斩波电路

图6-1 直流变换系统的结构图
第一节 降压式斩波变换电路
一、基本斩波器的工作原理
降压式斩波电路的输出电压平均 值低于输入直流电压Ud 。
最基本的降压式斩波电路如图6-2 所示：Q为斩波开关，是斩波电路 中的关键功率器件，它可用普通 型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者 其它自关断器件来实现。
Q交替通断，在负载上就可得到方 波电压。
图6-10 升压式斩波电路的电压与电流波形
6.2 升压式斩波电路
I O max
T UO 0.074 L
ILB和Io可用它们的最大值表示：
I LB 4k (1 k ) I LB max

IO
27 k (1 k ) 2 I O max 4
如果负载电流平均值降到低于Io，那么电流将由连续导 通变为不连续导通的工作模式。
6.2 升压式斩波电路
三、电流不连续导通的工作模式
第六章 直流斩波变换电路
直流斩波电路：将一个固定的直流电压变换成大小可变的直 流电压的电路。也称之为直流变换电路。 直流斩波技术的应用：被广泛应用于开关电源及直流电动机 驱动中，如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电 池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。从而使上 述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电 能的效果。 直流变换系统的结构如图6-1所示:

6.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ降压式斩波变换电路
四、输出电压纹波 斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含 有脉动成分，如图6-8波形所示。在连续导通工作模式中， 假定iL中的谐波分量通过电容器短路，其直流分量流过负 载电阻。图中阴影部分表示由电容C存贮并释放的电荷 ΔQ。 Q 1 1 I L T I L . T 纹波电压的峰－峰值ΔUO： U O
图6-5 临界连续时的电压、电流波形
6.1 降压式斩波变换电路
电流临界连续时 i0min＝０

平均电感电流
I LB
I LB
1 1 (i0 max i0 min ) i0 max 2 2
ton kT (U d U O ) (U d U O ) I O B 2L 2L
平均负 载电流
在给定T、UO、L和k等参数的条件下，如果平均输 出电流或平均电感电流小于由上式给出的ILB值，那 么iL将不再连续。
6.1 降压式斩波变换电路

三、电流不连续导通时的工作模式 电流不连续导通的工作模式分为输入电压Ud不变和输出 电压UO不变两种情况，这里主要介绍Ud不变的非连续导 通模式。
6.2 升压式斩波电路


在升压式斩波电路的大多数应用中都需要Uo保持不变。 只要占空比可以调整，就允许输入电压变动。 Io、ILB 与占空比k的函数关系如图6-9所示。由图可知， ILB在k=0.5时出现最大值ILBmax ，而IO在k＝1/3时出 现其最大值Ioma
I LB max

TU O 8L
T=Ton+Toff
6.1 降压式斩波变换电路
若定义斩波器的占空比k=ton/T
,则由波形图
上可获得输出电压平均值为
由上式可知，当占空比k从0变到１时，输出
t on 1 ton U 0 u 0 dt U d kU d T 0 T
电压平均值从0变到Ud。占空比k的改变可以通 过改变ton或T来实现。
I LB TU O 1 1 Ud i LM t on k (1 k ) 2 2 L 2L

在升压式斩波电路中，电路结构决定了电感电流和输 入电流是一样的，即id=iL。可求得输出电流的平均值：
IO T UO 2L k (1 k ) 2
图6-9 升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形
图6-4 降压式斩波器的电路工作状态
一周期内

T
0
uL dt uL dt uL dt 0
0 ton
ton
T
(U d U0 )ton Uo (T ton )
ton U o U d kUd T
6.1 降压式斩波变换电路


在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效 于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占 空比k在０到１的范围内连续控制。 电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电 感电流由连续变为不连续。如图6-5a所示为电流临界连 续状态时的uL和iL波形。

在Ud和k保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的， 升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式 变化，波形如图6-10所示。图6-10a为连续导通时电感 中的电压与电流波形；图6-10b为电流不连续导通时电感 中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值iLm是一样 的，但是非连续导通模式的输出功率将减小。

假定Ud和所有参数不变，对于连续导通模式来说在 k=0.5时输出的电流最大，其值为 I LBMAX TU d
8L
因此：I LB

4I LB max k (1 k )
在给定了T、L、Ud和k值以后并假定这些参数均不变化， 这时若负载电流减小，即负载电阻值增加，那么平均电 感电流将随之而减小。当I L＜IOB时，电感电流的波形如 图6-6所示，图中表明电感L贮能较小，不足以维持在全 部关断时间toff内导通，因此出现电感电流不连续的现象。 电流不连续导通工作模式的另一种情况是Ud可能变动而 保持输出电压Uo不变。它在直流可调电源中得到广泛应 用，输出电压 Uo可通过调整占空比k使其维持不变。
一、 原理图：
L i1 E iG
图6-7 升压式斩波电路
储存电能
VD io V C uo R
保持输出电 压
该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定 滤波电容很大，并使输出电压保持不变，即uo(t)=Uo。
6.2 升压式斩波电路
二、电流连续导通时的工作模式 V导通：电感储能，负载由电 容C供电。 V关断：电感释放能量，与Ud 一起作用向负载供电。 电感电压在一个周期内的平均 值为0
图6-8 升压式斩波电路及波形
U d t on (U d U O )t off 0
T T UO 1 Ud toff T ton 1 k
U d T U Otoff
UO 1 Ud 1 K
6.2 升压式斩波电路

临界连续导通时，电感中的电压和电流波形如图6-9a所 示。该工作模式下,iL在关断结束时刚好变为零。此时流 过电感中的电流平均值为
图6-3 带感性负载的斩波电路
6.1 降压式斩波变换电路
二、电流连续的导通工作模式

diL V导通 u L U d U 0 L dt i0 max i0 min diL Ud U0 L L dt t on
V关断
i0 min i0 max i0 max i0 min diL U 0 L L L dt t off t off

Ud不变的非连续导通模式常

用于直流电机的速度控制。 输入电压Ud保持不变，输 出电压UO可通过调整斩波器 的占空比k进行控制。 由于UO=kUd，在iL=0 的特 定情况下，电感电流的表达 式可改写为 TU
图6-6
Ud不变时非连续的电压、电流波形
I LB
d
2L
k (1 k )
6.1 降压式斩波变换电路
C C 2 2 2 8C
2 U 0 1 T (1 k ) 2 f (1 k )( C ) 2 其纹波电压相对值： U0 8 LC 2 fs
式中fs----开关频率， f S 1/ T ；
fC为L、C低通滤波器的固有频率 f C 1/ 2 LC 。
第二节 升压式斩波电路
斩波电路三种控制方式
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
6.1 降压式斩波变换电路

实际应用中负载多为电感性，多采用如图6-3所示电路。 稳态分析表明，若输出端上的电容C很大，则输出电压 可近似为常数uo(t)≈UO。由于稳态时电容器的平均电流 为零，因而电感中的平均电流等于输出平均电流。根据 电感中的电流连续与否，以下分别对电流连续和电流不 连续（断续）的两种工作模式进行讨论。