电力电子第3章 直流斩波电路

课程设计汇报课题名称：直流斩波电路旳设计电力电子技术课程设计任务书系：电气与信息工程系年级：专业：自动化直流斩波电路旳功能是将直流电变为另一种固定旳或可调旳直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流旳状况，不包括直流-交流-直流旳状况；直流斩波电路旳种类诸多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。

此外尚有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。

斩波器旳工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，变化ton）和频率调制方式（ton不变，变化Ts）。

本设计是基于SG3525芯片为关键控制旳脉宽调制方式旳升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。

Multisim重要是仿真分析，借助其强大旳仿真功能可以很直观旳看到PWM控制输出电压旳曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量旳关系，运用软件自带旳电表和示波器能直观旳分析多种输出成果。

第二部分是硬件电路设计，它通过Protel等软件设计完毕。

关键字：直流斩波；PWM；SG35251 直流斩波主电路旳设计 (1)1.1 直流斩波电路原理 (1)直流降压斩波电路 (1)直流升压斩波电路 ........................................... 错误!未定义书签。

1.2 主电路旳设计.............................................................. 错误!未定义书签。

直流降压斩波电路 ........................................... 错误!未定义书签。

直流降压斩波电路参数计数 ........................... 错误!未定义书签。

直流升压斩波电路 ........................................... 错误!未定义书签。

目录第1章电力电子器件 (1)第2章整流电路 (4)第3章直流斩波电路 (20)第4章交流电力控制电路和交交变频电路 (26)第5章逆变电路 (31)第6章 PWM控制技术 (35)第7章软开关技术 (40)第8章组合变流电路 (42)第1章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。

或：u AK >0且u GK >0。

2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

3. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。

π4π4π25π4a)b)c)图1-43图1-43 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m=π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41 I mI 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I ≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b) I m2≈6741.0I ≈232.90,I d2≈0.5434 I m2≈126.56c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.55. GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构，为什么GTO 能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构，由P 1N 1P 2和N 1P 2N 2构成两个晶体管V 1、V 2,分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶闸管的分析可得，1α+2α=1是器件临界导通的条件。

一、设计项目与要求1、输入直流电压U i=60V,R=8Ω；2、输出电压范围为0-100V，试选用合适斩波电路；3、计算占空比α=23%和α=59%时，负载两端输出电压和电流；4、画出α=23%和α=59%时斩波电路的电压电流波形分析图；5、IGBT的工作特性分析。

二、电路原理图设计2.1主电路的设计斩波电路: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。

升降压斩波斩波电路结构Boost型升降压斩波变换器的特点是输出电压可以低于电源电压，也可以高于电源电压，是将降压斩波和升压斩波电路结合的一种直接变换电路。

主要由功率开关、二极管、储能电感、输出滤波电容等组成。

本次课题是在输入直流电压为60V时，想要输出电压的范围为0-100V，故而要选择的斩波电路应为升降压斩波斩波电路。

图1升降压斩波电路原理图2.2触发电路设计斩波器触发电路由三部分组成，图2为斩波器触发电路的原理图。

第一部分为由幅值比较电路U1和积分电路U2组成一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。

电位器RP1用来调节锯齿波的上下位置，电位器RP2用来调节锯齿波的频率，频率从100到700Hz可调。

由于晶闸管的开关速度及LC振荡频率所限，所以在斩波实验中我们一般选用200Hz这一范围。

第二部分是比较器部分。

比较器U3输入的一路是锯齿波信号，另一路是给定的电平信号，输出为前沿固定后沿可调的方波信号。

改变输入的电平信号的值，则相应改变了输出方波的占空比。

第三部分是比较器产生的方波送到4098双单稳电路U4，单稳电路则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图4所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变，输出的脉冲经三极管放大通过脉冲变压器输出。

将上述两脉冲分别送至主晶闸管及辅助晶闸管，其中方波前沿触发脉冲G1、K1接主晶闸管VT1，而后沿触发脉冲G2、K2接辅助晶闸管VT2。

实验三 直流斩波电路实验一·实验目的1.掌握Buck 电路的基本组成和工作原理；2.熟悉Buck 电路的基本特性；3.掌握Buck 电路的PSIM 仿真模型；4.熟悉电力电子实验台PTS-1000的操作和功能；5.通过直接的波形展示，了解输出电压的纹波。

二·实验设备本实验需要掌握降压型直流斩波电路即Buck 电路的工作特性。

实验时，直流电源GW PSW 160-7.2 360W 接入Buck 电路输入端，直流电源输出电压操作范围为30~70V ，直流负载GW PEL-2004与PEL-2040接入Buck 电路输出端，采用示波器GW GDS-2304A/GDS-2204E 观察电路电压电流信号。

Buck 电路模块本实验设备如图3-1所示，输入电压因安全考虑设定在50V ，输出电压为24V 。

输入端先经过一个10A 的保险丝，接着并联两个100uF/250V 输入电解电容，随后一个由MOS 与二极管及电感(365uH)组成的降压式转换器，后端为三个100uF/250V 的输出电解电容并联，最后接至输出端。

图3-1 Buck 电路实验模块辅助电源该模块输入电压范围为100~250V ，输出为三组不共地的隔离电源，分别是(1)12V (2)12V ,5V (3)15V ,-15V ，如图3-2所示。

图3-2 辅助电源MOS管驱动电路驱动电源模块由门极驱动电路和门极驱动电源电路组成，图3-3左为门极驱动电路，右为门极驱动电源电路。

输入一个12V电压至门极驱动电源，其输出为±12V的方波。

门极驱动电路的输入为此±12V的方波和由DSP产生的PWM信号，输出为驱动MOS的信号。

图3-3 MOS管驱动电路JTAG烧录电路此电路可将计算机中的程序代码烧录至DSP芯片，如图3-4所示，计算机通过该电路与DSP连接。

图3-4 JTAG烧录电路直流电源GW PSW 160-7.2GW PSW 160-7.2 360W直流电源，额定电压输入为160V，输出功率360W，如图3-5所示，图3-5 直流电源GW PSW 160-7.2示波器GDS-2304A/GDS-2204E测量波形信号时使用GDS-2304A (或GDS-2204E)，4通道，彩色数字储存示波器，如图3-6所示，图3-6 示波器GDS-2304A/GDS-2204E直流负载PEL-2000直流负载使用PEL-2040与PEL-2004，如图3-7所示，具有编辑功能，可模拟负载的实际状况。

第3章 直流斩波电路1．简述图3-1a 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t on ，由电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，u o ＝E 。

然后使V 关断一段时间t off ，此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，u o ＝0。

一个周期内的平均电压U o ＝E t t t ⨯+offon on。

输出电压小于电源电压，起到降压的作用。

2．在图3-1a 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 。

解：由于L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为U o =E T t on =5020020⨯=80(V) 输出电流平均值为I o =R E U M o -=103080-=5(A)3．在图3-1a 所示的降压斩波电路中，E =100V ， L =1mH ，R =Ω，E M =10V ，采用脉宽调制控制方式，T =20μs ，当t on =5μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，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t on =3μs 时，重新进行上述计算。

解：由题目已知条件可得：m =E E M =10010= τ=RL =5.0001.0=当t on =5μs 时，有ρ=τT = =τont =由于11--ραρe e =1101.00025.0--e e =>m所以输出电流连续。

此时输出平均电压为U o =E T t on =205100⨯=25(V) 输出平均电流为I o =R E U M o -=5.01025-=30(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为I max =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----ραρ11=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----e e =(A)I min =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---11ραρ=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---e e =(A) 当t on =3μs 时，采用同样的方法可以得出： αρ=由于11--ραρe e =1101.0015.0--e e =>m 所以输出电流仍然连续。

电力电子技术直流斩波电路的性能研究实验总结
备注：序号（一）、（二）、（三）、（四）为实验预习填写项。

五、实验内容与步骤
图1 降压斩波电路的原理图及波形
图2 升压斩波电路的原理图及波形
图3 升降压斩波电路的原理图及波形
1、控制与驱动电路的测试
（1）启动实验装置电源，开启PE-19 控制电路电源开关。

（2）调节PWM 脉宽调节电位器改变Ur，用数字存储示波器分别观测SG3525 的第11 脚与第14 的波形，观测输出PWM 信号的变化情况。

（3）用示波器分别观测A、B 和PWM 信号的波形，记录其波形、频率和幅值。

（4）用数字存储示波器的两个探头同时观测11 脚和14 脚的输出波形，调节PWM 脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM 信号，测出两路信号的相位差，并测出两路PWM 信号之间最小的“死区”时间。

2、直流斩波器的测试
斩波电路的输入直流电压Ui 由三相调压器输出的单相交流电经DJK20 挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。

接通交流电源，观测Ui 波形，记录其平均值。

直流斩波电路设计方案和方案实施2.1 设计方案选择斩波电路有三种控制方式（1）脉冲宽度调制（PWM ）：开关周期T 不变，改变开关导通时间ton 。

（2）频率调制：开关导通时间ton 不变，改变开关周期T 。

（3）混合型：开关导通时间ton 和开关周期T 都可调，改变占空比。

本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT ，它集中了电力MOSFET 和GTR 得优点。

2.2 升压斩波电路的设计原理原理图如图3-5所示：假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为I1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压o U 为恒值,记为o U 。

设V 通的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on t EI 1V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。

设V 断的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为 offOt I E U 1)(- （2-1）稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等化简得： off O ont I E U t EI 11)(-= （2-2）E t TE t t t U offoffoffon O =+=（2-3）1/≥off t T ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

也称之为boost chooper变换器。

offt T /——升压比，调节其即可改变o U 。

将升压比的倒数记作β，即Tt off =β。

和导通占空比，有如下关系：1=+βα （2-4）因此，式（2-2）可表示为（2-5）升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：① L 储能之后具有使电压泵升的作用 ② 电容C 可将输出电压保持住2.3 IGBT 驱动电路选择对IGBT 驱动电路提出以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压GS U 有足够陡峭的前、后沿，使IGBT 的开关损耗尽量小。

第3章 直-直变换电路复习题一、填空题1.直流斩波电路完成得是直流到_直流_的变换。

2.直流斩波电路的典型应用有_直流电机驱动_和_直流开关稳压电源_等。

3.直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压斩波电路_和_升压斩波电路_。

4.斩波电路有三种控制方式：_定频调宽_、_定宽调频_和_调频调宽_。

5.对单端正励变换器的电路要求之一是应保证其 高频变压器的磁通能复位 。

6.在带隔离变压器的DC/DC 变换器中，变压器的磁通仅在单方向变化的变换器称作 单端 变换器；当开关管导通时，电源将能量传给负载的变换器称作 正励 变换器；当开关管关断时，电路将能量传给负载的变换器称作 反励 变换器。

二、简答题1. 分别绘出BUCK 、BOOST 、Cuk 式DC/DC 斩波电路图，并在理想条件下分别导出它们在电感电流连续下的输出电压、电流表达式。

2. 在基本BUCK 、BOOST 、Cuk 等DC/DC 斩波电路中，引入隔离变压器的功用有哪些？3. 画出单端正励变换器主电路，指出其中变压器各绕组在电路中的作用。

4．画出单端反激式变换器主电路，在理想条件下写出其电感电流连续下的输出电压表达式。

5. 试比较Buck 电路和Boost 电路的异同。

答：相同点：Buck 电路和Boost 电路多以主控型电力电子器件（如GTO ，GTR ， MOSFET 和IGBT 等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。

不同点：Buck 电路在T 关断时，只有电感L 储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。

而Boost 电路在T 处于通态时，电源Ud 向电感L 充电，同时电容C 集结的能量提供给负载，而在T 处于关断状态时，由L 与电源E 同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。

6.试分析反激式和正激式变换器的工作原理。

答：正激变换器：当开关管T 导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管D1导通，此时D2反向截止，把能量储存到电感L 中，同时提供负载电流O I ；当开关管T 截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管D2导通（而此时D1反向截止），储存在电感中的能量继续提供电流给负载。

直流斩波电路实验报告直流斩波电路实验报告引言：直流斩波电路是电力电子学中的重要实验之一。

通过该实验，我们可以深入了解斩波电路的原理和工作方式，以及其在电力转换中的应用。

本实验旨在通过搭建和测试直流斩波电路，验证其性能和有效性。

一、实验目的本实验的主要目的是搭建直流斩波电路，并通过实验测试来验证其性能和有效性。

具体而言，我们将实现以下目标：1. 理解直流斩波电路的原理和工作方式；2. 掌握搭建直流斩波电路的方法和步骤；3. 测试直流斩波电路的输出波形，分析其性能和有效性。

二、实验原理直流斩波电路是一种将直流电压转换为交流电压的电路。

其基本原理是利用开关器件（如晶闸管、IGBT等）控制直流电源的导通和截断，从而改变电路中的电流路径，实现对直流电压的切割和转换。

直流斩波电路通常由三个主要部分组成：1. 输入滤波电路：用于滤除直流电源中的纹波和杂散信号，保证直流电压的稳定性；2. 斩波开关电路：由开关器件和控制电路组成，用于控制直流电源的导通和截断；3. 输出滤波电路：用于滤除斩波开关引起的高频脉冲信号，使输出电压变为平滑的交流电压。

三、实验步骤1. 搭建直流斩波电路：按照实验指导书提供的电路图和元器件清单，依次连接电路中的各个元器件和开关器件。

确保连接正确无误。

2. 调整控制电路参数：根据实验要求，调整控制电路中的参数，如频率、占空比等。

确保电路能够正常工作。

3. 测试输出波形：将示波器连接到输出端口，调整示波器的设置，观察并记录输出波形。

分析波形的频率、幅值和形状，评估直流斩波电路的性能和有效性。

4. 分析实验结果：根据实验数据和观察结果，对直流斩波电路的性能和有效性进行分析和总结。

比较实验结果与理论预期的差异，并提出可能的原因和改进方法。

四、实验结果与分析经过实验测试，我们得到了直流斩波电路的输出波形。

通过观察和分析波形，我们可以得出以下结论：1. 输出波形呈现出周期性的正弦波形，表明直流斩波电路能够将直流电压有效地转换为交流电压。