《电力电子技术》电子教案第3章直流斩波电路
目录
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3.2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
本章小结
导言
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
也称为直接直流--直流变换器（DC/DC
Converter）
一般是指直接将直流电变为另一直流电，
不包括直流－交流－直流
习惯上，DC－DC变换器包括以上两种
情况，且甚至更多地指后一种情况
导言
直流斩波电路的种类
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 其中降压和升压斩波电路是最基本的电路
导言
复合斩波电路—不同基本斩波电路组合
多相多重斩波电路—相同结构基本斩波电路组合
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路的典型用途之一是
拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中E M 所示 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u o =E ，负载电流i o 按指数曲线上升
t
t
t
O O O
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
3.1.1 降压斩波电路
t = t 1时刻，控制V 关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L 值较大
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续时，负载电压平均值
t on －V 导通的时间；t off －V 关断的时间；a －导通占空比。
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
E
E T
t E t t t U a ==+=on
off on on o
3.1.1 降压斩波电路
U o 最大为E ，减小占空比a ，U o 随之减小。因此称为降压斩波电路。
负载电流平均值
电流断续时，U o 被抬高，一般不希望出现
R
E U I M
o o -=
O O
O t
t
t
T E E
i G i G t on
t off
i o t
x
i 1i 2I 20
t 1
t 2
u o E M
降压斩波电路的原理图及
电流断续时的波形
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）
1.
T 不变，调节t on —脉冲宽度调制
（PWM ）
2.
t on 不变，调节T —频率调制
3.
t on 和T 都可调，改变占空比—混合型
E
E T
t E t t t U a ==+=on
off on on o
3.1.1 降压斩波电路
基于“分段线性”的思想，对
降压斩波电路进行解析
V 通态期间，设负载电流为i 1，可列出如下方程：
设此阶段电流初值为I 10，τ= L/R ，解上式得
E E Ri t
i L =++M 11d d ???
? ?
?--+
=-
-τ
τ
t
t
e R
E E e
I i 1101M 降压斩波电路的原理图及
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
3.1.1 降压斩波电路
V 断态期间，设负载电流为i 2，
可列出如下方程：
设此阶段电流初值为I 20，解上式得：
0d d M 22=++E Ri t
i L ???
? ?
?
--=--ττ
t
t
e R
E e
I i 1202M 降压斩波电路的原理图及
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
当电流连续时，有：
即V 进入通态时的电流初值就是V 在断态阶段结束时的电流值，反过来，V 进入断态时的电流初值就是V 在通态阶段结束时的电流值。
)(2210t i I =)
(1120t i I =3.1.1 降压斩波电路
降压斩波电路的原理图及
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
I 10和I 20分别是负载电流瞬时值的最小值和最
大值
式中
，，。
3.1.1 降压斩波电路
R E
m e e R E R E e e I T t ??
?? ??---=-???? ??--=1111//10
1ρaρττM R E m
e e R E R E e e I T t ???? ??---=-???
?
?
?--=----ρaρττ
1111//20
1M E E m /M
=aρττ=??
? ????? ??=T T t t 11/τ
ρ/T =
用泰勒级数近似，可得
上式表示了平波电抗器L 为无穷大，负载电流
完全平直时的负载电流平均值I o ，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
()o
20
10I
R
E m I I =-≈≈a 3.1.1 降压斩波电路
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I o 不变
电源只在V 处于通态时提供能量，为EI o t on
在整个周期T 中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为（RI o 2T +E M I o T ）
3.1.1 降压斩波电路
降压斩波电路的原理图及
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
从能量传递关系出发进行的推
导
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，即
则
T
I E T RI t EI o M 2o
on o +=R
E E I M
o -=
a 3.1.1 降压斩波电路
降压斩波电路的原理图及
t
t
t
O O O
b)
T E
i G t on t off
i o
i 1i 2I 10I 20t 1
u o
E
V +
-M
R
L
VD a)
i o
E M
u o
i G
在上述情况中，均假设L 值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I 1，则有其值小于等于负载电流I o ，由上式得
即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。
o
o on 1
I
I T
t I a ==o
o o 1I U EI EI ==a 3.1.1 降压斩波电路
假如负载中L 值较小，则
有可能出现负载电流断续的情况。
负载电流断续的情况：I 10 = 0，且t = t on +t x 时，i 2 = 0，t x 为：
?
?
?
???--=-m e m t aρτ)1(1ln x 3.1.1 降压斩波电路
O O
O t
t
t
T E E
i G i G t on
t off
i o t
x
i 1i 2I 20
t 1
t 2
u o E M
降压斩波电路的原理图及
电流断续时的波形
电流断续时，t x < t off ，由
此得出电流断续的条件为：
对于电路的具体工况，可
据此式判断负载电流是否
连续。
11-->ρ
aρe e m 3.1.1 降压斩波电路
O O
O t
t
t
T E E
i G i G t on
t off
i o t
x
i 1i 2I 20
t 1
t 2
u o E M
降压斩波电路的原理图及
电流断续时的波形
第5章 直流-直流开关型变换器 习题 第1部分：简答题 1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？ 答：导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即 on s t D T ， 直流－直流开关型变换器有三种控制方式： 1）脉冲宽度调制PWM ，特点为：周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。 2）脉冲频率调制PFM ，特点为：导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。 3）混合型调制，特点为：导通时间和周期均可改变，来调节占空比。 其中PWM 最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。 2.画出带LC 滤波的BUCK 电路结构图。并回答下列问题：实用的BUCK 电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？ 答：带LC 滤波的BUCK 电路结构图如下： 1）实用Buck 电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。 2）续流二极管的作用是：当开关VT 断开时，构成续流回路，释放电感储能。 3）滤波器的转折频率fc 应远小于开关频率fs ，以滤除输出电压中的高次谐波。
3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。 答：BOOST电路结构图如下： 二极管的作用：规定电流方向，隔离输出电压。 电容的作用：在开关断开期间，保持负载电压。 4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。 答： 1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。物理意义是: 稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。 2)稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。物理意义是：稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零。 5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？ 答： 1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在0～1和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。 2）和真正变压器相比，相同之处在于：Uo/Ud，Io/Id的表达式相同。 不同之处在于：对于Buck电路，尽管平均电流Id与Io之间也符合变压器的变比关系，但id瞬时值不是直流，含有与开关频率有关的脉动量。BOOST电路不能空载工作。
第3章直流斩波电路 填空题： 1.直流斩波电路完成得是直流到________的变换。 2.直流斩波电路中最基本的两种电路是________和________。 3.斩波电路有三种控制方式：________、________和________。 4.升压斩波电路的典型应用有________和________等。 5.升降压斩波电路呈现升压状态的条件为________。 斩波电路电压的输入输出关系相同的有________、________和________。 斩波电路和Zeta斩波电路具有相同的输入输出关系，所不同的是：________的电源电流和负载电流均连续， ________的输入、输出电流均是断续的，但两种电路输出的电压都为________极性的。 8.斩波电路用于拖动直流电动机时，降压斩波电路能使电动机工作于第________象限，升压斩波电路能使电动机工作于第________象限，________电路能使电动机工作于第1和第2象限。 9.桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第________象限。 10.复合斩波电路中，电流可逆斩波电路可看作一个________斩波电路和一个________斩波电路的组合；多相多重斩波电路中，3相3重斩波电路相当于3个________斩波电路并联。
简答题： 11.画出降压斩波电路原理图并简述其工作原理。 12.画出升压斩波电路原理图并简述其基本工作原理。 13.试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。 14.试绘制Speic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图，并推导其输入输出关系。 15.分析题图3-15a所示的电流可逆斩波电路，并结合题图3-15b的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标 明 电 流 方 向。 16.对于题图3-16所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，
4-4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？ 在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。 4-8.逆变电路多重化的目的是什么?如何实现?串联多重和并联多重逆变电路备用于什么场合?答:逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高,二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波,还是电流型逆变电路输出的矩形电流波,都含有较多谐波,对负载有不利影响,采用多重逆变电路,可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。 逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来,并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。 串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。 并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。 在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。 5-1简述图5-la 所示的降压斩波电路工作原理。 答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V 导通一段时间on t 。，由 电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，Uo=E 。然后使V 关断一段时间off t ，此时 电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，Uo=0。一个周期内的平均电压 0on off E t U t ?=?输出电压小于电源电压,起到降压的作用。 5-2．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V ，R=10Ω，L 值微大，E=30V ，T=50μs ，ton=20μs ，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。解：由于L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 02020080()50 on t U E V T ?===输出电流平均值为 0080305()10 M U E I A R --===5-3．在图5-la 所示的降压斩波电路中，E=100V ，L=lmH ，R=0．5Ω，M E =10V ， 采用脉宽调制控制方式，T=20μs ，当on t =5μs 时，计算输出电压平均值0U ，输出电流平均值 0I ，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当on t =3μs 时，重新进行上述计算。 解：由题目已知条件可得：
第三章斩波电路 一、填空题 1.直流斩波电路完成得是直流到________的变换。 2.直流斩波电路中最基本的两种电路是________和________。 3.斩波电路有三种控制方式：________、________和________。 4.升压斩波电路的典型应用有________和________等。 5.升降压斩波电路呈现升压状态的条件为________。 6.斩波电路用于拖动直流电动机时，降压斩波电路能使电动机工作于第________象限，升压斩波电路能使电动机工作于第________象限，________电路能使电动机工作于第1和第2象限。 7.桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第________象限。 三、简答题 1.画出降压斩波电路原理图并简述其工作原理。 2.画出升压斩波电路原理图并简述其基本工作原理。 3.试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。 5.分析题图3-15a所示的电流可逆斩波电路，并结合题图3-15b的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。 6.对于题图3-16所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。 7.多相多重斩波电路有何优点？ 四、计算题 1.在题图3-18所示的降压斩波电 路中，已知E=200V，R=10Ω，L值 极大，E M=30V，T=50μs,t on=20μs, 计算输出电压平均值U o，输出电流 平均值I o。 2.在题图3-19所示的降压 斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5Ω，E M=10V， 采用脉宽调制控制方式， T=20μs，当t on=5μs时，
第5/10章 直流-直流变换电路 习题与答案 第1部分：填空题 1.直流斩波电路完成的是直流到 另一种直流 的变换。 2.直流斩波电路中最基本的两种电路是 降压（Buck ） 电路和 升压（Boost ） 电路。 3.斩波电路有三种控制方式： 脉宽调制（PWM ）、脉频调制（PFM ） 和 PWM/PFM 混合调制 ，其中最常用的控制方式是：脉宽调制（PWM ） 。 4.脉冲宽度调制的方法是： 开关周期 不变， 开关导通 时间变化，即通过导通占空比的改变来改变变压比，控制输出电压。 5.脉冲频率调制的方法是: 开关导通 时间不变， 开关周期 变化，导通比也能发生变化，达到改变输出电压的目的。该方法的缺点是： 开关频率 的变化范围有限。输出电压、输出电流中的 谐波频率 不固定，不利于滤波器的设计 。 6.降压斩波电路中通常串接较大电感，其目的是使负载电流 平滑 。 7.升压斩波电路使电压升高的原因：电感L 在开关管导通期间将电能转换为磁能储存起来，以实现电压泵升 ，电容C 在开关管导通期间给负载供能以使输出电压连续平滑 。 8.升压斩波电路的典型应用有 直流电动机传动 和 功率因素校正（APFC ） 等。 9.升降压斩波电路和Cuk 斩波电路呈现升压状态的条件是开关器件的导通占空比为 大于0.5小于1 ；呈现降压状态的条件是开关器件的导通占空比为 大于0小于0.5 。 10.设Buck 型DC-DC 变换器工作于CCM 模式，设输入电压U i =10V ，占空比D =0.6，则输出 电压U O ＝ 6V 。 11.设Boost 型DC-DC 变换器工作于CCM 模式，设输入电压U i =12V ，占空比D =0.8，则输出 电压U O ＝ 60V 。 13.开关型DC-DC 变换电路的三个基本元件是 开关管 、 电感 和 电容 。 14. 斩波电路用于拖动直流电动机时，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 斩波电路能使电动机工作于第1和第2象限。 15.桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第 1、2 象限。 16.复合斩波电路中，电流可逆斩波电路可看作一个 降压 斩波电路和一个 升压 斩波电 路的组合；多相多重斩波电路中，3相3重斩波电路相当于3个 降压 斩波电路并联。 第3部分：计算题 1、已知一BUCK 型DC-DC 变换器的输入电压为V U V i 2010≤≤,输出电压U O 为5V ，纹波电压为O O U U %5.0=?，负载电阻的变化范围为：Ω≤≤Ω101L R ，试： 1） 画出BUCK 变换器的主电路图 2） 求工作频率为10KHZ 和50KHZ 下所需临界电感、电容值 3） 选择晶体管的型号规格。 解：1）BUCK 变换器的主电路图如下所示
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 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3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
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 典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路（Buck Chopper)
工作原理 c)电流断续时的波形 E V + -M R L VD i o E M u o i G t t t O O O b)电流连续时的波形 T E i G t on t off i o i 1i 2I 10 I 20t 1 u o O O O t t t T E E i G i G t on t off i o t x i 1i 2 I 20 t 1 t 2 u o E M a) 电路图 图3-1降压斩波电路得原理图及波形 t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压u o =E ，负载电流i o 按指数曲线上升。t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压u o 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。
第5章 直流-直流变流电路 填空题： 1.直流斩波电路完成的是直流到_另一固定电压或可调电压的直流_的变换。 2.直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压_和_升压_。 3.斩波电路有三种控制方式：_脉宽调制_、_调频型 和_混合型_。 4.升压斩波电路的典型应用有_直流电动机传动_和_单相功率因数校正电路_等。 5.升降压斩波电路呈现升压状态的条件为_1/2<α<1_。 6.与Cuk 斩波电路电压的输入输出关系相同的有_升降压斩波_电路、_Sepic 斩波__电路和_Zeta 斩波__电路。 7.Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路具有相同的输入输出关系，所不同的是：_Sepic 斩波电路_的电源电流连续但负载电流断续，__Zeta 斩波电路_的电源电流断续而输出电流连续的，但两种电路输出的电压都为__正___极性的 。 8.斩波电路用于拖动直流电动机时，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_电路能使电动机工作于第1和第2象限。 9.桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第__1、2、3、4__象限。 10.复合斩波电路中，电流可逆斩波电路可看作一个_降压_斩波电路和一个_升压_斩波电路的组合；多相多重斩波电路中，3相3重斩波电路相当于3个_降压__斩波电路并联。 计算题： 11.在升压斩波电路中，设E ＝100V ，R ＝250Ω，全控器件导通占空比为0.8，C ＝∞。 (1)计算输出电压平均值Uo ，输出电流平均值Io 。 )(500100511o V E U =?=-=α，）（A R U I 2250/500o o === (2)计算输入输出功率。 )(102100/500o o 1A I E U I =?== 输入输出功率相等为W I U EI P o o 10001010011=?=== 12.如图所示降压斩波电路，设输入电压为200V ，电感L 是100mH, 电容C 无穷大，输出接10Ω的电阻，电路的工作频率是50kHz ，全控器件导通占空比为0.5，求： 输出直流电压U o ，输出直流电流I o 。 )(1002005.0V E U o =?==α，）（A R U I 1010/100o o ===