第4章直流斩波电路
直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变换为电压可调的直流电的电力电子变流装置，亦称直流斩波器或DC/DC变换器。用斩波器实现直流变换的基本思想是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流，在一定滤波的条件下，在负载上可以获得平均值可小于或大于电源的电压或电流。如果改变开关器件通、断的动作频率，或改变开关器件通、断的时间比例，就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压、电流平均值的调节。
早在1940年德国人采用机械开关通断的思想来调节直流电压以控制直流电动机的转速，1960年美国人把晶体管斩波器用于控制柴油发电机的励磁系统，1963年德国人把晶闸管斩波器用于控制蓄电池车。早期主要应用于城市电车，地铁、电动汽车等直流牵引调速控制系统中。随着自关断电力电子开关器件和脉宽调制(Pulse Width Modulation—PWM )技术的不断发展，直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等显著优点，广泛应用于开关电源、有源功率因数校正、超导储能等新技术领域。一般来说，直流斩波电路有两类不同的应用领域：一类负载是要求输出电压可在一定范围内调节控制，即要求电路输出可变的直流电压，例如直流电动机负载，为了改变其转速，要求可变的直流电压供电；另一类负载则要求无论在电源电压变化或负载变化时，电路的输出电压都能维持恒定不变，即输出一个恒定的直流电压，如开关电源等。这两种不同的要求均可通过一定类型的控制系统根据反馈控制原理实现。
直流斩波电路的种类较多，根据其电路结构及功能分类，主要有以下4种基本类型：降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路、丘克(Cuk)斩波电路，其中前两种是最基本的电路，后两种是前两种基本电路的组合形式。由基本斩波电路衍生出来的Sepic斩波电路和Zeta斩波电路也是较为典型的电路。利用基本斩波电路进行组合，还可以构成复合斩波电路和多相多重斩波电路。本章将详细介绍基本斩波电路的工作原理和稳态工作特性，对其它电路作一般性的原理分析。
为了获得各类直流斩波电路的基本工作特性而又简化分析，在本章的分析中，都假定直流斩波电路是理想的，即满足以下条件：
（1）开关器件和二极管从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡时间均为零。
（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零。
（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件，且电感量和电容量均为足够大。
（4）线路阻抗为零。无特殊说明时电源的输入功率等于输出功率。
4.1直流斩波电路的工作原理
最基本的直流斩波电路如图4.1(a)所示，图中S 是可控开关，R 为纯电阻负载。当S 闭合时，输出电压E u o =；当S 关断时，输出电压0=o u ，输出波形如图4.1(b)所示。假设开关S 通断的周期T S 不变，导通时间为on t ，关断时间为off t ，则输出电压的平均值o U 可表示为
DE E T t Edt T dt u T U S
on
t S
t o S
o on
on
==
=
=
?
?
11
（4.1）
-
E
u
(a)电路 (b)电压波形 图4.1 最简单直流斩波电路图及输出电压波形
由式（4.1）可知，在周期T S 不变的情况下，改变on t 就可以改变o U 的大小。将S 的导通时间与开关周期之比定义为占空比(Duty ratio)，用D 表示。 则
S
on
T t D =
（4.2） 由于占空D 总是小于等于1，所以输出电压o U 总是小于或等于输入电压E 。因此，改变D 值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变on t 或T S 来实现。通常直流斩波电路的控制方式有三种：
(1)脉冲频率调制控制方式：即维持on t 不变，改变T S 。在这种控制方式中，由于输出电压波形的周期或频率是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出波形谐波干扰严重，一般很少采用。
(2)脉宽调制控制方式：即维持T S 不变，改变on t 。在这种控制方式中，输出电压波形的周期或频率是不变的，因此输出谐波的频率也是不变的，这使得滤波器的设计变得较为容易，并得到普遍应用。常把这种调制控制方式称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation ，PWM)。
(3)调频调宽混合控制方式：这种控制方式不但要改变on t 和也要改变T S ，其特点是：可以使大大提高输出的范围，但由于频率是变化的，也存在着设计滤波器较难的问题。 4.2
基本直流斩波电路
基本直流斩波电路是指降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)
斩波电路和丘克(Cuk)斩波电路。本节将对Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路一并给予介绍。
4.2.1降压斩波电路
降压斩波电路又称Buck 斩波电路，该电路的特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则高于输入电流。也就是通过该电路的变换可以将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压，并实现电能的转换。
降压斩波电路的拓扑结构如图4.2(a)所示。图中S 是开关器件，可根据应用需要选取不同的电力电子器件，如IGBT 、MOSFET 、GTR 等。L 、C 为滤波电感和电容，组成低通滤波器，R 为负载，VD 为续流二极管。当S 断开时，VD 为L i 提供续流通路。E 为输入直流电压，o U 为输出电压平均值。当选用IGBT 作为开关器件时，降压斩波电路如图4.2(b)所示。
+
-
o U
+
-
o U
(a)S 为开关器件 (b) IGBT 为开关器件
图4.2降压斩波电路的拓扑结构图
根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式。
4.2.1.1电感电流连续导电模式
连续导电模式对应电感电流恒大于零的情形。设开关器件T 的控制信号为G U （G U 的波形如图4.4所示）。当G U 为高电平时T 导通，G U 为低电平时T 关断。T 导通与关断时的等效电路分别如图4.3(a)、(b)所示。
电路的工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在0=t 时，使T 导通，因二极管VD 反向偏置，电感两端电压为o L U E u -=，且为正。此时，电源E 通过电感L 向负载传递能量，电感中的电流L i 从1I 线性增长至2I ，储能增加。在on t t =时刻，使T 关断，而L i 不能突变，故L i 将通过二极管VD 续流，L 储能消耗在负载R 上，L i 线性衰减，储能减少。此时
o L U u -=。由于VD 的单向导电性，L i 只能向一个方向流动，即总有 L i ≥0，从而在负载
R 上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值，并控制T 周期性地开关，可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然T 导通时间愈长，传递到负载的能量愈多，输出电压也就愈高。T 导通和关断时各电量的工作波形如图4.4所示。
U o -
U o +
-
(a) T 导通VD 截止 (b) VD 导通T 截止
图4.3连续导电模式降压斩波电路等效电路图
I 2I 1u o
图4.4降压斩波电路的工作波形图
在on t 期间，T 导通，根据等效电路4.3(a)，可得出电感L 上的电压为
dt
di L
u L
L （4.3） 由于电感和电容无损耗，电流L i 从Ｔ导通时的电流初值1I 线性增长至终值为2I ，因此上式可写成
on
L on L o t I
L t I I L dt di L
U E ?=-==-12
则
o
L
on U E I L
t -?= （4.4）
式中12I I I L -=?为电感电流的变化量，o U 为输出电压的平均值。
在off t 期间，T 关断，VD 导通续流，根据图4.3(b)的等效电路，电流L i 从2I 线性衰减至1I ，因此有
off
L off L o t I
L t I I L dt di L
U ?-=-==-21
即 o
L
o f f U I L
t ?= （4.5） 从式（4.4）和式（4.5）消去L I ?，可得
off
o on o t U t U E =-)(
即
DE
E T t
E t t t U S
on off on on o ==+=
（4.6）
事实上，由于稳态工况下的电感电压L u 波形周期性地重复，又根据假设电感为理想器 件，故电感电压的平均值在一个周期内必为零。即：
0dt u dt u dt u S
on
on S
T t L t 0
L T 0
L =+=???
这就意味着T 导通和关断的电压波形面积相等，即
)()(on S o off o on o t T U t U t U E -==- 所以有 DE E T t U S
on
o ==
（4.7） 当输入的直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化，与其它电路参数无关。由于占空比D 总是小于等于1，所以输出电压o U 总是小于或等于输入电压E 。因此，这种斩波电路称为降压斩波电路。
由于不考虑电路元件的损耗，则输入功率与输出功率相等，o E P P =或o o E I U EI =，因此输入电流E I 和负载电流o I 之间的关系为 E E o o I D
I U E I 1
==
（4.8） 由图4.2可知，开关器件T 和二极管VD 承受的最大电压均为电源电压E 。
4.2.1.2电感电流断续导电模式
在电感电流连续导电模式下的整个开关周期T S 中，电感电流L i 都大于0，且介于1I 与2
I 之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件T 关断的off t 期间内，电感电流L i 已降为零，且保持一定时间，电路有三种工作状态，即T 导通， VD 截止；T 截止，VD 导通； T 、VD 都截止，电感电流为零。电路的工作原理是：在0=t 时，使T 导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流L i 线性增长至max L I ，储能增加。在on t t =时刻，使T 关断，
L i 通过二极管VD 续流。但在T 的下一个导通周期到来之前，L i 已衰减到零，此时续流二
极管VD 也截止，T 和VD 都截止时的等效电路如图4.5(a)所示，电感电流断续导电模式的电压电流波形如图4.5(b)所示。
U o
-
I
(a)等效电路 (b)电压电流波形
图4.5 L i 断续状态的等效电路和电压电流波形图
根据图4.5的波形可以求得，当T 导通时，电感电压为
on
L L
o t I L dt di L
U E max ==- （4.9） 电流max L I 的大小与T 的导通时间on t 有关。
当T 关断时，电感电压为
'max off
L L
o t I L dt di L
U =-= （4.10） 设S off T t ?='
，则由式（4.9）和式（4.10）可求得
o S o S U T U E DT ?=-)(
即 E D D
U o ?
+= （4.11） 所以 D U U E o
o
-=
? （4.12）
在电感电流断续导电模式下，负载电流平均值o I 为
)2
1
21(1max max S L S L S o T I DT I T I ?+=
即 )(2
1
max ?+=
D I I L o （4.13）
将式（4.9）和式（4.12）代人式（4.13）有
)1(22-=
o
S o U E
D L ET I （4.14）
而当'
off t 等于off t 时，负载电流处于临界连续状态，电感电流L i 临界连续状态的电压电
流波形如图4.6所示。
I
图4.6 L i 临界状态的电压电流波形图
4.2.1.3输出电压纹波
在降压斩波电路中，当滤波电容C 的容量足够大时，输出电压o U 基本不变，近似为恒值。然而电容C 的容量总是有限值的，因此输出电压含有纹波分量。在连续导电模式下，假定L i 中所有纹波分量都流过电容，而其直流分量流过负载电阻。在图4.4 的L i 波形中，当L L I i <时，电容C 对负载放电；在L L I i >时，由电源为C 提供充电电流。由于流过电容C 的电流在一周期内的平均值为零，那么在T S /2时间内电容充电或放电的电荷量可用图4.4中阴影面积来表示，即
L S
L S L off on I T I T I t t Q ?=?=?+=?8
2)2(212)22(21 （4.15）
因此，电压纹波的峰—峰值o U ?为
L S
o I C
T C Q U ?=?=
?8 （4.16） 根据式(4.4)和式(4.5)可求出开关周期T S 为
)
(1
o o L o f f on s S U E U EL I t t f T -?=+==
（4.17） 同时考虑式(4.16)和式(4.17)，可求出
2
2
28)
1(8)1(8)(s o s s o o o L C f D U L C f D ED E LCf U E U U -=-=-=
? （4.18） 由式（4.18）可以根据电路的技术数据来选择滤波电容的参数。电流连续时的输出电压纹波系数为
2
22
))(1(28)1(s
c s o o f f D LCf D U U -=-=?π （4.19） 式中 S s T f 1=是Buck 电路的开关频率；LC
πf c 21=
为LC 低通滤波器的固有频率。
式（4.19）说明可以通过选择合适的L 、C 的值，使c f <
电感电流在一个周期内的平均值与负载电流o I 相等，在电流连续时，可表示为
2
1
2I I I I L o +=
= （4.20） 由式（4.17）可求得电感电流连续工况时电流纹波的峰—峰值，即
L
f D ED LE f U E U I s s o o L )
1()(-=-=
? （4.21）
将式（4.20）和式（4.21）代入关系式12I I I L -=?，可得
)1(21D D L
ET I I S
o --
= （4.22） 当电路处于临界工况时，电感电流在斩波周期结束时，恰好等于零。由图4.6知，此时
01=I ，max 2L I I =，参考式（4.4），则临界电感电流平均值为
)1(2)(22121D D L
E T U E L DT t L E-U I I S o S on o
Lmax LB -=-===
（4.23） 由式（4.23）可求得临界电感值为
)1(2D D I E
T L LB
S B -=
（4.24） 在5.0=D 时，电感电流最大，也即输出电流最大，即
L
E
T I S LBmax 8=
（4.25） 那么，可以根据电流的临界值来选择电流连续时的最小电感值，其大小为
LBmax
S Bmin I E
T L 8=
（4.26）
需要指出的是流过开关器件T 和二极管VD 的电流最大值就是电感电流的最大值，据此可以选择器件的电流参数。
由于降压(Buck)斩波电路电源的输入电流为断续方式，而负载侧因电感L 的存在，所以在电流连续工作情况下，输入电流脉动较大，输出电流脉动相对较小，因此其应用受到一定的限制。但由于电路结构简单，常用在要求不高的场合，如需要降压的直流开关稳压电源和小功率直流电动机的调速。
例4.1斩波电路如图4.2所示。输人电压为27V±10％，保持输出电压为15V 不变，电路的最大输出功率为120W ，最小功率为10W 。IGBT 饱和导通电阻R T ＝0.2Ω，轻载时关断时间为5μs ，忽略开通时间，若工作频率为30 kHz 。
(1)求占空比D 变化范围；
(2)保证整个工作范围内电感电流连续时的电感L 值； (3)当输出纹波电压mV U o 100=?时，求滤波电容C 值；
(4)如电感临界电流的平均值I LB =4A ，求电感L B 值，并求在最小输出功率时的占空比； (5)如电感的等效电阻R L =0.025Ω，在最低输出电压最大输出功率时，求最大占空比和效率。
解：
(1)电源电压最大值7.291.02727=?+=max E ，最小值3.241.02727=?-=min E ，所以占空比D 的变化范围为505.07.29/15≈=min D 和617.03.24/15≈=max D 。
(2)由式（4.7）和式（4.24）可求得临界电感
)1(2)1(2)1(2)1(22
2D f P U D U I U T D E U I E T D D I E T L S
o o
o LB o S o LB S LB S B -=-=-=-=
式中，o P 为电路的输出功率，此处应取最小值10W ；S f 为开关频率30 kHz ；D 应取最小值0.505，则
mH D f P U L S o o B 168.0505.0-1103010215)1(23
2
2
≈???=-=）（
(3)由式（4.18）可求得
F f U L D U C s o o μ44.5510301010010618.08505.0-1158)1(3
-3-32≈??????=?-=
）
（
式中，D 应取最小值0.505。
(4) 由式（4.7）和式（4.24）可求得I LB =4A 时的临界电感
mH D f I U D D I E T L S LB o LB S B 031.0505.0-110304215
)1(2)1(23
≈???=-=-=
）（ 当电感值为0.031mH 时，若输出功率只有10W ，此时电路工作在断续状态。设断续状态下的输出电压与输入电压之比为M ，则)/(/?+==D D E U M o 。由式（4.13）得
S o
L L o o T D D L
U E D I D I I R U )(2)(21)(21max ?+-=?+=?+?==
由式（4.9）解出得max L I ，带入上式并在等式两边同时除以E 整理可得
)1)((2E
U
D D L RT
E U o S o -?+= 解得
)
/(2?++==
D D D
E U M L o τ
式中S L RT L /=τ。与)/(?+=D D M 比较，可知)/(2?+=?D L τ，解得
)
18-122-=?D
D L τ（
所以 2
8112D
D D
E U M L
o τ++=?
+==
进而求得 M
M
D L
-=12τ
根据已知数据得
041
.010301101510031.03
2-3
=??
?==S L RT L τ
当E ＝24.3V 时，M 取最大值
617.03
.2415===
E U M o
所求占空比 25.0617
.0.1041
.02617.012=?=-=M M
D L τ
(5)设电路工作在连续状态，此时根据有功功率恒定的原理有2
2E T o L o E I R I R P EI ++=，
而A U P I o o o 815/120/===，则2
22.08025.01203.24E E I I +?+=。解得A I E 23.5=，
所以
%42.9923.53.24/(120/=?==）E o EI P η
4.2.2升压斩波电路
升压斩波电路又称Boost 斩波电路，用于将直流电源电压变换为高于其值的直流输出电压，实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递。采用IGBT 作为开关器件的电路拓扑结构如图4.7所示。
U O +
-+
-u i
图4.7升压型斩波电路的拓扑结构图
4.2.2.1电感电流连续导电模式
设开关器件T 的控制信号为G U （G U 的波形如图4.9所示）。当G U 为高电平时T 导通，
G U 为低电平时T 关断。T 导通与关断时的等效电路分别如图4.8 (a)、(b)所示。
电路工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在0=t 时，使T 导通，二极管VD 承受反压而截止，电源电压E 全部加到电感L 上，电感中的电流L i 从1I 线性增长至2I ，储能增加；同时由电容C 为负载R 提供能量，对应的等效电路如图4.8 (a)所示。
在on t t =时刻，使G U 为低电平，T 关断，因电感电流不能突变，L i 通过VD
将存储的能量提供给电容和负载，即电感储能传递到电容、负载侧。电感中的电流L i 从2I 线性减少至1I ，储能减少，产生的感应电势阻止电流减少，感应电势0
U O +
-
u
+-
U O u
(a) T 导通VD 截止 (b) VD 导通T 截止
图4.8连续导电模式升压斩波电路等效电路图
由上分析可知，在T 导通期间，即on t 期间，E u L =，因此有
on
L on L L t I
L t I I L dt di L
E u ?=-===12 （4.27）
或
E
I L
t L
on ?= （4.28） 式中12I I I L -=?为电感L 中电流的变化量。而在Ｔ关断期间，即off t 期间，
o L U E u -=，有
off
L off L o L t I
L t I I L dt di L
U E u ?-=-==-=21
即 off
L
o t I L
E U ?=- （4.29）
所以 L o off I E
U L
t ?-=
（4.30）
从式（4.28）和式（4.30）消去L I ?，整理可得
E D
U o -=
11
（4.31） 式中占空比S on T t D =，因10≤ 在理想的情况下，电路的输入功率等于输出功率，即E P =o P 或o o E I U EI =。因此输 入电流E I 和负载电流o I 之间的关系为 E E o o I D I U E I )1(-== （4.32） u o 图4.9升压斩波电路的工作波形图 由图4.7可知，开关器件T 和二极管VD 承受的最大电压均为输出电压o U 。 4.2.2.2电感电流断续导电模式 与Buck 电路类似，Boost 电路的工作模式也分连续和断续两种工作状态。当电路处于断续工作状态时，在开关管T 关断的off t 期间内，输出电感电流L i 已降为零，且保持到下一个周期开始。电路同样有三种工作状态，即T 导通，VD 截止；T 截止，VD 导通； T 、VD 都截止。电路的工作原理是：电路的工作原理是：在0=t 时，使T 导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流L i 线性增长至max L I ，储能增加。在on t t =时刻，使T 关断， L i 通过二极管VD 同时给电容C 充电和为负载R 提供能量。但在T 下一个导通周期到来之 前，L i 已衰减到零，从而出现电流的断续现象，此时T 、VD 都截止。T 、VD 都截止时的等效电路如图4.10(a)所示，电感电流断续模式下的电压电流波形如图4.10(b)所示。 o + - I (a)等效电路 (b)电压电流波形 图4.10 L i 断续状态的等效电路和电压电流波形图 当T 导通时，电感电压为 on L L L t I L dt di L E u max === （4.33） 式中电流max L I 为电感电流最大值，也是电感电流的增量。 当T 关断时，电感电压为 'max off L L o L t I L dt di L U E u -==-= （4.34） 设S off T t ?=' ，则由式（4.33）和式（4.34）可求得 E D U o ? +?= （4.35） 而电源E 的输出平均电流就等于电感的平均电流，通过图4.10(b)用三角形的原理得到，即 )2 1 21(1max max S L on L S E L T I t I T I I ?+= = （4.36） 又有由式（4.33）得 L EDT L t E I S on L ==max （4.37） 由式（4.37）和式（4.36）整理得 )(2?+= =D DT L E I I S E L （4.38） 式（4.38）包含两个部分，第一部分为T 导通时，电感L 从电源E 获取的电流平均值，即为 S T D L E 22；第二部分则为T 关断时，流过二极管VD 的平均电流，即为S T D L E ?2。 由于在一个斩波周期T S 内，流过电容的电流平均值为零，所以在电感电流断续导电模式下，流过负载R 的平均电流就是流过二极管VD 的平均电流。因此，电路输出的平均电流为 ?= D L ET I S o 2 （4.39） 事实上，由图4.10(b)的电流波形可以看出，负载电流平均值为2/max ?=L o I I ，将式（4.37）代入同样可得到式（4.39）。 在断续导电模式下，如果不能在每一个开关周期里对o U 进行控制，则从电源端供给电容和负载的能量至少为 )2/()(2/2 2max L EDT LI S L =。而当负载不能吸收这些能量时， 电容电压将会升高，直到能量平衡为止。因此在轻负载时，o U 的上升可能导致电容器的击穿或出现危害性的高电压，可见这种电路不能工作于轻载或空载情况下。 当图4.10(b)中的' off t 等于off t 时，电感电流L i 处于临界连续状态，其电压电流波形如图4.11所示。 I 图4.11 L i 临界状态的电压电流波形图 4.2.2.3输出电压纹波 由图4.9可知，升压斩波电路在连续工作状态时输出电压的纹波为三角波，假设流过二极管VD 的纹波电流分量全部流过电容C ，而平均电流流过负载电阻R ，图中阴影部分表示电荷Q ?，输出电压纹波的峰—峰电压为 ??==?= ?=?on on t o t C C o dt I C dt i C C Q U U 0 011 C DT R U DT C I t C I S o S o on o ?=== （4.40） 所以 C S S o o τT D RC DT U U ==? （4.41） 式中，RC τC =为时间常数。根据电路的技术数据的要求，由式（4.41）可选择滤波电容的参数。 4.2.2.4临界电感平均电流与临界电感 从式（4.28）和式（4.30）可得 L o o off on s S I E U E L U t t f T ?-=+== ) (1 （4.42） 则 L f ED LU f E U E I s o s o L =-= ?)( （4.43） 式中12I I I L -=?是电感电流连续工况时电流纹波的峰—峰值。电感电流在一个斩波周期内的平均值与电源电流E I 相等，其大小为 2 1 2I I I I E L += = （4.44） 当电路处于临界工况时，01=I ，L L I I I ?==max 2，则临界电感电流平均值为 L f ED I I I I s L Lmax EB LB 22121=?== = （4.45） 由式（4.45）可求得电感电流临界连续时的电感值，为 LB s B I f ED L 2= （4.46） 根据式（4.32），输出电流o i 的连续临界值可表示为oB I ，即 )1(2)1(D D L f E I D I s EB oB -= -= （4.47） 当5.0=D 时，oB I 有最大值，可表示为 L E T I S oBmax 8= （4.48） 由此，可以根据负载电流的临界值来选择负载电流临界连续时的最小电感值，为 LBmax S oBmin I E T L 8= （4.49） 以上讨论是基于电路在输出功率减少时电源电压E 和占空比D 均保持不变的假设条件，常用于直流调速系统中，在这样的系统中，通常要求电源电压不变，而输出电压o U 则随电动机转速变化要求在大范围调整（通过改变占空比D ）。相反在常用的直流开关电源设备中，其输出电压o U 为恒值，对于这种情况，为了维持维持o U 恒定不变，在E 发生变化时，占空比D 必须随之调整。 在式（4.47）中，由于电源电压E 不变，所以输出电流o i 的连续临界值只与占空比D 有关。如考虑维持o U 恒定不变，并将式（4.47）中的E 替换为o U 表示，则在临界连续条件下，将式（4.31）代入式（4.47）并将输出临界连续电流用BE o I 表示，可得 2)1(2D D L f U I s o oBE -= （4.50） 当D=1/3时，oBE I 有最大值并可表示为 L U T I o S oBEmax 272= （4.51） 在BE o o I I <输出电流断续时，将式（4.35）代入式（4.39）并参考式（4.51），整理可得 21 ]/)1/)(/(27 4 [oBEmax o o o I I E U E U D -= （4.52） 由式（4.52）可见，在断续状态下，若保持E U o /为定值，占空比D 必须随o I 的变化而调整。同样由工作波形可知，不论在电流连续还是断续的情况下，流过开关器件T 和二极管VD 电流的最大值和最小值与电感电流相同。 在升压(Boost)斩波电路中，由于电感L 的存在，输入电流连续。但在开关器件T 导通时，负载由电容C 提供电源。因此输入电流脉动较小，而输出电流脉动相对较大，通常被应用于电池供电设备中的升压开关稳压电源和功率因数校正(PFC)电路等场合。 例4.2 升压斩波电路如图4.7所示。设输人电压为27V±10％，输出电压为45V ，输出功率为750W ，效率为95%，若电感的等效电阻R L ＝0.05Ω，IGBT 为理想开关器件。 (1)求最大占空比； (2)如要求输出电压为60V 是否可能？为什么？ 解： (1)输入电流的平均值为E P I o E η/=，设E I 恒定不变，则)1/()(D RI E U E o --=,所以 o o o o o o E U E RP E U U E RP E U RI E D ηη//11+-=--=-- = 当E 取最小值时，D 为最大值，即 24.3V %102727=?-=min E 5.045 ) 3.2495.0/(75005.03.2445≈??+-= max D (2)如果要求输出电压为60V ，此时占空比D 为 62.060 ) 3.2495.0/(75005.03.2460/≈??+-=+-= o o o max U E RP E U D η 理论上说明此电路是可以输出60V 电压的。 4.2.3升降压斩波电路 升降压斩波电路又称Buck-Boost 斩波电路，它是一种既可以升压，又可以降压的变换电路，输出电压相对于输入电压公共端为负极性输出。用IGBT 作为开关器件的电路拓扑结构如图4.12所示。 + -U O 图4.12升降压型斩波电路的拓扑结构图 4.2.3.1电感电流连续导电模式 从图4.12可以看出，随着开关器件T 的通断，能量先存储到电感L 中，然后再由电感向负载释放。电路工作原理如下：设电路已处于稳定工作状态，在0=t 时，使T 导通，二极管VD 反偏而截止。一方面电源电压E 全部加到电感上，电感中的电流L i 从1I 线性增长至2I ，储能增加，能量从直流电源输入并存储到电感L 中；另一方面，电容C 维持输出电压基本恒定并向负载R 供电，等效电路如图4.13 (a)所示。在on t t =时刻，使T 关断，由于电感L 中的电流L i 不能突变，并产生上负下正的感应电动势L u ，当L u 大于负载电压o U 时，VD 导通，电感L 经VD 将存储的能量传递给电容C 和负载R ，等效电路如图4.13 (b)所示。可见，负载电压极性与电源电压极性相反，与降压斩波电路和升压斩波电路的情况也相反，因此该电路也称反极性斩波电路。T 导通和关断工况下各电量的工作波形如图4.14所示。 o + - - U o + -u (a) T 导通VD 截止 (b) VD 导通T 截止 图4.13连续导电模式升降压斩波电路等效电路图 u o 图4.14升降压斩波电路的工作波形图 以上分析可知，在T 导通期间，E u L =，因此有 E t I L t I I L dt di L u on L on L L =?=-==12 （4.53） 即 on L t I L E ?= （4.54） 在Ｔ关断期间， o L U u -=，则有 o off L off L L U t I L t I I L dt di L u -=?-=-==21 即 off L o t I L U ?= （4.55） 在电路稳态工作时，on t 期间电感电流的增加量等于off t 期间的减少量，由式（4.54）和式（4.55）得到 off o on t U Et = （4.56） 将S on DT t =和S off T D t )1(-=代入式（4.56），可求得输出电压平均值，为 E D D U o -= 1 （4.57） 当5.0=D 时，E U o =，输出电压与输入电压大小保持不变；当15.0< E U o >，输出电压的值大于输入电压，为升压变换；当0≤D ＜0.5，E U o <，输出电 压的值小于输入电压，为降压变换。 同样在理想的情况下，电路的输入功率等于输出功率，即E P =O P ，或o o E I U EI =， 因此电源输出电流平均值E I 和负载电流平均值o I 之间的关系为 E E o o I D D I U E I -==1 （4.58） 负载电流o I 还可以表示为 R E D D R U I o o -== 1 （4.59） 在图4.13 (b)中，流过二极管VD 的平均电流就是负载的平均电流，由图4.14的波形可以求得流过二极管VD 的平均电流D I ，为 R E D D I I D I I o D -= +-= =1)(2121 即 R E D D I I 221)1(2)(-= + （4.60） 对电源而言，只在开关器件T 导通期间输出电流，而电感在整个斩波周期都流过电流，根据图4.14所示波形，可求得电源输出电流平均值E I 和电感电流平均值L I ，分别为 R E D D I I D I E 2221)1()(2-=+= （4.61） R E D D I I I L 221)1()(21-=+= （4.62） 容易得到E I 、o I 和L I 之间存在如下关系 L E DI I = （4.63） 和 L o I D I )1(-= （4.64） 应该指出，在电流连续模式下开关器件T 和二极管VD 的电流最大值均为2/L L I I ?+，而件T 截止时承受的电压为)1/(D E U E o -=+，随着D 的增加而增加。同样在T 导通时， 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。 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。 图2.1 （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 降压斩波仿真电路图 仿真波形及分析 占空比为40％ 电力电子电路建模与仿真实验实验二 DC/DC直流斩波电路的仿真 姓名： 所在院系： 班级： 学号： 一、实验目的 1 进一步掌握PSIM软件的使用方法。 2 学习常用直流斩波电路的建模与仿真方法。 3 加深理解各斩波电路的工作原理和不同变换特性。 二、实验内容、步骤与结果 1 降压斩波电路 （1）、按图2-1设计仿真电路，设置电路参数，使其工作在连续模式，记录开关电压，输出电压与电流的波形及相应的仿真参数。 图2-1（电路原理图） 连续电路参数：L =1H ；R =100欧；F=50HZ；E=100V;占空比：0.8； 仿真时间t=0.1s。 仿真波形： 图2-1-1（连续模式） （2）、改变电路参数，使其工作在非连续模式，在记录开关电压、输出电压与电流的波形及相应得的真参数。 非连续电路参数：L =0.1H ；R =100欧；F=50HZ；E=200V;占空比：0.6；仿真时间t=1s。 仿真波形： 图2-1-2（非连续电路续模式） （3）、测量输出电压的直流分量，分析它与占控比的关系，并与理论值进行对比。电压的直流分量与波形：80V 实验结果分析： (1)电压的直流分量计算公式：α 其中a=0.8,且E=100 故理论计算值U0=80 实际测量值U0=80 可见直流电压分量与占空比成正比。实际测量值与理论计算值相差无几， 极为接近。说明仿真是很准确的，结果真实可信。 2 升压斩波电路 （1）、按图2-2设计仿真电路，设置电路参数，使其工作在连续模式，记录开关电压，输出电压与电流的波形及相应的仿真参数。 图2-2（电路原理图及改进电路） 连续电路参数L =20mH ；R =20欧姆；C=220uF；F=1000HZ；E=100V;占空比：0.5 ；仿真时间t=50ms。 湖南工学院 课程设计说明书 课题名称：直流升压斩波电路的设计专业名称：自动化 学生班级：自本0903班 学生姓名：曾盛 学生学号： 09401040322 指导教师：桂友超 电力电子技术课程设计任务书 一、设计任务和要求 （1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。 （2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。 （3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。 （4）广泛收集相关资料。 （5）独立思考，刻苦专研，严禁抄袭。 （6）按时完成课程设计任务，认真、正确的书写课程设计报告。 二、设计内容 （1）明确设计任务，对所要设计地任务进行具体分析，充分了解系统性能，指标要求。 （2）制定设计方案。 （3）迸行具体设计：单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。 （4）撰写课程设计报告（说明书）：课程设计报告是对设计全过程的系统总结。 三、技术指标 斩波电路输出电压为340±5V，直流升压斩波电路输入电压为直流流24V~60V，输出功率为100W。 绪论 ........................................................... - 1 - 第1章直流升压斩波电路的设计思想 .............................. - 3 - 1.1直流升压斩波电路原理..................................... - 3 - 1.2参数计算................................................. - 4 - 第2章直流升压斩波电路驱动电路设计 ............................ - 5 - 第3章直流升压斩波电路保护电路设计 ............................ - 6 - 3.1过电流保护电路........................................... - 6 - 3.2过电压保护电路........................................... - 6 - 第4章直流升压斩波电路总电路的设计 ............................ - 7 - 第5章直流升压斩波电路仿真 .................................... - 8 - 5.1仿真模型的选择........................................... - 8 - 5.2仿真结果及分析........................................... - 8 - 第6章设计总结 ............................................... - 10 - 参考文献 ...................................................... - 11 - 附录：元件清单 ................................................ - 12 - 课程名称：电力电子技术指导老师：马皓成绩：__________________实验名称：直流斩波电路的研究实验类型：_________________同组学生姓名：___________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 * 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的 1、熟悉六种直流斩波电路（Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta）的工作原理与 特点； 2、掌握六种直流斩波电路在负载电流连续工作时的工作状态以及负载波形。 二、实验内容 1、分别按照六种直流斩波电路的结构分别连接对应的试验电路； 2、分别观察六种不同直流斩波电路在电路不同占空比的PWN波时的工作情况，并记录负载 电压，与理论值进行比较，分析实验结果。 、 三、主要实验设备与仪器 1、MPE-I电力电子探究性实验平台 2、NMCL-22H直流斩波电路 3、NMCL-22H-CK直流斩波电路插卡 4、NMCL-50数字直流表 5、示波器 四、实验线路 1、Buck chopper降压斩波电路 （1）将PWN波形发生器的占空比调节电位器左旋到底（使占空比最小），输出端“VG-T”端接到斩波电路中IGBT管VT的”G“端，将PWN的”地“接到斩波电路中IGBT的”E“端，按照下图接成Buck chopper斩波器； （2）检查电路无误后，闭合电源开关，用示波器观察PWN输出波形，调节PWN触发器的电位器RP1，即改变触发脉冲的占空比记录占空比10%~80%实际负载电压，观察PWN占空比分别为10%、50%、80%下的负载电压波形。 ` 2、Boost chopper升压斩波电路 （1）按照下图接成Boost chopper电路，电感电容任选，负载电阻为R； （2）参照Buck chopper斩波电路，改变触发脉冲的占空比记录占空比10%~80%实际负载电压； （3）观察PWN占空比分别为10%、50%、80%下的负载电压波形。 3、Buck-Boost chopper升压斩波电路 实验四直流斩波电路的性能研究 一．实验目的 熟悉降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路(Boost Chopper)和升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）的工作原理，掌握这三种基本斩波电路的工作状态及波形情况。 二．实验内容 1．熟悉SG3525芯片。 2．降压斩波电路的波形观察及电压测试。 3．升压斩波电路的波形观察及电压测试。 4．升降压斩波电路的波形观察及电压测试。 三．实验设备及仪器 1．NMCL－22现代电力电子电路和直流脉宽调速实验箱。 2．双踪示波器。 四．实验方法 1．熟悉SG3525。 闭合开关S1，观察SG3525的13端子，将有方波输出。调节“脉冲宽度调节”电位器RP，可调节占空比。 2．按照实验箱上所示电路 （1）任意选择电阻、电感和电容，分别组成降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路(Boost Chopper)和升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）。 （2）闭合开关S8，接通主电路。观察UPW输出的方波信号，记录占空比α。观察输入电压u i、输出电压u0的波形。 （3）改变负载R、电感L、电容C的值，观察电压u i和u0的波形有何变化。并据此判断各个器件值的大小。 （4）实验完成后，断开主电路电源，拆除所有导线。 五．注意事项： 实验过程当中先加控制信号，后加“主电路电源2”。（即，先合S1，后合S8。）六．实验报告 记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，输入电压u i波形，输出电压u0波形，计算Ui、Uo，并绘制降压斩波电路的Uo/Ui-α曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。 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 .降压斩波电路............................................... ..6 .直流斩波电路工作原理及输出输入关系 (12) 三................................................................... 控制实现. (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D(y DC变换器的设计与实现，具体地分析了该DQ7DC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DQ7 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： U o t on E t on E I U 0 E M 1 0R 式中G为V处于通态的时间；t°ff为V处于断态的时间；T为开关周期；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t on不变，称为PWM 2) 保持开关导通时间t on不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。 3) t on和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 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二E,负载电流i o 按 指数曲线上升 2) t=t 1时刻控制V关断，负载电流经二极管V□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 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。 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 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 直流降压斩波电路的设计 摘要: 本实验设计的是Buck降压斩波电路，采用全控型器件IGBT。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路。 关键词:降压斩波，主电路、控制电路、驱动及保护电路。 引言：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，是电力电子领域的一大热点。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式，频率调制方式和混合型。脉宽调制方式较为通用。当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI 软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达 27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。 1设计目的 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是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）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流—交流—直流的情况，其中IGBT 降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。 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 湖南工程学院应用技术学院课程设计 课程名称电力电子技术 课题名称DC-DC变换电路分析 专业电气工程 班级 学号 姓名 指导教师李祥来 2014 年月日 湖南工程学院 课程设计任务书 课程名称：电力电子技术 题目：DC-DC变换电路分析 专业班级：电气1184 学生姓名： 学号： 指导老师： 审批： 任务书下达日期2014年月日 设计完成日期2014年月日 前言 直流-直流变流电路（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路，直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper）,它的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此，也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。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。 直流斩波电路的种类较多，包括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。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。 降压斩波电路（Buck Chopper）的设计与分析是接下来课程设计的主要任务。。 目录 一．降压斩波电路 (7) 1.1 降压斩波原理： (7) 1.2 工作原理 (8) 1.3 IGBT结构及原理 (8) 二．直流斩波电路的建模与仿真 (11) 2.1IGBT驱动电路的设计.................................... 错误！未定义书签。 2.2电路各元件的参数设定................................ 错误！未定义书签。 2.3元件型号选择 ............................................... 错误！未定义书签。 2.4仿真软件介绍 ............................................... 错误！未定义书签。 2.5仿真电路及其仿真结果................................ 错误！未定义书签。 2.6仿真结果分析 ............................................... 错误！未定义书签。三．课设体会与总结. (19) 四．附录（完整电路图） (19) 五．参考文献 (19) 六．课程设计成绩表 (19) 电力电子技术课程设计说明书直流降压斩波电路的设计 院、部： 学生姓名： 指导教师：职称 专业： 班级： 完成时间： 摘要 直流降压斩波电路又称为Buck变换器，它对输入电压进行降压变换。通过控制电路的占空比即通过IGBT来控制降压斩波电路的输出电压。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。 首先分析了直流斩波主电路（即Buck变换器）的工作原理，计算了电路的电压电流和IGBT承受的正反向电压，按照留有裕量的选型原则，选择了IRG4PC40U型号的IGBT，并对其参数进行了介绍。利用PWM控制芯片SG3525作为触发电路的核心部件，最后利用MATLAB建立了仿真模型，设置了模型的参数，并进行了仿真。仿真结果证明了设计的正确性。 关键字：设计；仿真；直流降压斩波；Buck 目录 1 绪论 (1) 1.1 设计的背景与意义 (1) 1.2 直流斩波发展现状 (1) 1.3 本设计主要内容 (2) 2 直流斩波主电路的设计 (3) 2.1 设计原始参数 (3) 2.2 直流斩波电路原理 (3) 2.3 主电路的设计 (4) 2.3.1 直流降压斩波电路 (4) 2.3.2 直流降压斩波电路参数计算 (4) 2.3.3 主电路参数分析 (5) 3 控制电路设计 (7) 3.1 PWM控制芯片SG3525简介及特点 (7) 3.2 SG3525内部结构及工作特性 (7) 3.3 触发电路 (9) 4 仿真调试 (10) 4.1 仿真软件的介绍 (10) 4.2 仿真模型建立 (10) 4.3 仿真结果分析 (12) 结束语 (15) 参考文献 (16) 致谢 (17) 附录 (18) 附录A：元件清单 (18) 附录B：主电路CAD图 (19) 实验四直流斩波电路实验 一．实验目的 1．加深理解斩波器电路的工作原理 2．掌握斩波器的主电路，触发电路的调试步骤和方法。 3．熟悉斩波器各点的波形。 二．实验内容 1．触发电路调试 2．斩波器接电阻性负载。 3．斩波器接电阻—电感性负载。 三．实验线路与原理 本实验采用脉宽可调逆阻型斩波器。其中VT1为主晶闸管，当它导通后，电源电压就加在负载上。VT2为辅助晶闸管，由它控制输出电压的脉宽。C和L1为振荡电路，它们与VT2、VD1、L2组成VT1的换流关断电路。斩波器主电路如图4-14所示。接通电源时，C经VD1，负载充电至+Udo，VT1导通，电源加到负载上，过一段时间后VT2导通，C和L1产生振荡，C上电压由+Vdo变为-Vdo，C经VD1和VT1反向放电，使VT1、VT2关断。 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，从而达到调压的目的，VT1、VT2的脉冲间隔由触发电路决定。 四．实验设备及仪器 1．MCL系列教学实验台主控制屏。 2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。 3．MCL—33组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）。 4．MCL—06组件或MCL—37 5．MEL—03三相可调电阻器(或自配滑线变阻器450 ，1A) 6．双踪示波器 7．万用表 五．注意事项 1．斩波电路的直流电源由三相不控整流桥提供，整流桥的极性为下正上负，接至斩波电路时，极性不可接错。 2．实验时，每次合上主电源前，须把调压器退至零位，再缓慢提高电压。 3．实验时，若负载电流过大，容易造成逆变失败，所以调节负载电阻，电感时，需注意电流不可超过0.5A。 4．若逆变失败，需关断主电源，把调压器退至零位，再合上主电源。 5．实验时，先把MCL-18的给定调到0V，再根据需要调节。 六．实验方法 1．触发电路调试 打开MCL—06面板右下角的电源开关（或接人MCL—37低压电源）。 调节电位器RP，观察“2”端的锯齿波波形，锯齿波频率为100Hz左右。 调节“3”端比较电压（由MCL-18给定提供），观察“4”端方波能否由0.1T连续调至0.9T（T为斩波器触发电路的周期）。 用示波器观察“5”、“6”端脉冲波形，是否符合相位关系。 用示波器观察输出脉冲波形，测量触发电路输出脉冲的幅度和宽度。 2．斩波器带电阻性负载 按图2-14实验线路连好斩波器主电路，接上电阻负载（可采用两只900Ω电阻并联），并调节电阻负载至最大，并将触发电路的输出G1、K1、G2、K2分别接至VT1、VT2的门极和阴极。 三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏U、V、W输出电压至线电压为110V。用示波器观察并记录触发电路“1”、“2”、“4”、“5”、“6”端及U G1K1、U G2K2的波形，同时观察并记录输出电压u d=f（t），输出电流id=f（t），电容电压u c=f （t）及晶闸管两端电压u VT1=f（t）的波形，并注意各波形间的相位关系。 调节“3”端电压，观察在不同τ（即U G1K1和U G2K2脉冲的间隔时间）时u d的波形，并记录U d和τ数值，从而画出U d=f(τ/T)的关系曲线。其中τ/T为占空比。 注意负载电阻不可以太小，否则电流太大容易造成斩波失败。 3．斩波器带电阻，电感性负载 断开电源，将负载改接成电阻电感。然后重复电阻性负载时同样的实验步骤。 六．实验报告 1．整理记录下的各波形，画出各种负载下U=f(τ/T)的关系曲线。 2．讨论分析实验中再现的各种现象。 第一章电路总体思路，基本结构和原理框图 1.1 电路总体思路 直流斩波电路功能是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。 在设计直流斩波电路过程中，日常所用的电源一般都是220V 交流电，在设计中首先通过变压器降压，然后用整流电路将交流电转变为直流电，经过绿波电路滤掉高次谐波，从而获得直流斩波电路的输入电压。控制和驱动电路，采用直接产生PWM的专用芯片SG3525，该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路，通过驱动电路对信号进行放大，放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。过压和过流保护电路，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。 1.2 基本结构 直流斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。 主电路模块，主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。 控制电路模块，可用直接产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。 驱动电路模块，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端 和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。 1.3 原理框图 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。 直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。如图1—1所示： 图1—1 总电路原理框图 第二章主电路各单元的设计 2.1 直流供电电路和滤波电路 生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RL低通滤波器（通过 I T直流斩波电路的设计 精选文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8- 目录 1设计原理分析 (1) 1.1总体结构分析 (1) 1.2主电路的设计 (1) 1.3触发电路的设计 (2) 1.4驱动电路设计 (3) 1.5保护电路分析 (5) 2仿真分析与调试 (6) 2.1建立仿真模型 (6) 2.2仿真结果分析 (8) 3确定实际参数 (11) 心得体会 (12) 参考文献 (14) 附录： (15) IGBT直流斩波电路的设计 1设计原理分析 1.1总体结构分析 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。它在 电源的设计上有很重要的应用。一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。在这里，我所设计的是基于IGBT 的降压斩波短路。 直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱 动电路模块。电路的结构框图如下图（图1）所示。 图1 电路结构框图 除了上述主要结构之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电 路与主电路的电器隔离。 1.2主电路的设计 主电路是整个斩波电路的核心，降压过程就由此模块完成。其原理图如图2所 示。 io L 开始 断，而电感L 足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。 降压斩波的典型波形如下图所示。 t O T i G t on t off i o a) E M i G i 图2中的负载为电动机，是一种放电动式负载。反电动势负载有电流断续和电 流连续两种工作状态。分别入图3中b ）和a ）所示。 无论哪一种情况，输出电压的平均值都与负载无关，其大小为： （1-1） T on 表示导通的时；T off 表示截止的时间 ；A 表示导通时间占空比。 对于输出电流，当Uo>E 时电流连续，输出电流平均值大小为： （1-2） 当Uo 课程设计说明书 题目名称：直流斩波电路的设计 系部：电力工程系 专业班级：新能源13-1 学生姓名：谢程程 学号：2013231292 指导教师：张海丽 完成日期：2015.6.13 新疆工程学院 课程设计评定意见 设计题目直流斩波电路的设计 系部__电力工程系_____ 专业班级新能源13-1 学生姓名__谢程程_________ 学生学号2013231292 评定意见： 评定成绩： 指导教师（签名）：年月日 （此页背书） 评定意见参考提纲： 1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。 2、学生的勤勉态度。 3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。 新疆工程学院 电力工程系(部)课程设计任务书 2014/2015学年第二学期2015年 6 月15日 教研室主任（签名）系（部）主任（签名） 摘要 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器。直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况； 本文主要介绍的是直流斩波电路的设计，通过对直流源，控制电路，驱动电路和保护电路的设计完成整个直流斩波电路的设计。通过示波器很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，利用自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。硬件电路设计，它通过Protel等软件设计完成。 关键词：直流斩波控制驱动保护 目录 摘要 1 直流斩波主电路的设计............................ 错误!未定义书签。 1.1 电力电子技术介绍............................ 错误!未定义书签。 1.1.1 电力电子技术的内容..................... 错误!未定义书签。 1.1.2 电力电子技术的发展................. 错误!未定义书签。 1.1.3 电力电子技术的重要作用............... 错误!未定义书签。 1.1.4 电力电子技术课程的学习要求 (2) 1.2 直流斩波电路介绍............................ 错误!未定义书签。 1.3 直流斩波电路原理............................ 错误!未定义书签。 1.3.1 直流降压斩波电路....................... 错误!未定义书签。 1.3.2 降压斩波电路实验室验证 (7) 1.3.3 直流升压斩波电路 (9) 1.4 主电路的设计................................ 错误!未定义书签。 1.4.1 课程设计的目的......................... 错误!未定义书签。 1.4.2 课程设计的任务与要求................... 错误!未定义书签。 1.4.3 设计方案选定与说明..................... 错误!未定义书签。 2 触发电路设计...................................... 错误!未定义书签。 2.1控制及驱动电路设计........................... 错误!未定义书签。 2.1.1 PWM控制芯片SG3525简介................ 错误!未定义书签。 2.1.2 SG3525内部结构及工作特性............ 错误!未定义书签。 2.1.3 SG3525的工作原理...................... 错误!未定义书签。 2.1.4 控制电路工作原理....................... 错误!未定义书签。 2.2 驱动电路的设计.............................. 错误!未定义书签。 2.3 保护电路的原理与设计 (18) 2.3.1 过电压保护 (18) 2.3.2 过电流保护 (19) 2.4触发电路 (19) 2.5系统总电路................................... 错误!未定义书签。 3 电路仿真.......................................... 错误!未定义书签。 3.1 触发电路的仿真.............................. 错误!未定义书签。 3.1.1 Multisim仿真电路的建立................ 错误!未定义书签。 3.1.2 触发电路的仿真结果及分析............... 错误!未定义书签。 3.2 直流降压斩波电路的仿真及分析................ 错误!未定义书签。 3.2.1 Multisim仿真电路的建立................ 错误!未定义书签。实验四·直流斩波电路BUCK电路
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