第四章 直流斩波电路

U0Io
图4-5a)所示电路为升压斩波器主电路。当开关S导 通时，升压二极管VD承受反向电压而截止，其等效 电路如图4-5b)所示。此时电源电压加在电感L上， 电感电流iL增长，电感L储能增加，与此同时电容C 向负载供电，电容电压下降。当开关S关断时，电感 电流iL下降，电感L的感应电势改变极性，与电源电 压叠加，强迫升压二极管VD导通，电源和电感同时 为负载供电和向电容C充电，由此得到一个比电源电 压还高的输出电压，其等效电路如图4-5c）所示。
t on U0 u0 u R UR U d tU d Ts
1 Ts
P 1

Ts
0
U d i1 dt U d (
1 Po PR TS

TS
1 Ts

Ts
0
i1 dt) U d I 1
0
u R i R dt
U o U R I1 t Ud Ud IR
（1）降压斩波器的输出电压平均值与输入电压之比，刚好等 于斩波开关的导通时间与斩波周期之比。改变导通比就可以控制 斩波器的输出电压和电流的平均值。 （2）在负载电流连续且可略去电流纹波影响时，此斩波电路 有类似于变压器的规律：电压比与电流比成反比，其导通比则类 似变压器的匝比k。 （3）在图4-4a的降压斩波电路中，由于电感的作用，使负载 电流脉动减小、乃至连续，这是实际负载所期望的。因此该电路 也是最常用的。人们把包含斩波开关S、电感L和续流二极管DF 的 电路称为降压斩波器的主电路。
图4-14 双极性PWM信号的产生 (a)产生电路 （b） 波形
图4-13 单极性PWM信号的产生 (a) 信号产生电路 （b）、（c）波形
图4-13产生的PWM信号是一种单一极性的脉 冲信号，当被用来控制一个单极性的斩波器 时，斩波器的输出电压将与这个PWM信号有 相似的波形。当要求产生这种单极性PWM波 时，三角波应该全部位于在时间轴上方，这 时只有正的控制电压起控制作用，且其值不 能超过三角波的幅值。
（a）实现电路 (b) 输入输出关系 图4-11 回差比较器的工作原理
三、时间比与瞬时值相结合的控 制方式
图4-10 瞬时值控制方式 （a）控制系统方框图 图4-12 时间比与瞬时值相结合的控制方式
（b）输出电压电流波形
（a）控制系统框图 （b）输出电压电流波形
4.3.2 PWM(Pulse Width Modulation)信号的产生
图4-24 升压斩波器 图4-23 MOSFET降压斩波电路 （a）电路图 (b)波形图 采用电压反馈控制使得该升压斩波器能 够输出较稳定的直流电压，调节电阻R8 可以在一定范围内调节输出电压值，这 些都使本电路具有很强的实用性。注意， 输出电压的最大值受限于导通比和 MOSFET、二极管D2 和电容C2的击穿电压。
MOSFET从断到通，源极电位大幅度变 化，而栅源之间电压并没有受到特别 大的影响。其原因就是驱动电路能够 在D1和C1的作用下自动提高栅极电压使 栅源电压得以维持。这种现象常被称 为“自举”。
4.5.3 带反电势负载的降压斩波电路
（一）电流连续时的工作情况
（1）开关导通期间（0<t <ton）
io (t )
1 U d (1 t ) I L U d I L 1 t
4.3 斩波电路的控制
4.3.1斩波电路的三种控制方式
一 时间比控制方式(Time Rate Control —— TRC)
定频调宽
图4-7 定 频调宽的 时间比控 制
定宽调频
图4-8 定 宽调频的 时间比控 制
图4-6 时间比控制时斩波器闭环 控制系统框图
图4－16 用恒 流源构成的三角 波发生器
4.4
桥式斩波电路
一、全桥斩波
◤图4-17是由四个桥臂构成的桥式斩波 器的主电路◢ ◤该电路不仅控制非常灵活，而且可以 在多种电路拓扑中灵活切换◢
◤特别地，当采用该斩波器构成直流调 速系统时，系统不仅具有宽的调速范围 和优良的调节特性，而且很容易实现直 流电机四象限运行。◢
t
U d dt
＝（2 t 1 U d ）
图4-17 桥式斩波器的主电路
斩波器将单一极性的电源电压转换成了双极性 的电压输出，且其输出电压可以在两倍于电源 电压的大范围内变化。输出电压波形只与PWM 控制信号有关，而与负载类型无关。负载可以 是电阻性、电阻电感性、反电势负载等任何类 型的负载。
所谓双极性的PWM信号是指PWM信号既有正脉 冲也有负脉冲，它一般作为桥式斩波器的 PWM控制信号
概括地说，当比较器的电源、三角 波和控制信号都是单极性时，比较 器的输出就是单极性的PWM信号；而 当比较器电源、三角波和控制信号 都是双极性时，比较器的输出就是 双极性的PWM信号。
4.3.3 三角波的产生
第4章 直流斩波电路
4.1 概述
用斩波器斩切直流的基本思想是：如 果改变开关的动作频率，或改变直流电 流接通和断开的时间比例，就可以改变 加到负载上的电压、电流平均值。 逆变-整流型DC-DC变换器由逆变和整流两 个功率变换环节共同构成
4.1.1 DC-DC功率变换电路
将一个直流电压变换成为另一个直 流电压，被称为DC-DC的功率变换。
◤图4-2所示就是一种推挽式DC-DC功率变 换器的结构示意图，它是由恒压恒频逆变 器（CVCF inverter）和高频整流电路两 个环节构成的 ◢
◤斩波控制型DC-DC功率变换器也就是直流斩 波器，则是一种从DC到DC的直接功率变换器◢ ◤由于只有一级变换，因而具有效率高、体积 小、重量轻、成本低等优点◢
图4-4 带电阻电感性负 载的斩波器 （a）主电路 （b）有 关电压电流波形
4.2.2 升压斩波电路
Ts Ts U0 Ud Ud t off Ts t on 1 Ud 1t
图4－5 升压斩波 器的工作原理
Io I D
t off I L Ts
(1 t ) I L
图4-15 用运放 构成的 三角波 发生器 （a）电 路图 （b）Ur ＝0时的 波形
（2）调节电位器W改变的值，可以改变三角波与 时间轴的相对位臵关系。只有当Un＝0时，三角波关于 时间轴对称，设臵此电位器的作用主要是可以调整消 除由于电路中各器件在正负电压工作时存在某些分散 性和不对称性对三角波的影响。 （3）三角波的频率取决于积分时间常数和分压比 （R2/R1）。在实际工作中必须选取频率特性较好的电 阻和电容作为积分电阻、积分电容及分压电阻。 （4）该三角波电路结构简单，在几千赫兹范围
s s on
Ts
0
Ts
0
R
Ts
0
R
R
1 PR Ts

Ts
0
1 u R iR dt Ts

ton
0
U U U d ( d )dt d t R R
2
由此可知，改变导通比，不仅能够控 制斩波器输出电压的大小，而且能够控制 其输出电流和输出功率的大小
电阻电感性负载
在图4-3a)中，因负载是纯阻性的，所以斩波器的输出电流 与输出电压波形相似，且都有很大的脉动。若要使负载电 流平滑化，需在原电路基础上增加平波电抗器L和续流二极 管DF，如图4-4a)所示。
4.2.1 降压斩波电路 纯电阻负载
◤按斩波开关所采用的器件分类：BJT 斩波器、MOSFET斩波器、IGBT斩波器、 Thyristor斩波器等等 ◢
◤按直流电源与负载间的能量传递关系 对斩波器分类 ：输出电压和电流皆不 可逆的称为单象限斩波器；仅输出电流 或输出电压可逆的称为两象限斩波器； 输出电流和电压都可逆的称为四象限斩 波器 ◢
图4-18 全桥 （c）t＋<t－时
t＋ t＝ Ts
1 U 0＝u o Ts
Ud u0 U d
，t＋期间 ，t 期间
t＋ t Ud Ts

Ts
0
1 u 0 dt Ts

t＋
0
1 U d dt Ts

Ts
二 半桥斩波 同步斩波 错位斩波
图4－20 双管错位 图4－21 双管错位 斩波特例一 （a） 斩波特例二 （a） 图4-19 双管同步斩波（a）半桥电路 （b） 电路图 （b）波形 电路图 （b）波形 io连续时的波形 （c）io断续时的波形 t 期间 U d ， 显然，无论半桥斩波器是工作在同步 u 0 U d ， t 期间 斩波还是错位斩波，其输出电压都可 0 ， t o 期间 以是双极性的，而输出电流只有单一
图4-3 带纯电阻负载的降压斩波器工作原理 （a）主电路（b）输出电压、电流波形 t 1 Ts 1 ton U R u R u R dt U d dt U d ( on ) U d t Ts 0 Ts 0 T T U 1 1 T uR 1 t U ds I1＝I R i R i R dt dt dt d t
内线性度和稳定性均很好。
若对三角波的线性度要求更高， 或要求为严格的等腰三角形时， 应采用恒流源对电容C进行充放 电，如图4-16就是一种用恒流 源构成的三角波发生器的电路 图。电容充放电电流的大小由 场效应管的栅源电压和电阻R所 决定。三角波从运放A2构成的 射极跟随器输出。而3140是高 输入阻抗的运放不会对电容的 充放电产生影响，从而保证了 三角波的线性度。改变电阻R或 者电容C的大小都可以改变三角 波的频率，所以该电路的频率 范围很宽，可以从几千赫兹到 几百千赫兹。
T 三角波电压是脉冲宽度调制用 R2 1 t 1 2 U DW 1 2U om 2 U DW ic dt dt U DW T 的载波信号，其频率决定了功率 R1 C t C 0 R3 2R 3C 开关管的开关频率。