重庆科创职业学院-第05章 直流斩波电路

1、第第 5 5 章章 直流斩波电路直流斩波电路第第 5 5 章章 直流斩波电路直流斩波电路 直流斩波电路的功能是将一个恒定的直流电压变换成另一直流斩波电路的功能是将一个恒定的直流电压变换成另一固定的或可调的直流电压，也称为直流断续器、调压器或固定的或可调的直流电压，也称为直流断续器、调压器或DC/DCDC/DC变换电路。它通过周期性地快速接通、关断负载电路，变换电路。它通过周期性地快速接通、关断负载电路，从而将恒定直流电从而将恒定直流电“斩斩”成一系列的脉冲电压，改变这个脉成一系列的脉冲电压，改变这个脉冲电压接通、关断的时间比，就可以方便地调整输出电压的冲电压接通、关断的时间比，就可以方便地调整

2、输出电压的平均值。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用平均值。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流斩波电路具有效率高、来调节电阻的大小和磁场的大小。直流斩波电路具有效率高、体积小、重量轻和成本低等优点，广泛应用于采用直流电机体积小、重量轻和成本低等优点，广泛应用于采用直流电机调速的电力牵引上，如采用直流供电的城市地铁车辆、工矿调速的电力牵引上，如采用直流供电的城市地铁车辆、工矿电力机车、城市无轨电车、高速电动车组以及由蓄电池供电电力机车、城市无轨电车、高速电动车组以及由蓄电池供电的搬运车、叉车和电动汽车等，从而使上述控制获得加速平的搬运车、叉车

3、和电动汽车等，从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。据国内稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。据国内经验，采用斩波器的无轨电车较串电阻调速，节约经验，采用斩波器的无轨电车较串电阻调速，节约2020电能。电能。直流斩波不仅能起调压的作用直流斩波不仅能起调压的作用( (开关电源开关电源) )，同时还能起到有，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。直流斩波系统的结构如图效地抑制网侧谐波电流的作用。直流斩波系统的结构如图5-15-1所示。所示。 第第 5 5 章章 直流斩波电路直流斩波电路图图5-1 5-1 直流斩波系统的结构图直流斩波系统的结构图 本章首

4、先介绍斩波电路的基本工作原理，并对普通晶闸本章首先介绍斩波电路的基本工作原理，并对普通晶闸管构成的斩波电路的结构与工作情况进行分析，最后对其他管构成的斩波电路的结构与工作情况进行分析，最后对其他形式的斩波电路作简要介绍。形式的斩波电路作简要介绍。第第 5 5 章章 直流斩波电路直流斩波电路 5.1 5.1 直流斩波电路的基本工作原理直流斩波电路的基本工作原理 5.2 5.2 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 5.3 5.3 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.4 5.4 实训实训5 5 斩波电路的研究斩波电路的研究 第第 1 1 节节 直流斩波电路的基本工作原理直流斩波电

5、路的基本工作原理 斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电路分为降压斩波电路、升压斩波电路、降压路分为降压斩波电路、升压斩波电路、降压升压斩波电路、升压斩波电路、升压升压降压斩波电路、降压斩波电路、Sepic Sepic 斩波电路和斩波电路和Zeta Zeta 斩波电路斩波电路6 6种形种形式。斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通式。斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/ /断控制实断控制实现的。现的。 基本斩波电路原理图如图基本斩波电路原理图如图5-2(a)5-2(a)所示。所示。R R为负载，为负载，S S为一为一高速开关。通

6、过连续地接通和关断斩波开关，使直流电源电压高速开关。通过连续地接通和关断斩波开关，使直流电源电压间断地接到负载上。当开关间断地接到负载上。当开关S S闭合时，电源电压闭合时，电源电压U Ui i 加到负载上，加到负载上，负载电压负载电压u uo o = =U Ui i，并持续时间，并持续时间t tonon；当开关断开时，；当开关断开时，u uo o=0=0，并持，并持续时间续时间t toff off 。斩波器的输出电压波形如图。斩波器的输出电压波形如图5-2(b)5-2(b)所示，所示，T T= =t tonon+ +t toffoff 为斩波器的工作周期，为斩波器的工作周期， 定义为占空比，

7、则斩波定义为占空比，则斩波电路输出电压的平均值为电路输出电压的平均值为ontDT第第 1 1 节节 直流斩波电路的基本工作原理直流斩波电路的基本工作原理 5-(1) 5-(1) 在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，便可控制输出电压的平开通时间与关断时间，即调节占空比，便可控制输出电压的平均值。均值。 实际上，如图实际上，如图5-2(a)5-2(a)所示的开关所示的开关S S不是普通的机械开关，而不是普通的机械开关，而是由电力电子器件构成的电子开关，一般称这个开关为斩波器。是由电力电子器件构成的电子

8、开关，一般称这个开关为斩波器。斩波器可由普通晶闸管斩波器可由普通晶闸管( (半控型的晶闸管半控型的晶闸管) )、可关断晶闸管、可关断晶闸管(GTO)(GTO)或自关断器件或自关断器件( (电力晶体管电力晶体管GTRGTR或或IGBTIGBT等全控型器件等全控型器件) )来实现，来实现，用符号用符号CHCH表示。若采用普通晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅表示。若采用普通晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路，导致电路变得复杂，并且可靠性差，斩波器的工作频助电路，导致电路变得复杂，并且可靠性差，斩波器的工作频率也比较低，现在一般很少采用。若采用自关断器件，则省去率也比较低，现在一般很少采用。若采用自关

9、断器件，则省去了辅助电路，结构相对简单，有利于提高斩波器的频率，这是了辅助电路，结构相对简单，有利于提高斩波器的频率，这是斩波开关发展的方向。斩波开关发展的方向。ononoiiionoffttUUUDUttT 第第 1 1 节节 直流斩波电路的基本工作原理直流斩波电路的基本工作原理图图5-2 5-2 基本斩波电路图及电压波形基本斩波电路图及电压波形 由式由式5-15-1可知，改变导通时间可知，改变导通时间t tonon或导通周期或导通周期T T都可改变斩波都可改变斩波器的输出电压。因此，斩波电路有器的输出电压。因此，斩波电路有3 3种电压控制方式。种电压控制方式。 第第 1 1 节节 直流斩波

10、电路的基本工作原理直流斩波电路的基本工作原理 (1) (1) 定频调宽控制定频调宽控制( (脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWM)PWM)。保持斩波周期。保持斩波周期T T不变，只改变斩波器的导通时间不变，只改变斩波器的导通时间t tonon 。这种控制方式的特点。这种控制方式的特点是斩波器的基本频率不变，所以滤除高次谐波的滤波器设计比是斩波器的基本频率不变，所以滤除高次谐波的滤波器设计比较简单。较简单。 (2) (2) 定宽调频定宽调频( (脉冲频率调制脉冲频率调制PFM)PFM)。保持斩波器的导通。保持斩波器的导通时间时间t tonon不变，只改变斩波周期不变，只改变斩波周期T T。这种控制方式

11、的特点是斩波。这种控制方式的特点是斩波回路和控制回路变得简单，但容易产生谐波干扰，而频率是变回路和控制回路变得简单，但容易产生谐波干扰，而频率是变化的，因而滤波器的设计比较困难。化的，因而滤波器的设计比较困难。 (3) (3) 调频调宽混合控制。这种控制方式不但改变斩波器的调频调宽混合控制。这种控制方式不但改变斩波器的工作频率，而且改变斩波器的导通时间。这种控制方式的特点工作频率，而且改变斩波器的导通时间。这种控制方式的特点是可以大幅度地变化输出，但也存在着由于频率变化所引起的是可以大幅度地变化输出，但也存在着由于频率变化所引起的设计滤波器较困难的问题。设计滤波器较困难的问题。 普遍采用的是定

12、宽调频控制方式。普遍采用的是定宽调频控制方式。第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 5.2.1 5.2.1 普通晶闸管构成的降压直流斩波器普通晶闸管构成的降压直流斩波器 5.2.2 5.2.2 普通晶闸管构成的升压直流斩波器普通晶闸管构成的升压直流斩波器 5.2.3 5.2.3 普通晶闸管构成的第二象限直流斩波器普通晶闸管构成的第二象限直流斩波器 5.2.4 5.2.4 普通晶闸管构成的多象限直流斩波器普通晶闸管构成的多象限直流斩波器 5.2.5 5.2.5 普通晶闸管构成的直流斩波器的换流电路普通晶闸管构成的直流斩波器的换流电路第第 2 2 节节 普通

13、晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 5.2.1 5.2.1 普通晶闸管构成的降压直流斩波器普通晶闸管构成的降压直流斩波器 普通晶闸管构成的降压直流斩波器的电路结构如图普通晶闸管构成的降压直流斩波器的电路结构如图5-3(a)5-3(a)所示。图中所示。图中L LF F、C CF F分别为输入滤波电感和电容。斩波器工作时分别为输入滤波电感和电容。斩波器工作时的电压、电流波形如图的电压、电流波形如图5-3(b)5-3(b)所示。由前面的分析可知，这个所示。由前面的分析可知，这个电路的输出电压平均值电路的输出电压平均值U ULDLD= =D DUS US ，由于，由于D D11，所以

14、，所以U ULDLD U US S，即斩，即斩波器输出电压平均值小于输入电压，故称为降压斩波器。负载波器输出电压平均值小于输入电压，故称为降压斩波器。负载电动机的调速范围一般是在零到额定转速。因此，一般情况下电动机的调速范围一般是在零到额定转速。因此，一般情况下电动机直流调速系统均采用降压斩波器。电动机直流调速系统均采用降压斩波器。第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 图图5-3 5-3 普通晶闸管构成的降压直流斩波器的原理电路及电压、普通晶闸管构成的降压直流斩波器的原理电路及电压、电流波形电流波形第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸

15、管构成的直流斩波电路 5.2.2 5.2.2 普通晶闸管构成的升压直流斩波器普通晶闸管构成的升压直流斩波器 升压直流斩波器的原理电路如图升压直流斩波器的原理电路如图5-4(a)5-4(a)所示，斩波器工作所示，斩波器工作时的电压、电流波形如图时的电压、电流波形如图5-4(b)5-4(b)所示。当斩波器导通时，电源所示。当斩波器导通时，电源电压电压U US S加于电感加于电感L LF F上，电感储能。与此同时电容上，电感储能。与此同时电容C CF F向负载放电，向负载放电，而隔离二极管而隔离二极管VDVD因受电容因受电容C CF F施加的反向电压而关断。当斩波器施加的反向电压而关断。当斩波器关断

16、时，电感关断时，电感L LF F中的电流维持原来的流通方向不变，其自感电中的电流维持原来的流通方向不变，其自感电动势改变极性并和电源电压叠加，强制电流进入负载并给电容动势改变极性并和电源电压叠加，强制电流进入负载并给电容C CF F充电。这样，斩波器导通时储存在电感器中的电能便释放到充电。这样，斩波器导通时储存在电感器中的电能便释放到负载和电容负载和电容C CF F上。上。第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 假设不计假设不计i is s的脉动，那么在斩波器导通期间，由电源输入的脉动，那么在斩波器导通期间，由电源输入到电感器的电能为到电感器的电能为 W

17、Winin= =U US SI IStonSton (5-2) (5-2) 在斩波器关断期间，电感在斩波器关断期间，电感L L释放的电能为释放的电能为 W Woutout=(=(U ULDLD- -U US S) )I IS St toffoff (5-3) (5-3) 对于无损耗系统在稳态时，这两项电能应是相等的。故有对于无损耗系统在稳态时，这两项电能应是相等的。故有 W Winin= =U US SI IS St tonon =( =(U ULDLD- -U US S) )I IS St toffoff (5-4)(5-4) onoffLDSSSoffoff11ttTUUUUttD 第第

18、2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 因为因为D D1 U US S。负载上获得的电压比电源电压。负载上获得的电压比电源电压高，故称之为升压斩波器。高，故称之为升压斩波器。 无论降压斩波器或升压斩波器，它们的功率流向都是从电无论降压斩波器或升压斩波器，它们的功率流向都是从电源到负载，因此负载的平均电压源到负载，因此负载的平均电压U ULDLD 和电流和电流I IA A都是正的，均位都是正的，均位于于U ULDLD- -I IA A直角坐标系的第一象限，故又称为第一象限斩波器，直角坐标系的第一象限，故又称为第一象限斩波器，如图如图5-4(c)5-4(c)所示。所

19、示。第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 图图5-4 5-4 升压斩波器的原理电路，电压、电流波形及升压斩波器的原理电路，电压、电流波形及U ULDLD- -I IA A特性特性第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 5.2.3 5.2.3 普通晶闸管构成的第二象限直流斩波器普通晶闸管构成的第二象限直流斩波器 如果由于势能或动能使电机作发电机运行，利用升压斩波如果由于势能或动能使电机作发电机运行，利用升压斩波器的原理，可构成第二象限斩波器电路，如图器的原理，可构成第二象限斩波器电路，如图5-5(a)5-5(a)所示。

20、电所示。电压、电流波形如图压、电流波形如图5-5(b)5-5(b)所示。通过适当调节导通比便可把负所示。通过适当调节导通比便可把负载电机的电压升到大于电源电压载电机的电压升到大于电源电压U US S，从而把负载电机产生的能，从而把负载电机产生的能量反馈到电源中去。此时电压量反馈到电源中去。此时电压U ULDLD跟电动机状态运行时的极性跟电动机状态运行时的极性一致，而且是正的，但电枢电流一致，而且是正的，但电枢电流i iA A 改变了流向而成为负的，改变了流向而成为负的，电机工作于第二象限，故称为第二象限斩波器。电机工作于第二象限，故称为第二象限斩波器。因功率流向是因功率流向是从电机到电源从电机

21、到电源，直流电动机工作于再生制动工况，这种电路亦，直流电动机工作于再生制动工况，这种电路亦称为再生斩波器。称为再生斩波器。第第 2 2 节节 普通晶闸管构成的直流斩波电路普通晶闸管构成的直流斩波电路 5.2.4 5.2.4 普通晶闸管构成的多象限直流斩波器普通晶闸管构成的多象限直流斩波器 5.2.4.1 A 5.2.4.1 A型二象限斩波器型二象限斩波器 A A型二象限斩波器的原理电路和电压、电流波形分别如图型二象限斩波器的原理电路和电压、电流波形分别如图5-6(a)5-6(a)、(b)(b)所示。图中的斩波器所示。图中的斩波器CH1CH1和二极管和二极管VD1VD1在电动机运在电动机运行状态

22、下工作，而行状态下工作，而CH2CH2与与VD2VD2则在再生制动运行时工作。这样该则在再生制动运行时工作。这样该电路就保证电源与负载电机之间的功率流向是可逆的。当电路就保证电源与负载电机之间的功率流向是可逆的。当DUDUS S E EM M时，功率流向是从电源到电机，电机工作于电动机运行状时，功率流向是从电源到电机，电机工作于电动机运行状态；当态；当DUDUS S E EM M，则电枢电流则电枢电流i iA A的方向为正；若的方向为正；若DUDUS S E EM M，功率流向从电源到负载，功率流向从电源到负载，i is s为正，电机吸收功率。为正，电机吸收功率。 (2) (2) 其中的一个斩

23、波器其中的一个斩波器CH1CH1和一个二极管和一个二极管VD2VD2同时导通，负同时导通，负载电路被短接，载电路被短接，U ULDLD 0 0，不管，不管E EM M是正还是负，电枢电流是正还是负，电枢电流i iA A均经均经这两个导通管续流。这两个导通管续流。 (3) VD1 (3) VD1、VD2VD2两二极管同时导通，这时两二极管同时导通，这时E EM M为负，而且必须为负，而且必须DUDUS S 00时，时，VTVT导通，电源导通，电源E E向向负载供电，负载电压负载供电，负载电压u uo o= =E E，负载电流，负载电流i io o按指数曲线上升，此阶按指数曲线上升，此阶段电流称为

24、段电流称为i il l；当；当t t= =t tk k时，时，u uGEGE=0=0，VTVT关断，负载电流关断，负载电流i io o经二极经二极管管VDVD续流，负载电压续流，负载电压u uo o近似为零，近似为零，i io o按指数曲线下降，此阶段按指数曲线下降，此阶段电流称为电流称为i i2 2 。 如负载中电感如负载中电感L L较大则负载电流连续，如图较大则负载电流连续，如图5-10(b)5-10(b)所示，所示，L L越大则负载电流脉动越小。当越大则负载电流脉动越小。当t t= =t t1 1时，时，VTVT导通，电源电压导通，电源电压E E加加在平波电抗器及负载上，则在平波电抗器及

25、负载上，则 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 (5-5) (5-5)即即 (5-6) (5-6) 该电压加在平波电抗器上，使电感电流即负载电流线性上该电压加在平波电抗器上，使电感电流即负载电流线性上升，上式可改写为升，上式可改写为 (5-7) (5-7) 当当t t= =t t2 2时，时，VTVT关闭，加在平波电抗器及负载回路的电压为关闭，加在平波电抗器及负载回路的电压为零，即零，即 (5-8) (5-8) 由于电感电流不能突变，储存在电感上的能量经续流二极由于电感电流不能突变，储存在电感上的能量经续流二极管继续向负载提供电流，此时负载电流线性下降，所以，上式管继续向负载提供

26、电流，此时负载电流线性下降，所以，上式可改写为可改写为 (5-9) (5-9)ooddiELUt ooddiEULt o2010o1ddiiiEULLtt ood0diLUt o10202010o22ddiiiiiULLLttt 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 比较式比较式(5-7)(5-7)及式及式(5-9)(5-9)得得 (5-10) (5-10) 式中的式中的U Uo o为负载端直流输出电压平均值，为负载端直流输出电压平均值，t tl l 、t t2 2 分别为分别为VT VT 的导通与关断时间，的导通与关断时间，T T为工作周期，为工作周期，D Dt tl l/ /T

27、 T为导通比或占为导通比或占空比。空比。 改变改变D D，即可使，即可使U Uo o在在0 0E E之间连续变化。之间连续变化。 若若L L值较小，则在值较小，则在VTVT关断后到关断后到t tx x时刻，时刻，i io o已衰减到零，二已衰减到零，二极管即断流，负载电流断续，如图极管即断流，负载电流断续，如图5-10(c)5-10(c)所示，从所示，从t tx x到到T T，u uo o= =E EM M，E EM M为电动机反电势。一个周期结束，再令为电动机反电势。一个周期结束，再令VTVT导通，则导通，则继续进行下一个周期。继续进行下一个周期。11o12ttUEEDETtt 第第 3 3

28、 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 若忽略所有元器件的损耗，图若忽略所有元器件的损耗，图5-10(a)5-10(a)电路中输入功率等于电路中输入功率等于输出功率，即输出功率，即 (5-11) (5-11) 因此电源输入的平均电流为因此电源输入的平均电流为 (5-12) (5-12) 而负载平均电流而负载平均电流I Io o可用下式计算可用下式计算 (5-13) (5-13)iooEIU I oiooUIIDIE oMoUEIR 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-10 5-10 直流降压斩波电路的原理图及工作波形直流降压斩波电路的原理图及工作波形 第第 3 3 节节 其他

29、直流斩波器其他直流斩波器 5.3.1.2 5.3.1.2 负载电流连续的条件负载电流连续的条件 从上面分析可知，在斩波器关断期间，负载电流全部来自从上面分析可知，在斩波器关断期间，负载电流全部来自电感释放的能量。斩波器工作时，如果电感储存的能量不足，电感释放的能量。斩波器工作时，如果电感储存的能量不足，当斩波器关断以后，电感电流不足以维持负载电流，就会发生当斩波器关断以后，电感电流不足以维持负载电流，就会发生电流断续的情况。电流断续的情况。 当负载电流处于临界连续时，在每个斩波周期开始和结束时，当负载电流处于临界连续时，在每个斩波周期开始和结束时，最小负载电流最小负载电流I I1010刚好为零

30、，此时，负载平均电流为刚好为零，此时，负载平均电流为 (5-14) (5-14)201020o22IIII 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 此时此时I I1010=0=0，根据式，根据式(5-7)(5-7)及式及式(5-10)(5-10)，上式可改写为，上式可改写为 (5-15) (5-15) 这个电流就是负载电流保持连续的临界平均电流这个电流就是负载电流保持连续的临界平均电流，而，而 这这个电流值与电网电压、斩波频率、占空比及负载的电感量有关。个电流值与电网电压、斩波频率、占空比及负载的电感量有关。根据式根据式(5-15)(5-15)，可计算出维持负载电流临界连续的，可计算

31、出维持负载电流临界连续的最小电感值最小电感值 (5-16) (5-16) 对于对于定频调宽斩波电路定频调宽斩波电路，负载电流最大脉动量发生在，负载电流最大脉动量发生在D D0.50.5的的工况，此时，电枢回路总的最小电感值为工况，此时，电枢回路总的最小电感值为1oo()(1)22tTEIEUDDLLo(1)2TELDDI o8TELI 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 直流电动机正常工作时，电枢电流不允许断续，否则会影直流电动机正常工作时，电枢电流不允许断续，否则会影响电动机的换向，严重时甚至产生环火，导致电动机损坏。由响电动机的换向，严重时甚至产生环火，导致电动机损坏。由于一

32、般直流电动机的电感量有限，应用时，一般串入一个电感于一般直流电动机的电感量有限，应用时，一般串入一个电感量足够大的平波电抗器，以增大负载回路的电感量，使负载电量足够大的平波电抗器，以增大负载回路的电感量，使负载电流保持连续，并尽可能使电流波形平直，减小纹波，以利于电流保持连续，并尽可能使电流波形平直，减小纹波，以利于电机换向。在一般分析时，在负载电感量足够大的条件下，我们机换向。在一般分析时，在负载电感量足够大的条件下，我们可以认为这时电机电流波形为一条直线。可以认为这时电机电流波形为一条直线。 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 【例例5-15-1】 有一降压斩波电路如图有一降

33、压斩波电路如图5-10(a)5-10(a)所示。已知：所示。已知：E E=120V=120V，R R=6=6，开关周期通断，开关周期通断，t t1 1=30s=30s，t t2 2=20s=20s，忽略开关，忽略开关导通压降，电感导通压降，电感L L足够大。试求：足够大。试求： (1) (1) 负载电流负载电流I Io o及负载上的功率及负载上的功率P Po o； (2) (2) 若要求负载电流在若要求负载电流在4A4A时仍能维持，则电感时仍能维持，则电感L L最小应取多最小应取多大？大？ 解解 依题意，开关通断周期依题意，开关通断周期T T= =t t1 1+ +t t2 2=(30+20)

34、s =50s=(30+20)s =50s 占空比占空比 1300.650tDT 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 (1) (1) 负载电压的平均值负载电压的平均值 负载电流的平均值负载电流的平均值 =72/6A=12A=72/6A=12A 负载功率的平均值负载功率的平均值 =0.864kW=0.864kW (2) (2) 设占空比设占空比D D不变，当负载电流为不变，当负载电流为4A4A时，处于临界连续状时，处于临界连续状态，则电感量态，则电感量L L为为o0.6120V72VUDE oo/IUR oooPUI o50120(1)0.6(10.6)H180H224TELDDI

35、第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.2 5.3.2 升压斩波电路升压斩波电路(Boost(Boost电路电路) ) 5.3.2.1 5.3.2.1 原理原理 直流升压斩波电路的原理图及工作波形如图直流升压斩波电路的原理图及工作波形如图5-115-11所示，设所示，设电路中电感电路中电感L L值很大，可将电源看作恒流源。当值很大，可将电源看作恒流源。当VTVT导通时，流导通时，流过过L L的电流基本恒定为的电流基本恒定为I I1 1，导通时间为，导通时间为t tl l，因此在，因此在L L上储存的能上储存的能量为量为E EI I1 1t tl l。同时已充好电的电容。同时已

36、充好电的电容C C向负载向负载R R供电，设电容值很供电，设电容值很大，故输出电压大，故输出电压u uo o可看成为恒值，记为可看成为恒值，记为U Uo o。当。当VTVT关断时，关断时，L L储储存的能量和电源能量共同供给负载，并对存的能量和电源能量共同供给负载，并对C C充电。如关断时间充电。如关断时间为为t t2 2，稳态时流过，稳态时流过L L的电流仍为的电流仍为I I1 1，于是，于是，L L释放的能量为释放的能量为( (U Uo o- -E E) )I I1 1t t2 2。一个周期。一个周期T T中电感储存与释放的能量相等，即中电感储存与释放的能量相等，即 第第 3 3 节节 其

37、他直流斩波器其他直流斩波器 EIEI1 1t t1 1=(=(U Uo o- -E E) )I I1 1t t2 2 (5-17) (5-17) 化简得化简得 (5-18) (5-18) 式式(5-18)(5-18)中中T T/ /t t2 211，称为升压比。可见，输出电压比输入，称为升压比。可见，输出电压比输入电压高，调节升压比即可改变输出电压电压高，调节升压比即可改变输出电压U Uo o。12o22ttTUEEtt 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-11 5-11 直流升压斩波电路的原理图及工作波形直流升压斩波电路的原理图及工作波形 第第 3 3 节节 其他直流斩波

38、器其他直流斩波器 根据电路结构，负载上的输出电流为根据电路结构，负载上的输出电流为 (5-19) (5-19) 假设电路无损耗，即电源提供的能量仅消耗于电阻中，则假设电路无损耗，即电源提供的能量仅消耗于电阻中，则 EI EI1 1U Uo oI Io o (5-20) (5-20) 因此因此电源输入的电流为电源输入的电流为 (5-21) (5-21)oo11UEIRD R o1o21(1)UEIIEDR 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.2.2 5.3.2.2 电感电流连续的条件电感电流连续的条件 在在t tl l期间，电源电压期间，电源电压E E加在电感加在电感L L

39、上，电感充电，电流由上，电感充电，电流由I I1min1min 线性上升至线性上升至I I1max1max，即，即 (5-22) (5-22) 当电感电流临界连续时，最小电感电流当电感电流临界连续时，最小电感电流I I1min1min刚好为零，由刚好为零，由上式可知上式可知 (5-23) (5-23) 可知此时电源输入电流为可知此时电源输入电流为 (5-24) (5-24) 根据式根据式(5-24)(5-24)，可计算出保持电感电流连续的最小电感值可计算出保持电感电流连续的最小电感值为为 (5-25) (5-25)1max1min1IIELt 1maxDTEIL 1max1min1max122

40、2IIIDTEIL 12D TELI 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.3 5.3.3 升降压斩波电路升降压斩波电路(Buck-Boost(Buck-Boost电路电路) ) 5.3.3.1 5.3.3.1 原理原理 升降压斩波电路主要用于开关稳压电源中，可以输出负极升降压斩波电路主要用于开关稳压电源中，可以输出负极性电压，输出电压可高于或低于输入电压，其原理图及波形图性电压，输出电压可高于或低于输入电压，其原理图及波形图如图如图5-125-12所示。所示。 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-12 5-12 直流升降压斩波电路及波形直流升降压斩波电

41、路及波形 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 当当VTVT导通时，电源向电感提供能量，二极管导通时，电源向电感提供能量，二极管VDVD反向偏置，反向偏置，此时此时u uL L= =E E，电流为，电流为i i1 1。同时因电容。同时因电容C C足够大，其输出电压基本足够大，其输出电压基本恒定并向负载恒定并向负载R R供电。如供电。如VTVT关断，电感储能供给负载，电流为关断，电感储能供给负载，电流为i i2 2。由图可知，负载电压极性为上负下正，与电源极性相反，。由图可知，负载电压极性为上负下正，与电源极性相反，u uL L =- =-u uo o，故又称为反极性斩波电路，一个周

42、期的电感储存与，故又称为反极性斩波电路，一个周期的电感储存与释放的能量相等，于是释放的能量相等，于是 EtEt1 1= =U Uo ot t2 2 (5-26) (5-26)所以输出电压为所以输出电压为 (5-27) (5-27)11o211ttDUEEEtTtD 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 当当00D D1/21/2时，时，U Uo o比电源电压低，为降压；当比电源电压低，为降压；当1/21/2D D11时，时，比电源电压高，为升压。比电源电压高，为升压。 电源电流的平均值电源电流的平均值I I1 1与负载电流的平均值与负载电流的平均值I I2 2，在电流很小，在电流很

43、小脉动时有如下关系脉动时有如下关系 I I1 1/ /I I2 2= =t t1 1/ /t t2 2 因此因此 (5-28) (5-28) 忽略元件及线路损耗时，有忽略元件及线路损耗时，有 EIEI1 1= =U Uo oI I2 2 (5-29) (5-29) 电路的输入与输出功率相等，也可将它看作直流变压器。电路的输入与输出功率相等，也可将它看作直流变压器。112221tDIIItD 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.3.2 5.3.3.2 电感电流连续的条件电感电流连续的条件 与升压斩波电路中电感电流连续条件的推导类似，可计算与升压斩波电路中电感电流连续条件的推

44、导类似，可计算出保持电感电流连续的出保持电感电流连续的最小电感值最小电感值为为 (5-30) (5-30)12(1)22DT EDLETII 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.4 Cuk 5.3.4 Cuk 斩波电路斩波电路 对上述对上述3 3种斩波电路的研究表明：降压式输入电流断续、纹种斩波电路的研究表明：降压式输入电流断续、纹波很大，输出电流连续而纹波小；升压式输入电流连续、纹波波很大，输出电流连续而纹波小；升压式输入电流连续、纹波小，输出电流断续而纹波大；升降压式输入、输出电流均断续小，输出电流断续而纹波大；升降压式输入、输出电流均断续且纹波都非常大。如图且纹波都

45、非常大。如图5-13(a)5-13(a)所示的电路以发明者所示的电路以发明者CukCuk命名，命名，即库克斩波电路，又称为最佳拓扑斩波电路。它克服了上述电即库克斩波电路，又称为最佳拓扑斩波电路。它克服了上述电路的缺点，其输入、输出电流均连续而且纹波小。图中路的缺点，其输入、输出电流均连续而且纹波小。图中L Ll l、L L2 2为储能电感，为储能电感，C C为储能电容，为储能电容，VDVD为升压二极管，并兼任续流二为升压二极管，并兼任续流二极管。极管。 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 当当VTVT导通时，电源通过导通时，电源通过VTVT向向L L1 1提供能量，而电容提供能量

46、，而电容C C通过通过VTVT向向L L2 2及负载及负载R R供电。当供电。当VTVT关断时，关断时，E E与与L Ll l通过通过VDVD共同向共同向C C充电，而充电，而L L2 2则通过则通过VDVD向向R R释放电能。当电路进入稳态，电感电容足够大时，释放电能。当电路进入稳态，电感电容足够大时，输出电压输出电压u uo o及及C C的电压可认为是常值，因此图的电压可认为是常值，因此图5-13(a)5-13(a)可用图可用图5-5-13(b)13(b)及图及图5-13(c)5-13(c)来等效。如果将图来等效。如果将图5-13(b)5-13(b)与图与图5-13(c)5-13(c)和和

47、图图5-10(a)5-10(a)与图与图5-11(a)5-11(a)进行比较，就会发现除二极管及电容的进行比较，就会发现除二极管及电容的位置交换外，实质上位置交换外，实质上CukCuk斩波电路是由升压和降压斩波电路组斩波电路是由升压和降压斩波电路组合而成的。对于图合而成的。对于图5-13(b)5-13(b)按升压斩波电路处理。按升压斩波电路处理。C C两端电压为两端电压为其输出电压，参照式其输出电压，参照式(5-18)(5-18)可得可得 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-13 Cuk5-13 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路 第第 3 3 节节 其他直流斩

48、波器其他直流斩波器 对于图对于图5-13(c)5-13(c)按降压斩波电路处理，按降压斩波电路处理，U Uc c为其输入，则其输为其输入，则其输出电压由式出电压由式(5-5)(5-5)得得 (5-32) (5-32) 将式将式(5-31)(5-31)代入式代入式(5-32)(5-32)得得 此式与式此式与式(5-27)(5-27)一致，可见一致，可见CukCuk斩波电路也是反极性升降压斩波电路也是反极性升降压斩波电路。输出电压可以大于或小于输入电压。电路电流波形斩波电路。输出电压可以大于或小于输入电压。电路电流波形如图如图5-145-14所示，它综合了降压式和升压式输出或输入电流纹波所示，它综

49、合了降压式和升压式输出或输入电流纹波很小的优点，有利于对输入、输出进行滤波。很小的优点，有利于对输入、输出进行滤波。ocUDU o1DUED 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-14 Cuk5-14 Cuk斩波电路电流波形斩波电路电流波形 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.5 Sepic 5.3.5 Sepic 斩波电路斩波电路 如图如图5-155-15所示是所示是Sepic Sepic 斩波电路的主电路图。当斩波电路的主电路图。当VTVT处于通处于通态时，态时，E EL L1 1VTVT回路和回路和C C1 1VTVTL L2 2回路同时导电，回路

50、同时导电，L L1 1和和L L2 2储能。储能。VTVT处于断态时，处于断态时，E EL L1 1C C1 1VDVD负载负载( (C C2 2和和R R) )回路及回路及L L2 2VDVD负载回路同时导电，此阶段负载回路同时导电，此阶段E E 和和L L1 1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C C1 1充电，充电，C C1 1储存的能量在储存的能量在VTVT处于通态时向处于通态时向L L2 2转移。转移。 Sepic Sepic 斩波电路的输入斩波电路的输入/ /输出关系为输出关系为 Sepic Sepic 斩波电路较复杂，限制了其使用的范围。由于有输斩波电路较复杂，限制了其

51、使用的范围。由于有输出电压比输入电压可高可低的特点，它可以用于要求输出电压出电压比输入电压可高可低的特点，它可以用于要求输出电压较低的单相功率因数校正电路。较低的单相功率因数校正电路。onooff1tDUEEtD 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-15 Sepic5-15 Sepic斩波电路斩波电路 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 5.3.6 Zeta 5.3.6 Zeta 斩波电路斩波电路 Zeta Zeta 斩波电路也称双斩波电路也称双Sepic Sepic 斩波电路，如图斩波电路，如图5-165-16所示是其所示是其主电路图。在主电路图。在VT V

52、T 处于通态时，电源处于通态时，电源E E 经经VTVT向电感向电感L L1 1储能。同储能。同时，时，E E 和和C C1 1共同向负载共同向负载R R 供电，并向供电，并向C C2 2充电。待充电。待VTVT关断后，关断后，L L1 1经经VD VD 向向C C1 1充电，其储存的能量转移至充电，其储存的能量转移至C C1 1。同时，。同时，C C2 2向负载供电，向负载供电，L L2 2的电流则经的电流则经VD VD 续流。续流。第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器图图5-16 Zeta5-16 Zeta斩波电路斩波电路 第第 3 3 节节 其他直流斩波器其他直流斩波器 Ze

53、ta Zeta 斩波电路的输入电压与输出电压关系为斩波电路的输入电压与输出电压关系为 以上两种斩波电路具有相同的输入以上两种斩波电路具有相同的输入/ /输出关系。输出关系。Sepic Sepic 电路电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入/ /输出滤波，而输出滤波，而Zeta Zeta 电路的输入电路的输入/ /输出电流均是断续的。另外，与前几小节所输出电流均是断续的。另外，与前几小节所述的斩波电路相比，述的斩波电路相比，Sepic Sepic 与与ZetaZeta斩波电路输出电压均为正极斩波电路输出电压均为正极性。性。o1DUED 第第 4 4

54、节节 实训实训5 5 斩波电路的研究斩波电路的研究 1. 1. 实训目的实训目的 (1) (1) 熟悉斩波电路的工作原理。熟悉斩波电路的工作原理。 (2) (2) 掌握掌握IGBTIGBT器件的应用。器件的应用。 (3) (3) 熟悉熟悉W494W494集成脉宽调制器的调试方法和步骤。集成脉宽调制器的调试方法和步骤。 2. 2. 实训电路实训电路 IGBT IGBT斩波器实训电路如图斩波器实训电路如图5-175-17所示。所示。 3. 3. 实训仪器与设备实训仪器与设备 (1) JZB- (1) JZB-实验装置或按图实验装置或按图5-175-17自制实验电路板自制实验电路板1 1台；台；(2

55、)(2)灯板灯板1 1块；块；(3)(3)直流伺服电动机直流伺服电动机( (电枢电压电枢电压110 V110 V，励磁电压，励磁电压110 V)1110 V)1台；台；(4)(4)变阻器变阻器1 1只；只；(5)(5)双踪示波器双踪示波器1 1台；台；(6)(6)万用表万用表1 1块。块。 第第 4 4 节节 实实 训训 1 1 4. 4. 实训内容与步骤实训内容与步骤 (1) (1) 实验电路原理分析：如图实验电路原理分析：如图5-175-17所示，所示，220 V220 V电源经变电源经变压器降压到压器降压到90 V90 V，再由二极管桥式整流、电容滤波获得直流电，再由二极管桥式整流、电容

56、滤波获得直流电源。控制源。控制VTVT的通断就可调节占空比的通断就可调节占空比( (t tonon/ /T T) )，从而使输出直流，从而使输出直流电压得到调节。电压得到调节。 控制电路采用控制电路采用W494W494组成组成PWMPWM脉宽调制器，其管脚排列和内脉宽调制器，其管脚排列和内部功能框图如图部功能框图如图5-185-18所示。所示。 第第 4 4 节节 实实 训训 1 1 图图5-17 IGBT5-17 IGBT斩波器实训电路斩波器实训电路 第第 4 4 节节 实实 训训 1 1 图图5-18 W4945-18 W494管排列及内部功能框图管排列及内部功能框图 第第 4 4 节节

57、实实 训训 1 1 电源电压电源电压U Ucccc 的工作范围为的工作范围为7 V7 VU Ucccc 40 V 40 V，实验电路中，实验电路中U Ucccc 接接+15 V+15 V。W494W494内部还提供一个内部还提供一个+5 V+5 V基准电压，由基准电压，由1414脚引脚引出。除差动放大器外，所有内部电路均由它提供电源。出。除差动放大器外，所有内部电路均由它提供电源。PWMPWM的的开关频率由开关频率由C CT T和和R RT T端分别接入电容端分别接入电容C C和电阻和电阻R R的数值决定，对地的数值决定，对地分别接入电容分别接入电容C C和电阻和电阻R R，便可产生锯齿波自激

58、振荡，振荡频率，便可产生锯齿波自激振荡，振荡频率为为f f = 1/ = 1/R RC C。输出控制端。输出控制端(13(13脚脚) )用于控制用于控制W494W494的输出方式，当的输出方式，当其接地时，两路输出三极管同时导通和截止，形成单端工作方其接地时，两路输出三极管同时导通和截止，形成单端工作方式，可以用于提高输出电流。当输出控制端接式，可以用于提高输出电流。当输出控制端接U UREFREF(14(14脚脚) )时，时，W494W494形成双端工作状态，两路输出三极管工作状态相反，即交形成双端工作状态，两路输出三极管工作状态相反，即交替导通和截止。本实验采用替导通和截止。本实验采用13

59、13脚接地方式。内部电路中两个放脚接地方式。内部电路中两个放大器，一个可以作为电压控制使用，用于各种不同的大器，一个可以作为电压控制使用，用于各种不同的PWMPWM控制，控制，另一个可用于保护电路。采用适当连接方式可实现另一个可用于保护电路。采用适当连接方式可实现0 0100%100%和和50%50%100%100%占空比脉冲输出。占空比脉冲输出。 第第 4 4 节节 实实 训训 1 1 (2) (2) 对照图对照图5-175-17找出主电路和控制电路，熟悉电路所用元找出主电路和控制电路，熟悉电路所用元件，按图接线。件，按图接线。 (3) (3) 调节电位器调节电位器RP1RP1到零位，接通到

60、零位，接通15 V15 V电源，用示波器观电源，用示波器观察察A A点波形应为锯齿波，调节点波形应为锯齿波，调节RP2RP2，B B点输出脉冲的宽度随之变点输出脉冲的宽度随之变化。化。 (4) (4) 调节调节RP2RP2使输出脉冲宽度为零。正向旋转使输出脉冲宽度为零。正向旋转RP1RP1使控制电使控制电压由零上升，从示波器观察到的输出脉冲逐渐变宽。调节压由零上升，从示波器观察到的输出脉冲逐渐变宽。调节RP1RP1应使占空比在应使占空比在0 0100%100%连续可调，这样说明控制电路工作正常。连续可调，这样说明控制电路工作正常。记录占空比为记录占空比为50%50%时时A A、B B两点电压波