第3章 直流斩波电路 3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结

第3章 直流斩波电路·引言 电路种类 直流斩波电路（DC Chopper） 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--直流变换器（DC/DC Converter）。 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。 电路种类 6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、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。

3.1 基本斩波电路 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

3.1.1 降压斩波电路 降压斩波电路（Buck Chopper) 电路结构 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。 电路结构 负载出现的反电动势 续流二极管 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

工作原理 t=0时刻驱动V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。 c) 电流断续时的波形 E V + - M R L VD i o u G t O b)电流连续时的波形 T on off 1 2 I 10 20 x a) 电路图 工作原理 t=0时刻驱动V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，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。 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 动画演示。 图3-1 降压斩波电路得原理图及波形

电流连续 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 数量关系 负载电压平均值： （3-1） 负载电流平均值： （3-2） ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比 负载电流平均值： （3-2） 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。

第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。 此种方式应用最多 斩波电路三种控制方式 T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T —频率调制。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。 第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。 分V处于通态和处于断态 初始条件分电流连续和断续

同样可以从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为 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。 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。

负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0 tx<toff 电流断续的条件： 输出电压平均值为： 负载电流平均值为： 式（3-7） 式（3-6） （3-16） I10=0，且t=tx时，i2=0 tx<toff （3-17） 电流断续的条件： 输出电压平均值为： （3-18） （3-19） 负载电流平均值为：

3.1.2 升压斩波电路 升压斩波电路（Boost Chopper） 1)升压斩波电路的基本原理 储存电能 电路结构 保持输出电压

工作原理 假设L和C值很大。 V处于通态时，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处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 动态演示。 a) 电路图 iGE io I1 b) 波形 图3-2 升压斩波电路及工组波形

数量关系 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： （3-20） （3-21） 化简得： T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 。 b和a的关系： 因此，式（3-21）可表示为 （3-23） （3-22）

电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住 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 ： 。 （3-24） 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。 输出电流的平均值Io为： (3-25) 电源电流的平均值Io为： (3-26)

2) 升压斩波电路典型应用 一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正（PFC）电路 三是用于其他交直流电源中 用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给直流电源。 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。 动画演示。 a) u t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 o E O t i i i 1 2 I I 20 I 10 10 O t t on off t T b) 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时

数量关系 当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式： 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： (3-27) 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： （3-29） 当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即 （3-36） 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。

图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 如图3-3c，当电枢电流断续时： 当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。 另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 t O T E c) u o i 1 2 x on off I 20 tx<t0ff 图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 --------电流断续的条件

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构

图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形 基本工作原理 V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，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，该电路也称作反极性斩波电路。 动态演示。 a) o t b) i 1 2 on off I L 图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形

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，即 V处于通态 uL = E V处于断态 uL = - uo （3-39） V处于通态 uL = E V处于断态 uL = - uo （3-40） 所以输出电压为： （3-41）

结论 当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。 图3-4b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： （3-42） o t b) i 1 2 on off I L （3-43） 由上式得： （3-44） 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

2) Cuk斩波电路 V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。 图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路

数量关系 （3-45） 同理： V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得： （3-46） （3-46） （3-48） 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。

图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 电路结构 Speic电路原理 V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。 V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。 输入输出关系： a) Sepic斩波电路 b) Zeta斩波电路 图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 （3-49）

图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。 V关断后，L1－VD－C1构成振荡回路， L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。 输入输出关系： b) Zeta斩波电路 图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 （3-50） 相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。 两种电路输出电压为正极性的。

3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路

电流可逆斩波电路 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 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。 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。 升压斩波电路能使电动机工作于第2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。此电路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1象限和第2象限。

电路结构 工作过程（三种工作方式) V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。 a) 电路图 工作过程（三种工作方式) 图3-7 电流可逆斩波电路及波形 第3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。 当一种斩波电路电流断续而为零时，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。 电路响应很快。

桥式可逆斩波电路——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。 使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4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3、4象限 。 图3-8 桥式可逆斩波电路

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 3.2.3 多相多重斩波电路 基本概念 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 多相多重斩波电路 一个控制周期中电源侧的电流脉波数 相数 重数 负载电流脉波数

3相3重降压斩波电路 电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。 总输出电流为 3 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3倍，脉动频率也为3倍。 总的输出电流脉动幅值变得很小 。 所需平波电抗器总重量大为减轻。 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。 t O 1 u 2 3 o i 图3-9 3相3重斩波电路及其波形

当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3 相1重斩波电路。 而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1 相3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。

本章小结 本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。 本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。