第4章直流斩波

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。

直流直流(DCC)变换

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3 第四章 直流—直流（DC-DC）变换

将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。

DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC变换器的组合。

4.1 DC-DC变换的基本控制方式

DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。如果开关K导通时间为 ，关断时间为 ，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间 、 的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。

一、概述

电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定形式的输入电能变换成另外一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。电能的形式可以分为交流和直流两种类型，因此根据输入、输出的不同形式，可将电力电子电路分为四大类型，即AC－DC变换器、DC－AC变换器、DC－DC变换器、AC－AC变换器，本章主要介绍其中的DC－DC变换器，有时也称为直流斩波器。

直流斩波器的作用

直流斩波器是一种把一定形式的直流电压变换成负载所需的直流电压的变流装置。它通过周期性地快速开通、关断，把输入电压斩成一系列的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率可以调节输出电压的平均值，因此直流斩波器的基本作用是进行直流电压的变换，即调压作用。

直流斩波器除了可以调节直流电压外，还可以进行调阻和调磁。由直流斩波器和一个固定电阻相并联，通过直流斩波器的斩波作用，可以调节并联等效电阻的阻值，这一过程称为调阻。若将直流斩波器串联在电机的励磁回路中，通过斩波作用调节励磁电流，从而调节电机的磁场大小，这一过程称为调磁。

因此，直流斩波器具有调压、调阻和调磁的作用。

直流斩波器的应用领域

由于直流斩波器具有调压、调磁等作用，因此它的应用领域之一是直流电机的调速。直流电机的转速取决于电枢电压及磁场的大小，通过直流斩波器的调压作用，可以调节电机的电枢电压，达到调速的目的。另外，通过直流斩波器的调磁作用，可以调节电机的磁场及励磁电流，也可以达到调速的目的。直流电机调速在地铁、城市无轨电车、电动汽车等运输车辆上得到了广泛的应用。

直流斩波器的另一应用领域是直流供电电源。在各种应用场合中，不同用电设备所需要的直流供电电压的等级不同，采用直流斩波器可以将单一的、不稳定的直流输入电压变换成负载所需要的稳定的、不同电压等级的直流供电电压，因为直流斩波器工作在开关状态，因此这种类型的直流供电电源也称为开关电源。开关电源在计算机、通信等各个领域也得到了广泛的应用。

直流斩波电路

88 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Em所示。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

（3-1）

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。

负载电流平均值 I=Ud/R （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ton，应用最多

b 频率调制或调频型——ton不变，改变T

c 混合型——ton和T都可调，使占空比改变 电力电子技术教案

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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