第一象限（正向电动），此时V1进行PWM控制，V4 on V2 、V3off
V1、VD1构成降压斩波电路，此时V4需要保持导通，与V1、VD1构成降压斩波电路相配合。
当V1导通时，电源E向M供电，使其正向电动运行，电流路径如下：
当V1关断时，负载通过VD1续流，电流路径如下：
第二象限（正向再生制动），此时V2进行PWM控制，V3 on V1 、V4off V2、VD2构成升压斩波电路，与V2、VD4构成升压斩波电路相配合。当V2导通时，负载通过VD3续流，电流路径如下：
当V2关断时，电动机正向再生制动向向电网中反馈能量，电流路径如下：
第三象限（反向电动）此时V3进行PWM控制，V2on V1 V4 off
V3、VD3构成降压斩波电路，此时V2需要保持导通，与V3、VD3构成降压斩波电路相配合。
当V3导通时，电源E向M供电，使其反向电动运行，电流路径如下：
当V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下：
第四象限（反向再生制动）此时V4进行PWM控制，V1on V2 V3 off
V4、VD4构成升压斩波电路，与V4、VD4构成升压斩波电路相配合。当V4导通时，负载通过VD1续流，电流路径如下：
当V4关断时，电动机反向再生制动向向电网中反馈能量，电流路径如下：
直流斩波器工作原理 直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。 二.基本原理 直流斩波器乃利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式(Buck )直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式(Boost)直流斩波器；如图1(a)所示为直流斩波器基本电路图，图1(b)所示为负载电压波形，可看出当直流斩波器导通(Ton)时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs，当直流斩波器截止(Toff)时，负载端之电压Vo为0，如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载测，只要控制直流斩波器的导通时间，即 图1.1直流斩波器基本原理 可改变负载的平均电压。 由图1.1(b)可看出输出电压之峰值等于电源电压Vs，而输出电压之平均值Vo 随Ton之时间而变。而最常见之改变方式为 1.周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变(Pulse-width Modulation PWM)。 2.导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变(Frequency Modulation FM)。
3.周期T及导通时间Ton 同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。 在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此 多数采用脉波宽度调变。 直流斩波器依负载电压及负载电流极性来区分可分为下列三种︰ 1. 单象限直流斩波器。 2. 两象限直流斩波器。 3. 四象限直流斩波器。 如图1.2(a)所示为单象限直流斩波器示意图，其负载电压及负载电流皆为正；如图1.2(b)所示负载电压为正，负载电流有正有负称两象限直流斩波器；若负载电压有正有负，负载电流亦有正有负，称四象限直流斩波器如图1.2(c)所示。本系统可依接线方式改变，达成上述三种直流斩波器。
电力电子技术课程设计报告 姓名： 学号： 班级： 指导老师： 专业： 设计时间：
目录 1．降压斩波电路 (6) 一．直流斩波电路工作原理及输出输入关系 (12) 二．D c／D C变换器的设计 (18) 三．测试结果 (19) 四．直流斩波电路的建模与仿真 (29) 五．课设体会与总结 (30) 六．参考文献 (31)
摘要 介绍了一种新颖的具有升降压功能的DC ／DC 变换器的设计与实现，具体地分析了该DC ／DC 变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC ／DC 变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果 关键词：DC ／DC 变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM ；直流脉宽调速 一．降压斩波电路 1.1 降压斩波原理： R E U I E E T t t t E t U M on off on on -= ==+=000α 式中on t 为V 处于通态的时间；off t 为V 处于断态的时间；T 为开关周期；α为导通占空比，简称占空比火导通比。 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式： 1） 保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t 不变，称为PWM 。 2） 3） on t i E M
1.2 工作原理 1）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 2）t=t1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 ●基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析 ●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
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，
实验四 PWM直流斩波电路分析及测试 一．实验目的 1．掌握Buck—Boost变换器的工作原理、特点与电路组成。 2．熟悉Buck—Boost变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。 3．掌握Buck—Boost变换器的调试方法。 二．实验内容 1．连接实验线路，构成一个实用的Buck—Boost变换器。 2．调节占空比，测出电感电流i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。3．将电感L增大一倍，测出i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。4．测出连续与不连续工作状态时的V be、V ce、V D、V L、i L、i C、i D等波形。 5．测出直流电压增益M=V O/V S与占空比D的函数关系。 6．测试输入、输出滤波环节分别对输入电流i S与输出电流i O影响。 三．实验线路 四．实验设备和仪器 1．MCL-08直流斩波及开关电源实验挂箱 2．万用表
3. 双踪示波器 五．实验方法 1．检查PWM 信号发生器与驱动电路工作是否正常 连接有关线路，观察信号发生器输出与驱动电路的输出波形是否正常，如有异常现象，则先设法排除故障。 2．电感L=1.48mH ，电感电流i L 处于连续与不连续临界状态时的占空比D 测试 将“16”与“18”、“21”与“4”、“22”与“5”、“19”与“6”、“1”与“4”、“9”与“12”相连，即按照以下表格连线。 16 18 21 4 22 5 19 6 1 4 9 12 合上开关S1与S2、S3、S4，用示波器观察“7”与“13”（即i L ）之间波形，然后调节RP1使i L 处于连续与 不连续的临界状态，记录这时候的占空比D 与工作周期T 。 3．L=1.48mH ，测出处于连续与不连续临界工作状态时的V be (“5”～“6”)、V ce (“4”～“6”)、V D (“9”～“8”)、i L (“7”～“13”)、i C (“6”～“7”)、i D (“8”～“7”)等波形 调节RP1，使i L 处于连续与不连续临界工作状态，用示波器测出GTR 基-射极电压V be 与集-射极电压V ce ；二极管VD 阴极与阳极之间电压V D ；电感L 3两端电压V L ；电感电流i L ；三极管集电极电流i C 以及二极管电流i D 等波形。 4．L=1.48mH,测出连续工作状态时的V be 、V ce 、V D 、i L 、i C 、i D 等波形 调节RP1左旋到底，使i L 处于连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。 5．L=1.48mH,测出不连续工作状态时的V be 、V ce 、V D 、i L 、i C 、i D 等波形 调节RP1右旋到底，使i L 处于不连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。 6．L=3.07mH ，i L 处于连续与不连续临界状态时的占空比D 测试 将开关S2断开，观察i L 波形，调节RP1，使i L 处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比D 与工作周期T 。 7．L=3.07mH ，测出连续工作状态时的V be 、V ce 、V D 、i L 、i C 、i D 等波形 调节RP1，使i L 处于连续工作状态，测试方法同前。 8．L=3.07mH ，测出不连续工作状态时的V be 、V ce 、V D 、i L 、i C 、i D 等波形 9．测出M=V O /V S 与占空比D 的函数关系 （1）L=1.48mH ，占空比D 从最小到最大范围内，测试5～6个D 数据，以及与此对应的输出电压V O 。(占空比D 用示波器观察, V O 、V S 用万用表测量，V s (V cc ～“14”)、V o (“12”～“15”)【红色为临界时的数值】 （2）L=3.07mH ，测试方法同上。 10．输入滤波器功能测试(断开电源S 1 开关再接线) 有与没有输入滤波器时，电源电流（即15～14两端）波形测试(用示波器AC 档观察)。 D 0.18 0.34 0.41 0.53 0.60 0.68 0.71 0.75 0.83 Vo （V ） -8.32 -15.43 -18.82 -22.26 -25.24 -29.06 -29.91 -33.45 -33.50 M=Vo/Vs -0.555 -1.029 -1.255 -1.484 -1.683 -1.937 -1.994 -2.230 -2.300 D 0.16 0.23 0.37 0.45 0.50 0.60 0.68 0.75 0.83 Vo （V ） -6.15 -9.18 -12.58 -14.83 -16.84 -19.19 -26.96 -31.16 -33.84 M=Vo/Vs -0.410 -0.612 -0.839 -0.989 -1.123 -1.279 -1.797 -2.077 -2.256
直流斩波电路工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
直流斩波电路工作原理及输出输入关系 升压斩波电路（Boost Chopper ） 升压斩波电路 假设L 和C 值很大。 处于通态时，电源E 向电感L 充电，电流恒定1i ，电容C 向负载R 供电，输出电压0u 恒定。 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。 设V 通态的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on t Ei 1 设V 断态的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为off t i E u 10)(- 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等： on t Ei 1=off t i E u 10)(- 化简得 E t T E t t t u off off off on =+=0 off t T ——升压比；升压比的倒数记作β ，即off t T =β β和α的关系：a +β=1 所以输出电压为 E E u αβ -==1110
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 降压斩波电路 V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为1i ，同时，C 维持输出电压恒定并向负载R 供电，这时E u L =。 V 断时，L 的能量向负载释放，电流为2i 。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时0u u L -=。 稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压L u 对时间的积分为零，即 ???=-=+=T off on T t off L t on L L t u Et dt u dt u dt u on on 00)(0)(0 所以输出电压为： E E t T t E t t u oN on off on αα-=-== 10 （on t 为 V 处于通态的时间，off t 为V 处于断态的时间）
直流斩波电路工作原理及输出输入关系 升压斩波电路（Boost Chopper ） 升压斩波电路 假设L 和C 值很大。 处于通态时，电源E 向电感L 充电，电流恒定1i ，电容C 向负载R 供电，输出电压0u 恒定。 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。 设V 通态的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on t Ei 1 设V 断态的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为off t i E u 10)(- 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等： on t Ei 1=off t i E u 10)(- 化简得 E t T E t t t u o f f o f f o f f on =+=0 off t T ——升压比；升压比的倒数记作β ，即off t T =β β和α的关系：a +β=1 所以输出电压为 E E u αβ -==1110
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 降压斩波电路 V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为1i ，同时，C 维持输出电压恒定并向负载R 供电，这时E u L =。 V 断时，L 的能量向负载释放，电流为2i 。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时0u u L -=。 稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压L u 对时间的积分为零，即 ???=-=+=T off on T t off L t on L L t u Et dt u dt u dt u on on 00)(0)(0 所以输出电压为： E E t T t E t t u oN on off on α α-=-==10 （on t 为 V 处于通态的时间，off t 为V 处于断态的时间）
第3章直流斩波电路 主要内容：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路的结构与工作原理。 重点：降压斩波电路、升压斩波电路的结构与工作原理。 难点：升压斩波电路的工作原理 基本要求：掌握降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的结构与工作原理，了解复合斩波电路的结构与工作原理。 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）。 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，其中前两种是最基本的电路。 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 1 基本斩波电路 重点：最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。 (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3-1中E m所示。为使i o连续且脉动小，通常使L值较大。 数量关系 电流连续时，负载电压平均值 （3-1） a——导通占空比，简称占空比或导通比 U o最大为E，减小a，U o随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器。 负载电流平均值I=U d/R （3-2） 电流断续时，U o平均值会被抬高，一般不希望出现 斩波电路三种控制方式 a 脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节t on，应用最多 b 频率调制或调频型——t on不变，改变T c 混合型——t on和T都可调，使占空比改变
图3-1降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形 2 升压斩波电路 (1) 升压斩波电路的基本原理 工作原理:
实验四直流降压斩波电路 一实验目的 1.理解降压斩波电路的工作原理及波形情况，掌握该电路的工作状态及结果。 2.研究直流降压斩波电路的全过程 3.掌握降压斩波电路MATLAB的仿真方法，会设置各模块的参数。 二预习内容要点 1. 降压斩波电路工作的原理及波形 2. 输入值输出值之间的关系 三实验内容及步骤 1.降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图如图 2.1所示。 图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为: 式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。 图2.1
2.（1）器件的查找 以下器件均是在MATLAB R2017b环境下查找的，其他版本类似。有些常用的器件比如示波器、脉冲信号等可以在库下的Sinks、Sources中查找；其他一些器件可以搜索查找 （2）连接说明 有时查找出来的器件属性并不是我们想要的例如：示波器可以双击示波器进入属性后进行设置。 （3）参数设置 1.双击直流电源把电压设置为200V。负载电动势20V。’ 2.双击脉冲把周期设为0.001s，占空比设为30％，40%，80%，（可多设几组）延迟角设为30度，由于属性里的单位为秒，故把其转换为秒即，30×0.02/360； 3.双击负载把电阻设为10Ω，电感设为0.1H； 4.双击示波器把Number of axes设为3，同时把History选项卡下的Limit data points to last前面的对勾去掉； 5.晶闸管和二极管参数保持默认即可 四仿真及其结果
实验报告 课程名称：控制系统数字仿真与CAD 实验名称：直流斩波电路原理实验专业：电力牵引与拖动 班级：电牵一班 时间： 2017.5.09 指导教师：叶满园
直流斩波电路性能研究 1.实验目的和要求 (1)加深理解斩波器电路的工作原理。 (2)掌握斩波器主电路、触发电路的调试步骤和方法。 (3)熟悉斩波器电路各点的电压波形。 2.实验原理 本实验采用脉宽可调的晶闸管斩波器，主电路见下页。其中VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管,C和L1构成振荡电路,它们与VD2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。当接通电源时，C经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，此时VT1、VT2均不导通，当主脉冲到来时，VT1导通，电源电压将通过该晶闸管加到负载上。当辅助脉冲到来时，VT2导通，C通过VT2、L1放电，然后反向充电，其电容的极性从+Ud0变为-Ud0，当充电电流下降到零时，VT2自行关断，此时VT1继续导通。VT2关断后，电容C通过VD1及VT1反向放电，流过VT1的电流开始减小，当流过VT1的反向放电电流与负载电流相同的时候，VT1关断；此时，电容C继续通过VD1、L2、VD2放电，然后经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，电源停止输出电流，等待下一个周期的触发脉冲到来。VD3为续流二极管，为反电势负载提供放电回路。 斩波主电路原理图 从以上斩波器工作过程可知，控制VT2脉冲出现的时刻即可调节输出电压的脉宽,从而可达到调节输出直流电压的目的。VT1、VT2的触发脉冲间隔由触发电路确定。
实验接线如下图所示，电阻R用D42三相可调电阻，用其中一个900Ω的电阻；励磁电源和直流电压、电流表均在控制屏上。 直流斩波器实验线路图 3.主要仪器设备 4.实验内容及步骤 实验内容： (1)直流斩波器触发电路调试。 (2)直流斩波器接电阻性负载。 实验步骤： (1)斩波器触发电路调试 调节DJK05面板上的电位器RP1、RP2，RP1调节锯齿波的上下电平位置，而RP2为调节锯齿波的频率。先调节RP2，将频率调节到200Hz～300Hz之间，然后在保证三角波不失真的情况下，调节RP1为三角波提供一个偏置电压（接近电源电压），使斩波主电路工作的时候有一定的起始直流电压，供晶闸管一定的维持电流，保证系统能可靠工作，将DJK06上的给定接入，观察触发电路的第二点波形，增加给定，使占空比从0.3调到0.9。
基于单片机的直流斩波电路的设计 本文介绍了基于单片机的直流斩波电路的基本方法，直流斩波电路的相关知识以及用单片机产生ＰＷＭ波的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS 一51单片机的用软件产生PWM 信号以及信号占空比调节的方法。对于实现直流斩波提供了一种有效的途径。本次设计中以直流降压斩波电路为例。 关键词：单片机最小系统； PWM ；直流斩波： 直流降压斩波电路的原理 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3-1中Em 所示 工作原理，两个阶段 t=0时V 导通，E 向负载供电，uo=E ，io 按指数曲线上升 t=t1时V 关断，io 经VD 续流，uo 近似为零，io 呈指数曲线下降 为使io 连续且脉动小，通常使L 值较大 数量关系 电流连续时，负载电压平均值 E E T t E t t t U on off on on o α==+= a ——导通占空比，简称占空比或导通比 Uo 最大为E ，减小a ，Uo 随之减小——降压斩波电路。也称为Buck 变换器（Buck Converter ）。 负载电流平均值 R E U I m o o -= （3-2） 电流断续时，uo 平均值会被抬高，一般不希望出现 斩波电路有三种控制方式： 1）保持开关周期T 不变，调节开关导通时间t on ，称为脉冲宽度调制或脉冲 调宽型： 2）保持导通时间不变，改变开关周期T ，成为频率调制或调频型； 3）导通时间和周期T 都可调，是占空比改变，称为混合型。
其原理图为： 图3-1降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形
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 3-1 第3章直流斩波电路·引言直流斩波电路（DCChopper）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/DCConverter）。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。 3-2 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 3-3 3.1.1降压斩波电路（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。 3-4 3.1.1工作原理降压斩波电路EM 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。。i图3-1降压斩波电路得原理图及波形c)电流断续时的波形3-5 3.1.1降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值： （3-1） ——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。
3-6 3.1.1降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制（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 3-7 3.1.1降压斩波电路 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EIoton 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。3-8 3.1.1降压斩波电路 式（3-6）负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）（3-16） 电流断续的条件：输出电压平均值为： 负载电流平均值为： （3-17） （3-18） （3-19） 3-9 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper）1) 电路结构3-10 3.1.2 升压斩波电路工作原理 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。
天津理工大学 自动化学院课程设计报告题目：直流斩波电路的仿真分析与实现 学生姓名学号 届2011级班级电气3班 指导教师杜明星专业电气工程及其自动化
说明 1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中 任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。 2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。 3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。 4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文 字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。 5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩 （30%）组成。 课程设计评语及成绩汇总表 成绩平时成绩报告成绩答辩成绩 总评成绩 课程设计 评语
课程设计任务书、指导书 课程设计题目：直流斩波电路的仿真分析与实现 Ⅰ.课程设计任务书 一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）1．课程设计的内容 完成Buck电路与Boost电路的仿真分析与设计。 2．课程设计的要求 1）技术参数：（BUCK电路）输入直流电压为42V，输出直流电压为12V，输出电流为3A，最大输出纹波电压为50mV，工作频率f ＝100Hz。（BOOST电路）输入直流电压为24V，输出直流电压为54V，输出电流为10A，最大输出纹波电压为200mV，工作频率f＝100Hz。 2）主功率器件采用MOSFET管，计算并选择主电路的元器件，给出清单； 3）设计MOSFET的驱动电路及控制电路； 4）绘制总的电路原理图； 5）要求负载为具有反电动势的阻感负载； 6）改变功率开关器件的导通占空比，得出正确的斩波波形（要求至少取3组数据，且数据具有广泛的代表性）；
直流斩波器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
直流斩波器工作原理 直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。 二.基本原理 直流斩波器乃利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式(Buck )直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式(Boost)直流斩波器；如图1(a)所示为直流斩波器基本电路图，图1(b)所示为负载电压波形，可看出当直流斩波器导通(Ton)时，负载端之电压Vo等于电源电压Vs，当直流斩波器截止(Toff)时，负载端之电压Vo为0，如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载测，只要控制直流斩波器的导通时间，即 图1.1直流斩波器基本原理 可改变负载的平均电压。 由图1.1(b)可看出输出电压之峰值等于电源电压Vs，而输出电压之平均值Vo随Ton之时间而变。而最常见之改变方式为 1.周期T固定，导通时间Ton改变，称脉波宽度调变(Pulse-width Modulation PWM)。 2.导通时间Ton固定，周期T改变，称频率调变(Frequency Modulation FM)。
3.周期T及导通时间Ton 同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。 在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此 多数采用脉波宽度调变。 直流斩波器依负载电压及负载电流极性来区分可分为下列三种︰ 1. 单象限直流斩波器。 2. 两象限直流斩波器。 3. 四象限直流斩波器。 如图1.2(a)所示为单象限直流斩波器示意图，其负载电压及负载电流皆为正；如图1.2(b)所示负载电压为正，负载电流有正有负称两象限直流斩波器；若负载电压有正有负，负载电流亦有正有负，称四象限直流斩波器如图1.2(c)所示。本系统可依接线方式改变，达成上述三种直流斩波器。
实验七直流斩波电路原理实验 一、实验目的 (1)加深理解斩波器电路的工作原理。 (2)掌握斩波器主电路、触发电路的调试步骤和方法。 (3)熟悉斩波器电路各点的电压波形。 二、实验所需挂件及附件 三、实验线路及原理 本实验采用脉宽可调的晶闸管斩波器，主电路见下页。其中VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管,C和L1构成振荡电路,它们与VD2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。当接通电源时，C经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，此时VT1、VT2均不导通，当主脉冲到来时，VT1导通，电源电压将通过该晶闸管加到负载上。当辅助脉冲到来时，VT2导通，C通过VT2、L1放电，然后反向充电，其电容的极性从+Ud0变为-Ud0，当充电电流下降到零时，VT2自行关断，此时VT1继续导通。VT2关断后，电容C通过VD1及VT1反向放电，流过VT1的电流开始减小，当流过VT1的反向放电电流与负载电流相同的时候，VT1关断；此时，电容C继续通过VD1、L2、VD2放电，然后经L1、VD1、L2及负载充电至+Ud0，电源停止输出电流，等待下一个周期的触发脉冲到来。VD3为续流二极管，为反电势负载提供放电回路。
斩波主电路原理图 从以上斩波器工作过程可知，控制VT2脉冲出现的时刻即可调节输出电压的脉宽,从而可达到调节输出直流电压的目的。VT1、VT2的触发脉冲间隔由触发电路确定。斩波器触发电路和原理可参见实验一内容。 实验接线如下图所示，电阻R用D42三相可调电阻，用其中一个900Ω的电阻；励磁电源和直流电压、电流表均在控制屏上。 直流斩波器实验线路图 四、实验内容 (1)直流斩波器触发电路调试。 (2)直流斩波器接电阻性负载。 (3)直流斩波器接电阻电感性负载（选做）。 五、预习要求 (1)阅读电力电子技术教材中有关斩波器的内容，弄清脉宽可调斩波器的工作原理。
直流斩波电路的性能研究 一、实验原理及内容： 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为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）。目前比较基本的和较为常用的直流斩波电路有以下几种： 一）降压斩波电路（Buck Chopper） 1、电路图如下： 2、降压斩波电路原理：在t=0时驱动V导通，电源E向负载供电，负载 u o =E，负载电流i o 按指数曲线上升。当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，通常串接L值较大的电感。只一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流 在一个周期的初值和终值相等U o 的值与占空比（alpha）成正比。 3、典型应用：拖动直流电机，带蓄电池负载 二）升压斩波电路（Boost Chopper） 1、电路图如下：
2、升压斩波电路的原理：假设电路中电感L很大，电容C很大。当V导 通，电源E向L充电，充电电流基本恒定位为I 1 ，同时电容C上的电压向 负载R供电，由于C值很大，基本保持输出电压u o 位恒值，记为U o 。当V 关断的时候电源与电感L同时对电容C充电，并且向负载R提供能量。当电路工作稳定时，有如下方程： U o =(t on +t off )E/t off =TE/t off 由上式可知，输出电压高于电源电压。 3、典型应用：直流电动机传动，单项功率因数校正（Power Factor Correction— PFC）电路，用于其他交直流电源中 三）升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper） 1、电路图如下： 2、升降压斩波电路原理：假设电感L很大，电容C很大，致使电感电流 i L 和电容典雅即负载电压u o 基本为恒值。V导通，L充电，有电流i 1 。同
实验六直流斩波电路的性能研究（六种典型线 路） 一、实验目的 (1)熟悉直流斩波电路的工作原理。 (2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点。 (3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。 二、实验所需挂件及附件 序号型号备注 1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源 输出”，“励磁电源”等 几个模块。 2DJK09 单相调压与可调负 载 3DJK20直流斩波电路 4D42 三相可调电阻 5慢扫描示波器自备 6万用表自备 三、实验线路及原理 1、主电路 ①、降压斩波电路(Buck Chopper) 降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-14所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图4-14b中V的栅极电压波形U GE可知，当V处于通态时，电源U i向负载供电，U D=U i。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压U D近似为零，至一个周
期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为： 式中t on为V处于通态的时间，t off为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=t on/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值U O最大为U i，若减小占空比α，则U O随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。 (a)电路图 (b)波形图 图4-14 降压斩波电路的原理图及波形 ②、升压斩波电路(Boost Chopper) 升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图4-15所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-15b中V的栅极电压波形U GE可知，当V处于通态时，电源U i向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压U O为恒值。设V处于通态的时间为t on，此阶段电感L1上积蓄的能量为 U i I1t on。当V处于断态时U i和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设V处于断态的时间为t off，则在此期间电感L1释放的能量为(U O-U i) I1t on。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即： U i I1t on=(U O-U i) I1t off
实验一降压式直流斩波电路（Buck） 一、原理图 在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，电源E通过电感L向负载R供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，导致在电感两端有一个正向电压Ul=E-u0，左正右负，这个电压引起电感电流iL的线性增加。 2)在控制开关VT关断toff期间，电感产生感应电势，左负右正，使续流二极管VD导通，电流iL经二极管VD续流，uL=-u0，电感L向负载R供电，电感的储能逐步消耗在R上，电流iL线性下降，如此周而复始周期变化。如图1-1。 图1-1 电路图 二、建立仿真模型 根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，如图1-2。 图1-2 仿真电路图（截图）
仿真参数，算法（solver）ode15s，相对误差（relativetolerance）1e-3，开始时间0结束时间10，如图1-3。 图1-3 （截图） 电源参数，电压100v，如图1-4。 图1-4 （截图） 晶闸管参数，如图1-5。
图1-5 （截图）电感参数，如图1-6。 图1-6 （截图）电阻参数，如图1-7。
图1-7 （截图）二极管参数设置，如图1-8。 图1-8 （截图）电容参数设置，如图1-9。
图1-9 （截图） 三、仿真参数设置 设置触发脉冲占空比α分别为20%、50%、70%、90%。与其产生的相应波形分别如图1-10图1-11图1-12图1-13。在波形图中第一列波为输出电压波形，第二列波为输入电压波形。 图1-10 α=20%（截图）
图1-11 α=50%（截图） 图1-12 α=70%（截图）
直流斩波电路工作原理及输出输入关系 升压斩波电路(Boost ChOPPe ) 升压斩波电路 假设L 和C 值很大。 处于通态时，电源E 向电感L 充电，电流恒定i 1 ,电容C 向负载R 供电, 输出电 压U o 恒定。 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。 设V 通态的时间为t on ,此阶段L 上积蓄的能量为Ei I t on 设V 断态的时间为t off ,则此期间电感L 释放能量为(U o- E)ht °ff 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等： Ei i t on = (U o - E)i ιt off 化简得 t on t o f f T ? U o E E t o ff t o f f T -升压比；升压比的倒数记作β ,即I = T t off t off β和α 的关系：a+ β =1 所以输出电压为 1 1 u °「Ej, E
V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为"，同时，C 维持输出 电压恒定并向负载R 供电，这时UL=E 0 V 断时，L 的能量向负载释放，电流为i 2。负载电压极性为上负下正，与电 源电压极性相反，这时U L 二-U o o 稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压U L 对时间的积分为零，即 T dt ■ .t U L(Off )dt = E t on - U o t off ^ 0 L on 所以输出电压为: (t on 为 V 处于通态的时间，t off 为V 处于断态的时间) T t on O U L dt= O U L(On) U o On On Off T -t ON 1-1 升降压斩波电路(buck -boost ChOPPer) 降压斩波电路
直流斩波电路工作原理分析 直流斩波电路的主要是实现直流电能的变换，对直流电的电压或电流进行控制。按照输入电压与输出电压之间的关系，可以分为六种不同的形式，分别为降压斩波电路（BUCK ）、升压斩波电路（BOOST ）、升降压斩波电路（BUCK-BOOST ）、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路。下面分别对它们的工作原理进行简单的介绍。 一．降压斩波电路 降压斩波（BUCK ）电路的拓扑结构图如1-1所示。 U i o 图1-1 BUCK 电路拓扑结构 分析在开关器件导通和关断时，电路的动态工作过程。图1-1中实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示器件关断时的续流回路。在续流过程中， 根据电感中的电流的不同分为，电感电流连续（CCM ）和断续（DCM ）两种情况。由此可以得到降压斩波电路的动态工作过程如图1-2所示。 U i o a) S 导通时等效电路 o C o b) S 关断，i L ≠0时等效电路 c) S 关断，i L =0时等效电路 图1-2 BUCK 电路动态工作过程
在工作过程中，驱动信号以及电感上的电压和电流波形如图1-2所示。 u S u L i L i L a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图1-3 BUCK 电路的工作原理图 由电感器件的伏秒平衡原理，可以得出在电流连续和断续两种情况下，BUCK 斩波电路的输出电压。 a) 电感电流连续时，有 ()(1)0i o o U U D U D ---= （1-1） 化简可得 o i U DU = （1-2） b) 电感电流断续时，有 1()0i o o U U D U --?= （1-3） 化简可得 1 o i D U U D = +? （1-4） 由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高。 二．升压斩波电路 升压斩波（BOOST ）电路的拓扑结构如图2-1所示。
实验四PWM直流斩波电路分析及测试 一．实验目的 1．掌握Buck—Boost变换器的工作原理、特点与电路组成。 2．熟悉Buck—Boost变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。 3．掌握Buck—Boost变换器的调试方法。 二．实验内容 1．连接实验线路，构成一个实用的Buck—Boost变换器。 2．调节占空比，测出电感电流i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。 3．将电感L增大一倍，测出i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D，并与理论值相比较。 4．测出连续与不连续工作状态时的V be、V ce、V D、V L、i L、i C、i D等波形。 5．测出直流电压增益M=V O/V S与占空比D的函数关系。 6．测试输入、输出滤波环节分别对输入电流i S与输出电流i O影响。 三．实验线路 见图4—5。 四．实验设备和仪器 1．MCL-08直流斩波及开关电源实验挂箱 2．万用表 3.双踪示波器 五．实验方法 1．检查PWM信号发生器与驱动电路工作是否正常 连接有关线路，观察信号发生器输出与驱动电路的输出波形是否正常，如有异常现象，则先设法排除故障。 2．电感L=1.48mH，电感电流i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试 将“16”与“18”、“21”与“4”、“22”与“5”、“19”与“6”、“1”与“4”、“ 合上开关S1与S2、S3、S4，用示波器观察“7”与“13”（即i L）之间波形，然后调
节RP1使i L处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比D与工作周期T。 3．L=1.48mH，测出处于连续与不连续临界工作状态时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形调节RP1，使i L处于连续与不连续临界工作状态，用示波器测出GTR基-射极电压V be 与集-射极电压V ce；二极管VD阴极与阳极之间电压V D；电感L3两端电压V L；电感电流i L；三极管集电极电流i C以及二极管电流i D等波形。 4．L=1.48mH,测出连续工作状态时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形 调节RP1，使i L处于连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。 5．L=1.48mH,测出不连续工作状态时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形 调节RP1，使i L处于不连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。 6．L=3.07mH，i L处于连续与不连续临界状态时的占空比D测试 将开关S2断开，观察i L波形，调节RP1，使i L处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比D与工作周期T。 7．L=3.07mH，测出连续工作状态时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形 调节RP1，使i L处于连续工作状态，测试方法同前。 8．L=3.07mH，测出不连续工作状态时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形 9．测出M=V O/V S与占空比D的函数关系 （1）L=1.48mH，占空比D 从最小到最大范围内，测试5～6个D数据，以及与此对应O （2）L=3.07mH，测试方法同上。 10．输入滤波器功能测试 有与没有输入滤波器时，电源电流（即15～14两端）波形测试。 11．输出滤波器功能测试 有与没有输出滤波器时，输出电流纹波测试（“12”-“15”）。 五．实验报告 1．分别在L=1.48mH与3.07mH条件下,列出i L连续与不连续临界状态时的占空比D,并与理论值相比较。 理论上i L连续与断续的临界条件为τLC=（1-D）2/2，式中τLC=L/RT为连续与断续临界状态时的临界时间常数，负载电阻R=300Ω，工作周期T按实测数据。 2．画出不同L，连续与断续时的V be、V ce、V D、i L、i C、i D等波形，并与理论上的正确波形相比较。 3．根据不同的L值，按所测的D，V O值计算出M值，列出表格，并画出曲线。连续工作状态时的直流电压增益表达式为M=D/（1-D），请在同一图上画出该曲线，并在图上注明连续工作与断续工作区间。 4．试对Buck-Boost变换器的优缺点作一评述。 5．试说明输入、输出滤波器在该变换中起何作用？ 6．实验的收获、体会与改进意见。