第十三讲 直流斩波电路
直流斩波电路
❖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 ※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。 ➢ 根据电路结构分析输出电流的平均值Io为：
➢ 则电源电流的平均值I1为：
（四）升压斩波电路典型应用（直流电机传动）
✓此时电机的反电动势相当于右图中的电源，而此时的直流电源相当于右图中的 负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
设此阶段电流初值为I10， =L/R，解上式得
② V为断态期间，设负载电流为i2， 有：
设此阶段电流初值为I20， 解上式得：
且：I10＝i2(t2)，I20=i1(t1)，代入<1>,<2>
<1> <2>
当L无穷大时
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。
I1为电源电流平均值
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
5.1.2 升压斩波电路
（一）工作电路
储存电能
保持输出 电压
（二）工作原理及动态演示
（三）数量关系(直接从能量角度分析）
➢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uo为恒值，记为 Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
5.2 复合斩波电路
复合斩波电路： 降压斩波电路和升压斩波电路的组合构成
（1）电流可逆斩波电路※ （2）桥式可逆斩波电路
5.2.1 电流可逆斩波电路
➢ 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动, 可通过电流可逆斩波电路来实现.电流可逆斩波电路由降压斩波电路和升压斩 波电路复合而成.
斩波电路原理
斩波电路原理一、斩波电路概述斩波电路是一种将直流电转换为交流电的电路，通常用于交流电机驱动、逆变器等应用中。
其原理是通过周期性地开关导通和断开，使直流电源经过一个高频变压器的变换，输出具有一定频率和幅值的交流电。
二、斩波电路分类1. 单极性斩波电路：只有一个半桥开关管或全桥开关管，在负载两端产生单向脉冲。
2. 双极性斩波电路：有两个半桥开关管或全桥开关管，在负载两端产生双向脉冲。
三、单极性斩波电路原理单极性斩波电路主要由直流源、半桥开关管、高频变压器和输出滤波器四部分组成。
其中直流源提供稳定的直流输入，半桥开关管控制输入信号的导通和断开，高频变压器将输入信号变换成具有一定频率和幅值的交流信号，输出滤波器则对交流信号进行平滑处理。
1. 直流源直流源通常使用整流桥将市区或三相交流转换为稳定的直流电源，直流电压的大小取决于所选用的整流桥和滤波器。
2. 半桥开关管半桥开关管通常由一个N沟道MOSFET管和一个二极管组成。
当N 沟道MOSFET导通时，二极管截止；当N沟道MOSFET截止时，二极管导通。
通过控制N沟道MOSFET的导通和截止，可以实现直流信号的周期性开关。
3. 高频变压器高频变压器是斩波电路中最重要的部分之一。
它通过将输入信号变换为具有一定频率和幅值的交流信号，实现了直流到交流的转换。
高频变压器通常由磁芯、一些绕组和辅助元件组成。
4. 输出滤波器输出滤波器主要用于对交流信号进行平滑处理，去除其残留的脉冲噪声和杂散波形。
输出滤波器通常由电感、电容等元件组成。
四、双极性斩波电路原理双极性斩波电路与单极性斩波电路类似，只不过在半桥开关管上增加了一个相同结构相反的开关管。
这样，当一个开关管导通时，另一个开关管截止，从而在负载两端产生双向脉冲。
五、斩波电路优缺点1. 优点：(1) 斩波电路可以将直流电源转换为交流电源，用于驱动交流负载。
(2) 斩波电路具有高效率、高速度和可靠性等优点。
(3) 斩波电路可以实现输出电压和频率的调节。
直流斩波电路设计
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。
直流斩波电路的工作原理是什么
直流斩波电路的工作原理是什么
直流斩波电路是一种用于将直流电转换为脉冲电流或脉冲电压的电路。
其工作原理如下：
1.自激振荡：
直流斩波电路中，使用一个开关器件（如晶体管或MOSFET）和一个电感器构成振荡回路。
当开关器件关闭时，电感器上的电流开始积累。
当开关器件打开时，电感器上的电流被迫流过负载电阻，产生脉冲电流或脉冲电压。
2.周期性切换：
通过周期性地打开和关闭开关器件，直流斩波电路可以实现周期性地转换直流电源电流。
开关器件的开闭操作由一个控制电路控制，该控制电路根据电流或电压的变化来调整器件的状态。
3.削波：
直流斩波电路通过改变开关器件的开闭状态，将直流电源的平均电压降低到所需的脉冲电压水平。
在开关器件关闭时，电感器上的电流将通过负载电阻流过，形成脉冲，因此平均电压较低。
在开关器件打开时，电感器上的电流不再流过负载电阻，电压升高。
通过调整开关器件的开闭频率和占空比，可以实现所需的电压输出。
总的来说，直流斩波电路利用开关器件和电感器的相互作用，将直流电源电流转换为周期性的脉冲电流或脉冲电压。
这种电路的主要应用是在电源变换、驱动和开关控制器等领域。
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。
直流斩波电路的工作原理
直流斩波电路的工作原理直流斩波电路是一种将直流电源转换为可调控的脉冲电流的电路。
其主要原理是通过开关管（例如晶闸管和二极管）的控制，改变电路中的通断状态，从而使直流电源的电压在时间上发生间断性变化，实现电流的控制和调节。
直流斩波电路通常由三个核心部分组成：开关装置、滤波装置和控制装置。
开关装置是直流斩波电路的关键部分，它负责将直流电源中的电流通过开关管进行周期性地开关，以实现电路中电压的间断变化。
开关装置通常由晶闸管和二极管构成。
滤波装置用于滤除开关操作产生的脉冲电压，将电路中的电压变为平滑的直流信号，以保证输出的电流稳定。
滤波器通常由电容和电感构成。
控制装置是直流斩波电路的控制中心，它通过对开关装置的控制，调节开关管的通断状态和开关闭合的周期，从而控制电路中的电流输出。
控制装置通常由控制电路和触发电路组成。
直流斩波电路的工作过程如下：1. 当控制装置使得开关管导通时，直流电源的正极与负极通过开关管形成一个低电阻通路，直流电源的电流可以顺利通过直流斩波电路，输出的电流电压保持稳定。
同时，此时电阻网络的电压为零，输出电压接近直流电源的电压。
2. 当控制装置使得开关管截止时，开关管阻断了直流电源的电流通路，此时输出电流电压开始变化。
由于电感的自感作用，原先通过开关管的电流无法瞬间消失，而是沿着电感的方向形成一个反向电流。
造成了电感两端的电压对地电压增加，同时电容接收到的电压减小。
因此，此时输出的电流电压下降。
3. 当电感的反向电流逐渐减小到零时，电容开始通过二极管向直流电源放电，此时输出的电流电压开始增加。
4. 当电容通过二极管完全放电后，电感两端的电压对地电压下降到零，输出的电流电压再次恢复到直流电源的电压值。
通过不断地周期性开闭开关管，直流斩波电路实现了电源电压的间断变化，从而控制了输出的电流电压，实现了对直流电源的调节。
通过控制开关管的通断状态和开关闭合的时间，可以调节输出电压的大小以及电流的形状，从而满足各种不同的电路需求。
《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。
直流斩波电路分析_电力电子技术
（3-16）
e a - 1 m e -1
第十一讲
直流斩波电路分析
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） – 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，且甚至更多地指后一种情况
11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.1.4 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
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11.1.1 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， 如图中EM所示
工作原理
I 20 1 - e -t1 / 1 - e -T /
；
ea - 1 E e -1 - m R
（3-9）
E EM 1 - e -a E m - R R R 1- e
；
（3-10）
式中:
。由图3-1b可知， t1 T t1 / a 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 T / m EM / E I10和I20 T
降压斩波电路
11.1.2 升压斩波电路
11.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
11.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
11.2
复合斩波电路和多相多重斩波电路
11.2.1 电流可逆斩波电路 11.2.2 桥式可逆斩波电路 11.2.3多相多重斩波电路
11.1
基本斩波电路
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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 断时， L 的能量向负载释放， 电流为 i2。负载电压极性为上负下 正，与电源电压极性相反，该电路 也称作反极性斩波电路
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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，如图中EM所示
工作原理
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时刻控制V关断，负载电流经二 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。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
f
1 CT (0.7 RT 3RD )
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降压斩波电路(BUCK)
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
E V iG L io R
+
VD uo M EM
-
2 • 在整个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 RIo T EM I oT
V i1 E uL i2 VD IL L C uo R
a) i1 IL to n to f f
o
i2 IL
t
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
o
b)
t
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升降压斩波电路
数量关系
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
L1
C
L2
i1
L1 B uB
C uC S A uA
L2 i 2
E
V
VD
uo
R
E
uo
R
a)
图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路
b)
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Cuk斩波电路
稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零， T 即 iC d t 0 （3-45）
• 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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直流斩波电路分析
• 下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种电力电子开关器件，输入 电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供 电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD 续流，负载RL两端的电压接近于零。 u
b 1
tof f 。 b T
1 Uo E E b 1
1
（3-22） （3-23）
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升压斩波电路
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 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 （3-24） EI1 U o I o 该式表明，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。 根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为 （3-25) 由式（3-24）即可得出电源电流I1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
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降压斩波电路
数量关系
• 电流连续时，负载电压平均值
ton——V通的时间 toff——V断的时间 α ——导通占空比 Uo 最大为 E ，减小占空比 α ， Uo 随之减小。 因此称为降压斩波电路。 负载电流平均值
0
在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电 流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容 电流和时间的乘积为I1toff。由此可得 从而可得
L1
I 2 toff T ton 1 I1 ton ton
C L2 i1 L1
I 2ton I1toff
（3-46） （3-47）
C B uB uC S A uA L2 i2
E
V
VD
uo
R
E
uo
R
a)
b)
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的能量相等，即
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升压斩波电路
1.升压斩波电路的基本原理
i1 L io V C uo R VD
• •
•
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。 图3-2 升压斩波电路 及其工作波形 a）电路图 b）波形
NCP1402SN50T1是ONSEMI公司生产的高效率、低功耗升压型DC/DC转换器， 其内臵PFM（脉冲频率调制）振荡器、PFM控制器、PFM比较器、软起动电路、 电压基准及MOEFET开关管，还具有限流电路。其输入电压范围为0.8V～5.5V， 输出为固定的5V电压，输出额定电流为200mA。 内 部 MOSFET 开 关 管 导 通 时 ， 管 脚 LX 连 接 的 47uH 电 感 进 行 储 能 ； 内 部 MOSFET开关管关断时，电感释放能量，在管脚OUT产生高于输入电压的+5V， 通过电容滤波，得到稳定输出电压。外接肖特基二极管，使输出电压不会反回至 输入端。
• •
T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） ton不变，变T —频率调制（PFM）
•
ton和T都可调，改变占空比—混合型
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PWM控制器SG3525
5.1V 基准 欠压锁定 VCON CT RT
振荡器
触发器
OA
锁存器
OB GND
误差放大器
50uA SG3525
U o EM （3-2） R • 电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出 现 Io
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ton ton Uo E E E ton toff T
（3-1）
降压斩波电路
斩波电路三种控制方式（根据对输出电压 此种方式应用
最多 平均值进行调制的方式不同而划分）
EI1ton (Uo E) I1toff t tof f T 化简得： U o on E E tof f tof f
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 ——升压比；升压比的倒数记作b ，即
（3-20） （3-21）
b和的关系：
T / toff
因此，式（3-21）可表示为
t on I1 I2 t off
i1
ton
toff
（3-42） IL
i2 （3-43） IL
o
t
o
EI1 U o I 2
（3-44）
b)
t
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
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Cuk斩波电路
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流 输出电压的极性与电源电压极性相反 等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换
T
V处于通态 uL = E
0
uL d t 0
（3-39）
E ton U o toff
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
Uo 所以输出电压为：
ton ton E E E （3-41） toff T ton 1
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有源功率因数校正电路
L uL iL VD0 R3 VF R2 R5 C ＋ R4 R uo R1
ud uS
输入电 压检测
输 入 电 流 检 测
SPWM 比较器
高频三角 波发生器
输出电 压检测
电流 调节器
PWM 控制器 误差 放大器 Vref
乘法器
交流输入电压经桥式 整流后，再经过DC／DC变 换，通过相应的控制使输 入电流平均值自动跟随整 流电压基准值，可获得较 高的网侧功率因数，并保 持输出电压稳定。APFC电 路有两个反馈控制环：输 入电流环使DC／DC变换器 输入电流为全波整流波形， 并且与全波整流电压波形 相位相同；输出电压环DC ／DC变换器使输出端为一 个直流稳压源，达到直流 电源的稳压效果。
Io Uo 1 E R b R
Uo 1 E I1 Io 2 E b R
（3-26）
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