，维持输出电压恒定并向负载维持输出电压恒定并向负载供电。供电。断时，的能量向负载释断时，的能量向负载释放，电流为。负载电压极性放，电流为。负载电压极性为上负下正，与电源电压极为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性相反，该电路也称作反极性斩波电路性斩波电路VDotb)ERL
16、a)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图 升降压斩波电路及其波形）电路图 ）波形动画 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路稳态时，一个周期内电感两端电压对时间的积分为零，即 当处于通态期间， ；而当处于断态期间， 。于是： 所以输出电压为： Ttu0L0doffoontUtEEEtTtEttU1ononoffono（）（）（） 改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 时为降压，当 时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为 变换器（ ） 图中给出了电源电流和负载电流的波形，设两者的平均值分别为和，当电流脉动足够
17、小时，有 VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILoffon21ttII图 升降压斩波电路及其波形）电路图 ）波形 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路（）动画由上式可得： 如果、为没有损耗的理想开关时，则 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。11onoff21IIttI21IUEIo 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路（）（）. 斩波电路斩波电路图所示为斩波电路的原理图及其等效电路。图所示为斩波电路的原理图及其等效电路。通时，通时，回路和回路和回路分别流过电流回路分别流过电流断时，断时，回路和回路和回路分别流过电流回路
18、分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图所示，相当于开关在、两点之间交替切换等效电路如图所示，相当于开关在、两点之间交替切换ERVDa)CVRb)CBASEL1L2uoi1L1L2i2uCuAuBuo图 斩波电路及其等效电路） 电路图 ） 等效电路 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路 稳态时电容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 在图的等效电路中，开关合向点时间即处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。开关合向点的时间为处于断态的时间，则电容电流和时间的乘积为 。由此可得 从而可得Tti0C0doff1o
19、n2tItI1onononoff12ttTttII 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路（）（）（）当电容很大使电容电压的脉动足够小时，输出电压与输入电压的关系可用以下方法求出。当开关合到点时，点电压，点电压 ；相反，当合到点时， ，。因此，点电压的平均值为 （为电容电压的平均值），又因电感的电压平均值为零，所以。另一方面，点的电压平均值为 ，且的电压平均值为零，按 图中输出电压的极性，有 。 CBUTtUoffCBUTtUEoffCAUTtUonCUTtUono 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路于是可得出输出电压与电源电压的关系： 这一输入输出关系与升降压斩波电路
20、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。EEtTtEttU1ononoffono 升降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路（） 斩波电路和斩波电路 图分别给出了斩波电路和斩波电路的原理图。 斩波电路的基本工作原理是：当处于通态时，回路和回路同时导电，和贮能。处于断态时，负载（和）回路及负载回路同时导电，此阶段和既向负载供电，同时也向充电，贮存的能量在处于通态时向转移。RVDEVb)RVDEa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2图 斩波电路和斩波电路）斩波电路 ）斩波电路 斩波电路
21、的输入输出关系由下式给出： 斩波电路也称双斩波电路，其基本工作原理是：在处于通态期间，电源经开关向电感贮能。待关断后，经与构成振荡回路，其贮存的能量转移至，至振荡回路电流过零，上的能量全部转移至上之后，关断，经向负载供电。EEtTtEttU1ononoffono 斩波电路和斩波电路（）斩波电路的输入输出关系为：两种电路相比，具有相同的输入输出关系。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，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。 EU1o 斩波电路和斩波电路（） 复合斩波电路和多相多重斩波电路
22、复合斩波电路和多相多重斩波电路 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路多相多重斩波电路 电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动 降压斩波电路拖动直流电动机时，如图所示，电动机工作于第象限 图所示升压斩波电路中，电动机工作于第象限 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第象限和第象限 和构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第象限 和构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源
23、，使电动机作再生制动运行，工作于第象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR图 电流可逆斩波电路及其波形） 电路图 ） 波形 电流可逆斩波电路 u必须防止和同时导通而导致的电源短路u只作降压斩波器运行时，和总处于断态u只作升压斩波器运行时，则和总处于断态u第种工作方式：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u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。以 图为例说明。u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。 电流可逆斩波电路 桥
24、式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路v电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的v当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，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，成为桥式可逆斩波电路v桥式斩波电路又有双极性、单极性和受限单极性之分 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 使保持通时，等效为 图所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第、象限，即正转电动和正转再生制动状态 使保持通时，、和、等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第、象限 ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M图（
25、） 桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路、双极性工作方式 与同时通断， 与同时通断 与通断互补， 与通断互补 输出电压波形中电压有正有负，故称双极性，如图（）所示。ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M图（） 桥式可逆斩波电路双极性工作方式 uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b) c) 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路、单极性工作方式 与不断调制， 与全通或全断 与通断互补， 与通断互补 输出电压波形中电压只有正或只有负，故称单极性，如图（）所示ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo
26、io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b) c) 图（） 桥式可逆斩波电路单极性工作方式 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路、受限单极性工作方式 不断调制， 全通，与全断 或不断调制， 全通，与全断 输出电压波形中电压只有正或只有负，且轻载时电流也断续，故称受限单极性，如图（）所示ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 a) b) c) 图（） 桥式可逆斩波电路受限单极性工作方式 v 多相多重斩波电路是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的v相数 一个控制周期中电源侧的
27、电流脉波数v重数 负载电流脉波数v 示例：图，相重降压斩波电路v 相当于由个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为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倍，脉动频率也为倍v 由于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（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比 和单相时相比，设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 当上述电路电源公用而负载为个独立负载时，则为相重斩波电路 而当电源为个独立电源，向一个负载供电时，则为相重斩波电路 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 多相
28、多重斩波电路图 多相多重斩波电路及其波形）电路图 ）波形 多相多重斩波电路CLEMa) 电 路 图V1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1tOtttttttOOOOOOOb) 波 形u1u2u3uoi1i2i3io图 降压斩波电路的原理图及波形EV+-MRLVDa)ioEMuoiGtttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图 升压斩波电路及其工作波形EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波
29、形EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图 升降压斩波电路及其波形VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL图 斩波电路及其等效电路b) 等效电路CBASEi1L1L2i2uCuAuBuoVDa) 电路图CVL1L2uoER图 斩波电路和斩波电路VDa) Sepic斩波电路Vi1L1C1uC1i2L2C2uoREL2VDEb) Zeta斩波电路i1C1L1uoC2R图 电流可逆斩波电路及其波形LV1VD1uoioV2VD2EMMRa) 电路图Et
30、tOOuoioiV1iD1iV2iD2b) 波形图（） 桥式可逆斩波电路ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M图（） 桥式可逆斩波电路双极性工作方式ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b ) c) 图（） 桥式可逆斩波电路单极性工作方式 ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b) c) 图（） 桥式可逆斩波电路受限单极性工作方式 ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 a) b) c) 图 多相多重斩波电路及其波形LEa) 电路图V1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1MtOtttttttOOOOOOOb) 波形u1u2u3uoi1i2i3io降压斩波电路及其波形升压斩波动画升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形
