第五章直流斬波電路

第五章直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流?/p>

電路種類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。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。

電路結構

全控型器件若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。

降壓斬波電路（BuckChopper)工作原理c)

電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖圖3-1

降壓斬波電路得原理圖及波形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(shù)曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。數(shù)量關系電流連續(xù)負載電壓平均值：（3-1）（3-2）ton——V通的時間toff——V斷的時間a--導通占空比

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。負載電流平均值：斬波電路三種控制方式T不變，變ton—脈沖寬度調制（PWM）。ton不變，變T—頻率調制。ton和T都可調，改變占空比—混合型。此種方式應用最多第2章2.1節(jié)介紹過：電力電子電路的實質上是分時段線性電路的思想。基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)同樣可以從能量傳遞關系出發(fā)進行的推導

由于L為無窮大，故負載電流維持為Io不變

電源只在V處于通態(tài)時提供能量，為

在整個周期T中，負載消耗的能量為輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等。

升壓斬波電路（BoostChopper）保持輸出電壓儲存電能

電路結構1)升壓斬波電路的基本原理工作原理假設L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。0iGE0ioI1圖3-2升壓斬波電路及工組波形a)

電路圖b)

波形數(shù)量關系設V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為設V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（3-21）（3-20）化簡得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b，即 。b和a的關系：因此，式（3-21）可表示為（3-23）（3-22）電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用

電容C可將輸出電壓保持住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

與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。輸出電流的平均值Io為：(3-25)電源電流的平均值Io為：(3-26)2)升壓斬波電路典型應用一是用于直流電動機傳動二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路三是用于其他交直流電源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo圖3-3用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形

a）電路圖b）電流連續(xù)時c）電流斷續(xù)時用于直流電動機傳動再生制動時把電能回饋給直流電源。電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。復合斬波電路——降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成

多相多重斬波電路——相同結構的基本斬波電路組合構成

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。降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路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。電流可逆斬波電路電路結構a)電路圖V1和VD1構成降壓斬波電路，電動機為電動運行，工作于第1象限。V2和VD2構成升壓斬波電路，電動機作再生制動運行，工作于第2象限。必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路。工作過程（三種工作方式)第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。電路響應很快。圖3-7電流可逆斬波電路及波形B型雙象限斬波器

B型雙象限斬波器是指輸出電壓極性可變，但輸出電流平均值始終為正，電路工作在第一和第四象限。

1．工作在第一象限

2．工作在第四象限電路工作有三種方式：

1）兩斬波器件CHl和CH2同時導通，且，電機吸收能量。

2）其中一個斬波器件和一個二極管同時導通，ud=0，id經(jīng)這二個導通管續(xù)流。

3）兩二極管VDl和VD2同時導通，兩斬波器件CHl和CH2同時關斷，且U<E，電機放出能量。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

四象限斬波器(橋式可逆斬波器）使V4保持通時，等效為圖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。一、斬波器換流電路1．電壓換流電路其換流原理是對電容C進行預充電，極性為左負右正。當開關Q閉合，晶閘管二端承受反壓關斷。注意加在晶閘管VT二端的反壓時間要大于晶閘管的關斷時間，才能使晶閘管VT可靠關斷。第三節(jié)普通晶閘管組成的直流斬波電路

2．電流換流電路其換流原理同樣是對電容Ｃ進行預充電，極性為左負右正。當開關Q閉合，換流電感L和電容Ｃ組成振蕩電路，產生電流ic，其方向同iＴ方向相反。當id＝ic時，iＴ＝０，晶閘管VT關斷，使二極管VD1導通，并使晶閘管VT承受反壓。同樣要注意加在晶閘管二端的反壓時間要大于晶閘管的關斷時間。二、TGC－I型無軌電車晶閘管斬波調速裝置電氣主電路原理圖，它主要適用于ZQ—60、DQ—14／86、ZQ—90直流牽引電動機，斬波器的工作頻率為125Hz，直流電源輸入電壓為600V。1．直流斬波器工作原理

VT1為斬波器主晶閘管，VT2為斬波器輔晶閘管，Ｃ和L1組成振蕩電路，與ＶＤ1

、ＶＤ2、L2組成VT1管的換流關斷電路。脈沖寬度控制直流斬波電路工作過程2．主電路中各元件的作用ＶＤ0：防止直流斬波器被加上反向電壓。ＴＰ：由霍爾元件組成的電流變換器。電阻ＲＴ和晶閘管ＶＴ3組成削磁回路，目的在于進一步提高車速。３．換流電容Ｃ和換流電感Ｌ1的確定斬波器正常工作的關鍵是靠充電的換流電容給晶閘管VT1以反壓，保證管子能關斷并恢復正向阻斷特性。三、逆導晶閘管與逆導型斬波器在前面討論的斬波器中，經(jīng)常將晶閘管與整流二極管反并聯(lián)使用，逆導晶閘管就是根據(jù)這一使用要求研制的新型器件，它將晶閘管和整流二極管制作在同一管芯上，其符號與等效電路。與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正向壓降小、關斷時間短以及高溫特性好等優(yōu)點?；靖拍疃嘞喽嘀財夭娐吩陔娫春拓撦d之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成相數(shù)一個控制周期中電源側的電流脈波數(shù)重數(shù)負載電流脈波數(shù)第五節(jié)多相多重斬波電路

1）導通比，二個斬波器件ＣＨ1和ＣＨ2的輸出電壓在相位上相隔T／2工作，二個斬波器件的導通時間不會重合，這樣就會出現(xiàn)兩種運行方式。

1，其中一個斬波器件CHl或CH2和兩個二極管導通。在方式０和方式１時，電路以2倍于單個斬波電路的頻率工作，輔出電流id為各項電流id1和id2之和，其平均值為一相的2倍，其頻率是id1和id2頻率的2倍。根據(jù)以上分析，我們知道多相多重斬波電路具有以下特點：

2)導通比，出現(xiàn)兩個斬波器件CHl或CH2同時導通的方式2，而且在任一時刻，至少有一個斬波器件導通，不會出現(xiàn)方式０，輸入電流iCH為零的時刻也不會出現(xiàn)，各電量波形。

1）輸出電流脈動率減小，有利于電機的運行。

2）平波電抗器的重量和體積可明顯降低。

3）濾波器的效果會增加。

4）線路較單個斬波電路復雜，尤其是控制電路。

5）由單個斬波器并聯(lián)構成，總的可靠性可提高。用電力電子器件將一種直流電壓先變?yōu)榻涣麟妷海僮優(yōu)闃O性、電壓值不同的另一種直流電壓的變流電路，被稱作間接直流變流電路。第六節(jié)間接直流變流電路一、單管傳輸型變流電路

其基本線路和部分波形。這是一種當開關器件Ｖ接通時向二次線圈供能的方式，在向變壓器TR的一次線圈Nl外加輸入電壓的同時，由二次線圈N2感應的電壓通過二極管VDl加以整流，并在Ｖ斷開時，利用電感L的儲能通過續(xù)流二極管VD2再由輸出濾波器LC加以平波供給負載。Ｖ在t1時刻導通，VD截止，E加在一次線圈N1上，在二次線圈N2上感應出（N2／N1）×Ｅ電壓，這時輸出電壓Ｕ0為單管傳輸型變流電路比較簡單，適用于中小容量輸出，而且容易適應高頻化，缺點是變壓器TR只能外加單向電壓，變壓器利用率較低，輸出濾波器容量也較大。二、推挽式變流電路這是一種適合中容量至大容量的方式，其基本電路和波形。三、半橋式和全橋式變流電路半橋式電路全橋式電路四、MOSFET整流電路由于MOSFET具有開關頻率高、驅動功率小、無二次擊穿等優(yōu)點，故在低壓便攜式電源中較多