电力电子技术

第五章

直流斩波电路

DC to DC Converters (Choppers)

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DC to DC Converters 本章主要内容 基本斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路 带隔离的直流-直流变流电路 带隔离的直流-

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DC to DC Converters 基本斩波电路 降压斩波电路Buck converter (Step-down converter)

升压斩波电路Boost converter (Step-up converter)

降升压斩波电路和Cuk电路 降升压斩波电路和Cuk电路Buck-Boost converter (Step-down/stepup converter) and Cuk converter

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Introduction直流斩波电路( 直流斩波电路(DC Chopper) Chopper) 将恒定的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( 也称为直流 -- 直流变换器 ( DC/DC --直流变换器 Converter) Converter) 一般指直接将一种直流电变为另一直 流电， 不包括直流— 交流— 流电 ， 不包括直流 — 交流 — 直流变换 电路

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Introduction直流斩波电路的种类 种基本斩波电路：降压斩波电路、 6 种基本斩波电路 ： 降压斩波电路 、 升 压斩波电路、 降升压斩波电路、 压斩波电路 、 降升压斩波电路 、 Cuk 斩波电路、 斩波电路和Zeta斩 斩波电路 、 Sepic斩波电路和 斩波电路和 斩 波电路 复合斩波电路——不同结构基本斩波电 不同结构基本斩波电 复合斩波电路 不同结构 路组合，电流可逆斩波电路， 路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆 斩波电路 多相多重斩波电路——相同结构基本斩 相同结构基本斩 多相多重斩波电路 相同结构 波电路组合

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 电路结构全控型器件 若为晶闸管， 若为晶闸管，需有 辅助关断电路 负 载 出 现 的 反 电 动 势

续流二极管，在V关 续流二极管， 断期间续流

典型用途之一是拖动直流电动机， 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电 池负载， 池负载，大多数情况为反电动势负载

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper工作原理

t=0时刻驱动V导通，电 时刻驱动V 导通， 向负载供电， 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 刻 控 制 V 关 断 ，二极管VD续流 二极管 VD续流， 负载电 VD续流， 近似为零， 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

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper电路稳态时， 电路稳态时，负载电流在 一个周期的初值和终值相等 电流连续 负载电压平均值： 负载电压平均值： ton ton Uo = E= E = αE ton + toff Tton——V导通的时间 V toff——V断开的时间 V a---导通占空比Duty cycle(3-1)

输出负载电压平均值最大 为E,改变占空比可改变输 出电压大小， 出电压大小，所以此电路 为降压

斩波电路

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 负载电流平均值： 负载电流平均值：Uo EM Io = R 电流断续， 电流断续，Uo被抬 高，一般不希望出现

(3-2)

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 斩波电路三种控制方式 开关周期T不变，改变导通时间t 开关周期T不变，改变导通时间ton — 脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation) Modulation) 导通时间t 不变， 导通时间ton不变，改变开关周期T — 频率调制 ton和T都可调，改变占空比—混合型 都可调，改变占空比—此种方式应 用最多

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 电路分析V导通期间，有 导通期间，di1 L + R 1 + EM = E i dt 初值为 I10 τ = L/ R t

E EM τ ( e τ) 1 则 i1 = I10e + R t

V关断期间，有 关断期间，di2 L + R 2 + EM = 0 i dt 初值为 I20 t t t t on on EM 则 i2 = I20e τ ( e τ ) 1 R

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper电流连续时， 电流连续时，有I10 = i2 t2) ( I20 = ( 1 i1 t )

根据前面两个方程， 根据前面两个方程，可 求出V 求出V导通状态和关断状 态时电流表达式 如果平波电抗器电感为 无穷大， 无穷大，则负载电流平直

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 从能量传递关系出发对电路进行推导由于L为无穷大，故负载电流维持为I 由于 为无穷大，故负载电流维持为 o不变 为无穷大 电源只在V处于通态时提供能量， 电源只在V处于通态时提供能量，为 EIoton 在整个周期T中 负载一直消耗能量， 在整个周期 中，负载一直消耗能量，消耗的能量为

(RI T + E2 o

M o

IT

)

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper从能量传递关系出发对电路进行推导 一周期中，忽略损耗， 一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的 能量相等

EIoton = RI T + EMIoT2 o

Io =

αE EMR

负载电流连续情况下，电源电流平均值为 负载电流连续情况下，

ton I1 = Io = αIo 电源侧电流小于等于负载电流 T

EI1 = αEIo = Uo Io输出功率等于输入功率 降压斩波器可看作为直流降压变压器

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降压斩波电路Buck 降压斩波电路Buck Chopper 1 (1 m)e αρ tx =τ ln I10=0,且t=tx时，i2=0 =0, m 式 ( 3 -7) 式 ( 3 -6)

负载电流断续(电感值不够大) 负载电流断续(电感值不够大)

tx<toff

电流断续的条件： 电流断续的条件：

eαρ 1 m> ρ e 1

输出电压平均值为： 输出电压平均值为： tonE + (T ton tx )EM ton + tx Uo = = α + 1 m E T T 负载电流平均值为： 负载电流平均值为： tx 1 ton = α ton + tx m E = Uo Em Io = ∫ i1 dt + ∫ i2 dt 0

T 0 T R R

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升压斩波电路Boost 升压斩波电路Boost Chopper 电路结构储存电能 保持输出 电压

此电路为降压电路不考虑开关极性情况 逆时针方向旋转90 90° 下，逆时针方向旋转90°