PE-3直流斩波电路
直流斩波电路的性能研究(六种典型线路)
直流斩波电路是一种常用于电力电子器件中的控制电路，用于将直流电源转换成可控的脉冲电压输出，常用于调节、变换和逆变等应用中。
以下是六种典型的直流斩波电路及其性能研究：1. 单元斩波电路：单元斩波电路是最基本的斩波电路，通过单个开关器件（如晶闸管或晶体管）控制输出电压的开关，简单实用。
2. 双元斩波电路：双元斩波电路采用两个开关器件进行控制，可以提高输出电压的精度和稳定性，适用于一定功率范围内的应用。
3. 三元斩波电路：三元斩波电路引入第三个开关器件，通常用于中功率的直流斩波调节电路中，提高了输出波形的质量和稳定性。
4. 逆变斩波电路：逆变斩波电路是将直流输入转换为交流输出的电路，通过斩波技术实现对输出波形的调节和控制，适用于各种逆变器应用。
5. 多电平斩波电路：多电平斩波电路通过控制多个开关器件的状态，实现输出波形的多级调节，提高了输出波形的谐波失真程度和效率。
6. 多电压级斩波电路：多电压级斩波电路结构复杂，但能够实现更高精度的输出电压控制和更低的谐波失真，适用于高要求的功率电子应用。
性能研究包括但不限于以下几个方面：-效率和功率因数：研究直流斩波电路的效率和功率因数，评估其能量转换效率和功率因数对系统整体性能的影响。
-波形质量：分析输出波形的谐波含量、波形失真度等指标，评估直流斩波电路对输出波形的调节和控制能力。
-动态响应特性：研究直流斩波电路的动态响应特性，包括开关速度、响应时间等参数，评估其对系统动态性能的影响。
-稳定性和可靠性：考察直流斩波电路在不同工况下的稳定性和可靠性，包括温度变化、负载变化等条件下的性能表现。
-成本和复杂度：综合考虑直流斩波电路的成本和复杂度，评估其在实际应用中的经济性和可行性。
通过对六种典型直流斩波电路的性能研究，可以全面了解各种电路结构的优缺点，为选择合适的直流斩波电路结构和优化设计提供参考和指导。
直流斩波电路
直流斩波电路直流斩波电路（DC Chopper）是一种用来控制直流电动机的电路。
它可以为直流电机提供高效的调速和转向控制，因此在工业应用中非常广泛。
直流斩波电路主要由斩波器、控制电路和直流电源组成。
斩波器是控制电动机转速和方向的核心部分，它通过调节输出电压和电流的波形来实现电机的控制。
控制电路则通常采用微处理器或单片机，用来控制斩波器的工作状态和输出信号的频率、幅值和相位。
直流电源则是为整个系统提供电能，以保证电机能够正常运行。
斩波器斩波器是直流斩波电路中最重要的部分，它通常包括一个开关器件和一个电感元件。
开关器件可以是晶闸管、MOSFET管、IGBT管等。
而电感元件则是用来限制输出电流和平滑输出电压波形的。
在斩波器中，当开关器件导通时，电感元件会吸收输入电源中的能量，同时输出电压也会上升。
而当开关器件关断时，电感元件会反向放电，同时输出电压也会下降。
通过改变开关器件的工作状态，我们就可以改变电源的输出电压和电流波形，从而实现对电动机的控制。
控制电路在直流斩波电路中，控制电路主要负责控制斩波器的开关状态。
控制电路通常由微处理器或单片机实现，可以使用PID等算法来控制输出电压和电流的稳定性和响应性。
控制电路同样可以控制输出信号的频率、幅值和相位。
这些信号不仅可以控制电动机的运行状态，还可以用来监测电机的转速和位置，以实现更加精确的控制。
直流电源直流电源是为整个电路提供电能的部分，它的稳定性和可靠性对整个电路的运行非常重要。
在直流斩波电路中，直流电源通常采用整流电路和充电电路的结合，以实现对电池的充电和电机运行的供电。
直流电源的质量也直接影响了斩波器和控制电路的稳定性，因此需要特别注意。
应用直流斩波电路可以应用于各种不同类型的电机控制，包括直流电动机、无刷直流电机和步进电机等。
它的高效能和高精度控制使得它在精密控制和节能降耗等方面具有广泛的应用前景。
除此之外，直流斩波电路还可以应用在光伏逆变器、风力发电机、电子变压器等领域中，以实现对电能的转换和传输。
直流斩波电路基础与分析报告
I1 ton
I2
t o ff
由上式得：
I2
toff ton
I1
1
I1
EI1 Uo I2
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
电力电子技术
3-20
3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
2) Cuk斩波电路
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
电力电子技术
3-26
3.2.1 电流可逆斩波电路
电路结构
V1和VD1构成降压斩波电路，电动 机为电动运行，工作于第1象限。
V2和VD2构成升压斩波电路，电动 机作再生制动运行，工作于第2象限。
必须防止V1和V2同时导通而导致的 电源短路。
工作过程（三种工作方式) 图3-7 电流可逆斩波电路及波形
第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压 斩波电路工作。
Ri1
EM
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
L
d i2 dt
Ri2
EM
E
当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电
枢电流的平均值Io，即
Io
m
b
E R
EM
R
bE
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电
压看作是被降低到了bE。
电力电子技术
3-15
3.1.2 升压斩波电路
如图3-3c，当电枢电流断续时：
动画演示
电力电子技术
图3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图
直流斩波电路工作原理
直流斩波电路工作原理
直流斩波电路是一种电子电路，用于将直流电源输出变为脉冲或交流信号。
其工作原理基于开关管的导通和断开，使得直流电源的电压在输出端产生高频脉冲。
直流斩波电路由两个主要部分组成：开关管和滤波电容。
开关管的导通和断开控制通过外部电路或脉冲生成器进行调控。
当开关管导通时，直流电源的电压就会传递到输出端，此时输出就是高电平。
相反，当开关管断开时，输出端的电压就会降为低电平。
滤波电容与开关管并联连接，作为电荷储存和释放的元件。
当开关管导通时，滤波电容开始充电，存储电荷。
当开关管断开时，滤波电容开始放电，释放电荷。
由于滤波电容具有一定的电荷和放电时间常数，输出信号会变为脉冲或周期性交流信号。
通过调控开关管的导通和断开时间，可以改变输出信号的频率和占空比。
频率可以通过改变开关管操作频率来调节，而占空比可以通过调控导通和断开时间比例来实现。
直流斩波电路的主要应用是在交流电源中产生脉冲信号，例如交流变频器、电力电子传动等领域。
它也可以用于产生交流电信号进行实验室测试和研究。
《直流斩波电路 》课件
分为Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk和Sepic等。
按输出电压极性分类
分为正极性斩波和负极性斩波。
02
直流斩波电路的工作 模式
降压斩波模式
总结词
通过降低输出电压来调整直流电源的
详细描述
在降压斩波模式中，斩波器将直流电源的输出电压降低到一个预设的值。通过周期性地打开和关闭开关，斩波器 将输入电源的连续直流电压转换为具有较低平均电压的脉冲电压。这种模式常用于需要降低电源电压的场合，例 如电池供电的应用。
详细描述
混合调制控制是将脉冲宽度调制和频率调制两种控制策略结合起来，根据需要选择不同 的调制方式进行调节。这种控制策略可以综合PWM控制和频率调制控制的优点，提高 输出电压的调节精度和动态响应速度。但同时，混合调制控制的实现也较为复杂，需要
更多的控制电路和计算资源。
04
直流斩波电路的实验 与仿真
实验平台的搭建
总结词
通过调节脉冲的宽度来控制输出电压的大小 。
详细描述
PWM控制是通过调节斩波电路中开关的开 通时间和关断时间，来改变输出电压的平均 值。当开通时间较长时，输出电压较大；当 关断时间较长时，输出电压较小。PWM控 制具有输出电压稳定、调节速度快、动态响
应好等优点。
频率调制控制
总结词
通过改变斩波电路中开关的工作频率来调节输出电压的大小。
定性和非线性问题，提高控制精度和鲁棒性。
高频化与小型化研究
要点一
高频化研究
通过改进斩波电路的结构和元件参数，提高斩波频率，减 小电路体积和重量，满足现代电子设备对高频率、小型化 的需求。
要点二
小型化研究
采用新型的电子元件和集成技术，减小斩波电路中各元件 的体积和重量，实现斩波电路的整体小型化。
直流斩波电路研究实验报告
直流斩波电路研究实验报告直流斩波电路研究实验报告引言直流斩波电路是一种常见的电子电路，它可以将直流电转换为可变的脉冲电流。
在本次实验中，我们将研究直流斩波电路的原理和性能，并通过实验验证其工作效果。
一、实验目的本次实验旨在通过搭建直流斩波电路，研究其工作原理和性能，并通过实验结果验证理论分析的正确性。
二、实验原理直流斩波电路由三个主要部分组成：输入直流电源、可变电阻和输出负载。
当输入直流电压经过可变电阻调节后，通过开关控制，形成一系列脉冲电流，最后通过输出负载得到所需的电压波形。
三、实验步骤1. 搭建直流斩波电路：将输入直流电源与可变电阻相连，并接入开关和输出负载。
2. 调节可变电阻：通过调节可变电阻的阻值，控制输出电压的大小。
3. 控制开关：通过控制开关的开关频率和占空比，调节输出脉冲的频率和宽度。
4. 观察输出波形：使用示波器观察输出波形，并记录实验数据。
四、实验结果与分析通过实验观察和数据记录，我们得到了直流斩波电路的输出波形。
根据理论分析，我们可以得出以下结论：1. 输出波形的频率和宽度与开关的开关频率和占空比有关。
当开关频率较高且占空比较大时，输出波形的频率较高且宽度较宽。
2. 输出波形的幅值与输入直流电压和可变电阻的阻值有关。
当输入直流电压较高且可变电阻的阻值较小时，输出波形的幅值较大。
五、实验结论通过本次实验，我们验证了直流斩波电路的工作原理和性能。
我们发现，通过调节可变电阻和控制开关，我们可以得到不同频率、宽度和幅值的输出波形。
这种电路在实际应用中具有广泛的用途，例如在电力变换、电子通信和电动机控制等领域都有重要的应用。
六、实验总结通过本次实验，我们对直流斩波电路有了更深入的了解。
我们通过实验验证了理论分析的正确性，并掌握了搭建和调节直流斩波电路的方法。
在实验过程中，我们还学会了使用示波器观察和记录波形数据的技巧。
这些实验技能对我们今后的学习和研究都具有重要的意义。
七、参考文献[1] 张三, 李四. 直流斩波电路原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2010.[2] 王五, 赵六. 电子电路实验指导[M]. 北京：高等教育出版社，2015.以上为直流斩波电路研究实验报告的主要内容。
第3章 直流斩波电路
图3-1 降压斩波电路的原理图及波形
能量关系
• 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，此 时负载电压的平均值为：
U0 = ton t E = on E =α⋅ E ton +toff T
……… (3-1)
式中， 处于通态的时间； 处于断态的时间； 为开关周期； 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。 为导通占空比。 由此式知，输出到负载的电压平均值U0的最大值为E，若减小占空比α ， 由此式知，输出到负载的电压平均值U 的最大值为E 随之减小。因此，该电路称为降压斩波电路。 则U0随之减小。因此，该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使 用其英文名称，称为Buck变换器。 Buck变换器 用其英文名称，称为Buck变换器。
− t − t on
= E ，设此阶段电流初值为I10 ，τ=L/R t t − − E − EM i1 ( t ) = I 10 e τ + (1 − e τ ) R
M
设此阶段电流初值为I20，解得：2 ( t ) = I 20 e i
τ
− EM 。 − (1 − e R
t − t on
τ
)
• 当电流连续时，有：I10=i2(t2)，I20=i1(t1)。由此可得到：
α E − E
M I0 = • 则 R 与前面计算的结论一致。 由于负载电流平直，假设电源电流平均值为I 则有： 由于负载电流平直，假设电源电流平均值为I1 ，则有：
I1 =
ton I0 = α I0 T
其值小于等于负载电流I 其值小于等于负载电流I0 ，由上式得： 由上式得：
EI1 = α EI 0 = U 0 I 0
直流斩波电路原理
直流斩波电路原理直流斩波电路是一种用于将直流电信号转换为可变直流电压波形的电路。
它可以通过控制开关器件的状态来改变输出电压的大小和极性，使得输出波形可以经过调制和滤波后，适用于各种应用场景，如变压器、直流电机、光伏发电以及电动汽车等。
直流斩波电路的基本原理是利用开关器件的开关行为来改变电路的通断状态。
常用的开关器件包括二极管、晶体管、场效应管和继电器等。
当开关器件处于导通状态时，电流可以流过它们，形成一个导通通道，电路便处于闭合状态。
而当开关器件处于截止状态时，电流无法通过它们，电路便处于断开状态。
在直流斩波电路中，常使用的开关器件是晶体管。
晶体管有三个引脚：基极、发射极和集电极。
当基极电流为零时，晶体管处于关断状态；当有正向电流（低于器件的饱和电流）通过基极时，晶体管处于饱和状态，允许大电流从集电极流入发射极；当有反向电流通过基极时，晶体管处于截止状态，几乎没有电流流过。
基于晶体管的开关特性，直流斩波电路可以通过控制晶体管的饱和和截止状态，来改变电路的通断状态和电流路径。
一个典型的直流斩波电路包括一个晶体管开关和一个电感元件。
晶体管开关控制电流的流动路径，调整电感元件的连接和断开状态，从而改变电路的通断状态。
当晶体管处于饱和状态时，电流通过电感元件；当晶体管处于截止状态时，电流绕过电感元件。
通过周期性地调整这种通断状态，可以在电感元件上产生一种有脉冲宽度和频率的方波电压。
直流斩波电路的输出波形可以通过滤波电路进行整形和平滑。
在滤波电路中，通常使用电容器和电阻器来滤除方波中的高频噪声成分，从而得到一个平坦的可变直流电压波形。
直流斩波电路的应用非常广泛。
在变压器中，直流斩波电路用于调整输入输出电压的大小，实现电压的升降。
在直流电机中，直流斩波电路用于控制电机的转速和方向，实现电机的启动、停止和调速。
在光伏发电系统中，直流斩波电路用于优化光伏板的输出功率，将直流能量转换为交流能量。
在电动汽车中，直流斩波电路用于调整电池的输出电压和电流，实现电动汽车的行驶控制。
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IL
高，也可以比电源电压低。当0< <1/2时为
E
uL
L
C
降压，当1/2< <1时为升压，因此将该电路
称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文 称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter）
a)
i1 ton
toff
IL
•图中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形， 设够两小者时的，平有均值I1分别为toI1n和I2，当电流脉动足
《电力电子技术》 电气信息学院
➢以上分析中，认为V通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不 变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然 会有所下降，故实际输出电压会略低 ➢如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EI1 U o Io 与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器
I10
et1 eT
/ /
11
E R
EM R
e e
1 1
m
E R
I 20
1 1
et1 eT
/ /
E R
EM R
1 e 1 e
m
E R
T /
m EM / E
t1
/
t1 T
T
把上式用泰勒级数近似，可得
I10
I 20
mE
R
Io
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Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
输出电流的平均值Io为
即可得出电源电流I1为：
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Io
Uo R
1
E R
I1
Uo E
Io
1
2
E R
2. 升压斩波电路的典型应用
一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正（PFC）电路
三是用于其他交直流电源中
通常是用于直流电动机再生制 动时把电能回馈给直流电源
L
VD
I10
EM R
1
e
toff
1
T
e
E
R
m
1 e 1 e
E R
《电力电子技术》
I 20
EM R
e
ton
T
e
T
1e
E
R
m
e 1
e e
E R
电气信息学院
与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得
I10
I 20
m
E R
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即
Io
m
E R
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负载电流断续的情况
•I10=0，且t=tx时，i2=0
tx
ln
1
(1
m)e m
•电流断续时，tx<toff，得出电流断续的条件为：
m
e e
1 1
•在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，
负载两端电压等于EM。输出电压平均值为：
Uo
ton E
E
E
ton——V通的时间 toff—— V断的时间
导通占空比
U之o减最小大。为因E ，此减称小为占降空压比斩波，电U路o随。
•负载电流平均值
Io
Uo
EM R
《电力电子技术》 电气信息学院
b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
斩波电路三种控制方式
Uo
ton ton toff
E
ton T
E
E
•T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） •ton不变，变T —频率调制 •ton和T都可调，改变占空比—混合型
❖ 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 i1，可列出如下方程：
L
d i1 dt
Ri1
EM
E
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设此阶段电流初值为I10，=L/R，解左式：
L
i1 E
iG
VD io
V
C
uo R
➢时VC通的时电，压E向向负L充载电供，电充，电因电C值流很恒大为，I1，输同出
iG
a)
电ton压，u此o为阶恒段值L上，积记蓄为的Uo能。量设为V通EI的1T时on 间为
O
t
➢V断时，E和L共同向C充电并向负载R供
io
电放。能设量V为断的U时o 间E为It1otofff，f 则此期间电感L释
三峡大学电气信息学院
《电力电子技术》电子教案
Power Electronics Technology
第3章 直流斩波电路
(DC Chopper)
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
O
ton
t1 tx t2
t
toff
T
c） 电c流) 断续时
图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形
•电路分析
L
VD
•V处于通态时, 设电动机电枢电流为i1, 得下式 M EM
V uo
L
d i1 dt
Ri1
EM
式中R为电机电枢回路电 阻与线路电阻之和。
a)
uo
E
uo
•设i1的初值为I10，解上式得
E ton Uo toff
a)
i1 ton
toff
IL
o
i2 IL
o
b)
•所以输出电压为：
Uo
ton toff
E
ton T ton
E
1
E
《电力电子技术》 电气信息学院
uo R
t t
Uo
ton toff
E
ton T ton
E
1
E
I2
V
i2 VD
•改变导通比，输出电压既可以比电源电压
i1
1. 升降压斩波电路
设L值很大，C值也很大。 使电感电流iL和电容电压即负 载电压uo基本为恒值。 ❖ 基本工作原理
➢ V通时，电源E经V向L 供电使其贮能，此时 电流为i1。同时，C维 持输出电压恒定并向 负载R供电。
V
i1
E
uL
i2 VD IL
L
C
uo R
a)
i1 ton
toff
IL
o
t
i2
IL
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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，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 RIo2T EM IoT
➢一周期中，忽略损耗，则电源提供E的Ioto能n 量与负载消耗的能量相等，即
o
i2 IL
o
I2
toff
b)
•由上式可得：
I2
toff ton
I1
1
I1
•如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则
EI1 U o I2
uo R
t t
《电力电子技术》 其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
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2. Cuk斩波电路
图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。
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
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第三章 直流斩波电路
➢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，且更多地指后一种情况
E
T toff
E
T法/与toff改—变—导升通压比比的，方调法节类其似大。小将即升可压改比变的Uo倒大数小记，作调节，方即
toff
T
和导通占空比有如下关系： 1
因此
Uo
1
E
1
1
E
❖升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 ➢一是L储能之后具有使电压泵升的作用 ➢ 二是电容C可将输出电压保持住
(T
ton T
tx )EM
1
ton tx T
mE
Uo不仅和占空比 有关，
也和反电动势EM有关
•此时负载电流平均值为
Io
1 T
ton 0
i1
d
t
tx 0
i2
d
t
ton
T
tx
m E R
Uo Em R
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3.1.2 升压斩波电路
1. 工作原理
➢假设L值很大，C值也很大
❖经近t二似=t1极为时管零刻，V控D负制续载V流电关，流断负呈，载指负电数载压曲电uo线流 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
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b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
数量关系
•电流连续时，负载电压平均值
Uo
ton ton toff
E
ton T
EM
R
E
该式表明: 以电动机一侧为基准看, 可将直流电源看 作是被降低到了 E
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a)