第5章 直流斩波电路

1、3-15.1 5.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 5.2 5.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 5.3 5.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *5.4 5.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *5.5 5.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 5.6 5.6 带隔离变压器的直流带

2、隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.2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本章小结本章小结（C C）3-2 将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 - 直流直流变换器 ( DC / DC Converter )。一般指直接直接将直流电变为另一直流电，不包括 直流 - 交流 - 直流变换。 6 种种基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 波电路。复合斩波电路复合斩波电路 不同结构不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路多相多重斩波电路 相同结构

3、相同结构基本斩波电路组合。（C C）电路种类电路种类直流斩波电路直流斩波电路（ DC Chopper ）3-3 电路结构 全控型器件。 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势 典型用途用途之一是拖动直流电动机拖动直流电动机，也可带蓄电池负蓄电池负 载载，或作为串联开关型稳压电路串联开关型稳压电路。 功率器件 V 的驱动和保护电路见第 1 章有关内容。 降压斩波电路降压斩波电路 ( Buck Chopper )（B）注：如何检测电流 i0 ？3-4例：降压斩波电路的分析例：降压斩波电路的分析基本电路如图 a)，开关器件 V 在开通开通 ( ON ) 和关关断断 ( OFF )

4、 两种状态下的等等效电路效电路分别见图 b) 和 c) ( 只考虑电流连续的情况 )。如图可见，在开关器件 V 的状态确定后，两个等效电路均可按线性电路线性电路进行分析，前面课程中学过的知识可得到利用。实际应用电路会比该电路复杂得多，但基本的分析方法是一致的。a)b)c)（A A）3-5工作原理工作原理tttOOOb) 电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa) 电路图c) 电流断续时的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图3-1 降压斩波电路的原理图及波形t = 0 时刻驱动 V

5、导通导通，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。t = t1 时控制 V 关断关断，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。（C C）通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。动画演示3-6数量关系数量关系 电流连续电流连续（设电感很大，电流脉动较小）（设电感很大，电流脉动较小）ononoonoffttUEEEttT（3-1）oMoUEIR （3-2）ton V 通的时间通的时间 toff V 断的时间断的时间 T 开关周期开关周期 导通占空比导通占空比输出功率等于输入功率输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降

6、压变压器直流降压变压器。1ooE IU I（B） 负载电压平均值负载电压平均值：按照电感上伏秒积分平衡或能量平衡 负载电流平均值负载电流平均值：3-7数量关系数量关系 电流不连续电流不连续（3-3）ton V 通的时间通的时间 tx 电感电流断的时间电感电流断的时间 T 开关周期开关周期（B） 负载电压平均值负载电压平均值：不成立不成立换成电容：换成电容：电流连续情况下：电流连续情况下：3-8斩波电路三种控制方式T 不变，变 ton 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 ( PWM )。ton 不变，变 T 脉冲频率调制 ( PFM )。ton 和 T 都可调，改变占空比 混合型混合型。此种方式应用最多第

7、 2 章 2.1 节和本章前均介绍过：电力电子电路实质上是分时段线性电路分时段线性电路的思想。基于分段线性分段线性的思想，对降压斩波电路进行解析。（B） 分分 V 处于处于通态通态和处于和处于断态断态 初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续3-9工作原理工作原理假设 L 和 C 值很大。( L：储存电能；C：保持输出电压。)V 处于通态通态时，电源 E 向电感L 充电，电流恒定 I1 ，电容 C向负载 R 供电，输出电压 Uo 恒定。V 处于断态断态时，电源 E 和电感 L 同时向电容 C 充电，并向负载提供能量。注意注意：电路不能空载工作?动态演示0uGE0ioI1图5-2 升压斩

8、波电路及工作波形a) 电路图b) 波形（B）此斩波电路亦称作并联开关型稳压电路并联开关型稳压电路。( Boost Chopper ) 3-10数量关系数量关系 V 通态时间通态时间 ton ，此阶段，此阶段 L 上积蓄的能量为：上积蓄的能量为： 。 V 断态时间断态时间 toff ，此期间电感，此期间电感 L 释放能量为：释放能量为： 。 稳态稳态时，一个周期时，一个周期 T 中中 L 积蓄能量与释放能量相等：积蓄能量与释放能量相等：1ooffUEIt1onE ItonoffooffoffttTUEEtt（5-21）（5-20）11()onooffE ItUEIt化简得： T / toff 1

9、，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路升压斩波电路。 T / toff 升压比；升压比的倒数记作 b ，即 。 b 和 的关系： + b b = 1因此，式（3-21）可表示为： 111oUEEbofftTb（5-23）（5-22）（C C）3-11 设：设：1. 相对于开关周期相对于开关周期 T 而言，而言， L 、C 的值足够大的值足够大 ( 或或 T 足够小足够小 )。 2 . 一周期中，一周期中，i1 = I1 、u0 = U0 保持不变。保持不变。 ton 期间期间：uL = E ；toff 期间期间：uL = E - U0 。 一周期内一周期内 L 中的能量变化为零中的能量变化为

10、零，即：，即：得：得：由此得出：由此得出： 将将 代入上式，进一步解得：代入上式，进一步解得： ，即式，即式 (5 - 23)。例：式（例：式（5 - 235 - 23）的详细推导）的详细推导T100Lui dt（A A）ont1010()0onTtE I dtEUI dt101()()0ononE ItEUITt/ontT011UE图 3-2 a）3-12电压升高的原因电压升高的原因：电感 L 储能起电压泵升电压泵升的作用； 电容 C 可将输出电压保持保持住。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： 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器直流变压器。1E

11、 IU Ioo 输出电流的平均值输出电流的平均值 Io 为：RERUIb1oo(5-25) 电源电流的平均值电源电流的平均值 I1 为： 阻抗变换器阻抗变换器：REIEUI2oo11b(5-26)（B）221(1)ERRIb（5-24）3-13 例：带馈能式例：带馈能式缓冲电路的升压缓冲电路的升压斩波电路斩波电路一般 C1 = C2 。C1 中储存的能量为 C1 UO2 / 2 。注： 1、缓冲电路由哪些元件组成？2、缓冲电路的工作原理？ 3、缓冲电路对斩波电路正常工作的作用和影响？ 4、VT导通瞬间，流过 VT的电流是否就是 i1 ？ 5、要使 UO 更接近理想直流应采取哪些措施？（A）3-

12、14 1 ) 升降压斩波电路升降压斩波电路 ( buck - boost Chopper ) 电路结构电路结构（B B）图 3-4 a）注：该电路能否空载工作？ 注意注意：电源和负载压降定义的方向（ 极性 ）不同。3-15基本工作原理基本工作原理a)图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形V 通时通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i1 。同时，C 维持输出电压恒定并向负载 R 供电。V 断时断时，L 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，该电路也被称作反极反极性斩波电路性斩波电路。注意注意：电路不能空载工作。动态演示

13、b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：开关器件承受的电压是多少？3-16数量关系数量关系稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压 uL 对时间的积分为零。0d0LTut （5-39）所以输出电压输出电压为：1ononooffonttUEEEtTt（5-41）V处于通态通态uL = EV处于断态断态uL = - uoonooffE tUt（5-40）（C C）即：3-17图 5 - 4 b) 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：12onofftIIt（3-42）由上式得：2111offontIIIt（3

14、-43） 结论结论当 0 1 / 2 时为降压降压，当1 / 2 1 时为升压升压，故称作升降压斩波电路升降压斩波电路。也有称之为 buck - boost 变换器变换器。 其输出功率等于输入功率输出功率等于输入功率，可看作直流变压器直流变压器。12oE IU I（3-44）ototi1i2tontoffILIL（B）图 3-4 b）3-182 ) Cuk ( Cuk 、丘克丘克、库克库克 ) 斩波电路斩波电路 V 通时通时，E - L1 - V 回路和 R - L2 - C - V 回路有电流。 V 断时断时，E - L1 - C - VD 回路和 R - L2 - VD 回路有电流。 输出

15、电压的极性与电源电压极性相反极性相反。 电路相当于开关 S 在 A 、B 两点之间交替切换。图5-5 Cuk 斩波电路及其等效电路a） 电路图 b） 等效电路（B）注：1、开关器件承受的电压是多少？ 2、该电路能否空载工作？3-19同理：Tti0C0d（5-45）V 处于通态通态的时间 ton ，则电容电流和时间的乘积为 I2 ton 。V 处于断态断态的时间 toff ，则电容电流和时间的乘积为 I1 toff 。由此可得：off1on2tItI（5-46）211offononontTtIItt（5-47）1ononooffonttUEEEtTt（5-48） 其输出功率等于输入功率输出功率等

16、于输入功率， 可看作直流变压器直流变压器。 优点优点 ( 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。小，有利于对输入、输出进行滤波。（B） 缺点缺点：电容 C C 的电流波动大，电流冲击严重。3-20 分析时的注意点：分析时的注意点： 1 . 能量守恒能量守恒关系；关系； 2 . 合理假设合理假设。 设：设：1 . L1 、L2 、C 足够大，足够大， T 足够小；足够小； 2 . 一周期中一周期中 i1 = I1 、i2 = I2 、uc = Uc 保持不变。保持不变。 一周期内一周期

17、内 C 中的能量变化为零中的能量变化为零，即：，即： 得：得： 由由 及及 得：得：即式即式 ( 5 - 47 )。 同理，可照此对同理，可照此对 L1 、L2 进行分析。进行分析。例：式例：式 ( 5 - 47 ) 的详细推导的详细推导T00CCui dt（A A）ont2100()onTCCtUIdtUIdt 210()ononItITt/ontT211II图5-5 a）3-21+ uc 例：例：有一输入电压 E = 10 V ，开关频率为 50 kHz 的 Cuk 斩波电路 ( 如图 ) ，输出端接足够大的电容使输出电压UO = 5 V 不变，求：1). 占空比 ；2). 电容 C 两端

18、的平均电压 Uc ；3). 开关器件的 ton 和 toff 。解：解：1).由 ，得：2).由 E = uL1 + uC + uL2 + ( - UO )，且稳态时电感上的平均电压 UL1 = UL2 = 0，得：UC = E ( - UO ) = 15V *3).由 = ton / T = ( T toff ) / T，得：ton = T = 6.67S，toff = T ton = 13.33 S。 1OUE13OOUUE* uc 瞬时值可能会波动较大，具体数值可通过列方程求解或通过仿真得出。（A）3-22 Sepic 电路的结构和原理电路的结构和原理V 通态通态，E - L1 - V

19、回路回路 和和 C1 - V - L2 回路同时导回路同时导 电，电，L1 和和 L2 贮能。贮能。V 断态断态，E - L1 - C1 - VD - 负载负载回路及回路及 L2 - VD - 负载负载回回路同时导电，此阶段路同时导电，此阶段 E 和和 L1 既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向 C1 充电充电 ( C1 贮存的能量在贮存的能量在 V 处于通态时向处于通态时向 L2 转移转移 )。输入输出关系输入输出关系：1ononooffonttUEEEtTt（3-49）（B）注：1、该电路能否空载工作？ 2、试推导该电路输出电流 IO 的表达式。a) Sepic 斩波电路图3-6

20、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路3-23 设：设：1 . L1 、L2 、C1 、C2 的的 值足够大，值足够大，T 足够小。足够小。 2 . 一周期中，一周期中，i1 = I1 、 i2 = I2 、uC1 = UC1 、u0 = U0 保持不变。保持不变。 ton 期间期间：uL1 = E 、uL2 = UC1 ； toff 期间期间：uL1 = E - U0 - UC1 、uL2 = - U0 。 稳态稳态时，一周期内时，一周期内 L1 、L2 中的能量变化为零中的能量变化为零，即：，即： 由上二式和由上二式和 ，得：，得： ，即式，即式 (3 - 49)。例：式例：式（5 -

21、 49）的详细推导的详细推导12020ConoffUItUIt（A A）/ontT01UE 10110()onCoffE ItEUUIt图5-6 a）Zeta 斩波电路的分析方法与此相同。斩波电路的分析方法与此相同。3-24Zeta 斩波电路的结构和原理斩波电路的结构和原理V 处于通态通态期间，电源 E 经开关 V 向电感 L1 贮能，同时 E 和 C1 共同向 R 和 C2 供电。V 关断关断后，L1 经 VD 将储存的能量转移到 C1 ，同时 C2 向 R 供电， L2 的电流经 C2 、R 和 VD 续流。输入输出关系输入输出关系：图3-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路EU

22、1o（3-50）b) Zeta 斩波电路（B）注：1、该电路能否空载工作？ 2、试按上页方法验证式 (3 - 50)。3-25 两电路有相同的输入输出关系相同的输入输出关系。 在一定的条件下，Sepic 电路的电源电流连续，Zeta 电路的输入电流是断续的；两电路的输出电流是否连续取决于 T 、ton 、C 、L 诸参数值。 两电路输出电压均为正极性正极性。 两电路的输出功率等于输入功输出功率等于输入功率率，可看作直流变压器直流变压器。 （B）图3-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路b) Zeta 斩波电路a) Sepic 斩波电路注：若希望 u0 更接近理想的直流电压，可采取那些

23、措施？两种斩波电路的比较两种斩波电路的比较3-26各种基本斩波电路的电压比、器件承受的最高电压各种基本斩波电路的电压比、器件承受的最高电压及应用领域归纳于下表及应用领域归纳于下表电路电路电压比公式电压比公式开关和二极管承受开关和二极管承受的最高电压的最高电压应用领域应用领域降压型降压型各种降压型开关稳压器各种降压型开关稳压器升压型升压型升压型开关稳压器，升压型升压型开关稳压器，升压型功率因数校正（功率因数校正（ PFC PFC ）电路）电路升降压型升降压型反向开关稳压器反向开关稳压器CukCuk对输入输出纹波要求高的对输入输出纹波要求高的反相型开关稳压器反相型开关稳压器SepicSepic升降

24、压型功率因数校正升降压型功率因数校正（ PFC PFC ）电路）电路ZetaZeta对输出纹波要求高的对输出纹波要求高的升降压型开关稳压器升降压型开关稳压器oUEmaxmaxVVDUEUE11oUE1oUE1oUE1oUE1oUEmaxmaxVoVDoUUUUmaxmaxVoVDoUEUUEUmaxmaxVCVDCUUUU11maxmaxVCoVDCoUUUUUU11maxmaxVCVDCUUEUUE（A）3-27降压型降压型：只能降压不能升压，输出与输入同相，输入电流 脉动大，输出电流脉动小，结构简单。升压型升压型：只能升压不能降压，输出与输入同相，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工

25、作，结构简单。升降压型升降压型：能降压能升压，输出与输入反相，输入输出电 流脉动大，不能空载工作，结构简单。Cuk 型型：能降压能升压，输出与输入反相，输入输出电流 脉动小，不能空载工作，结构相对复杂。Sepic 型型：能降压能升压，输出与输入同相，输入电流脉动 小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构相对复杂。Zeta 型型：能降压能升压，输出与输入同相，输入电流脉动 大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构相对复杂。注：1、试述斩波电路可以作为阻抗变换器 (或称可变电阻 )。 2、验证上述各斩波电路的特点。（A）各种基本斩波电路的特点各种基本斩波电路的特点3-28复合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组合构成。 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 相同结构的基本斩波电路组合组合构成。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。降压斩波电路降压斩波电路能使电动机工作于第第 1 象限象限。升压斩波电路升压斩波电路能使电动机工作于第第 2 象限象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路中电动机的电枢电流可正正可负负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第 1 象限和第 2 象限。 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路（C C）3-29 电路结构