第5章 直流斩波
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第5章 直流-直流变换电路
Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。 斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同。 斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完全相同
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
t
tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程 来分析，初始条件分电流连续和断续。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V关断时
给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也
可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
第5章 直流斩波电路
U0 D 1 D E
图5.21 Zeta斩波电路
图5.8 升压型斩波器主电路临界导通时的电压和电流的波形
5.3.2 连续导电模式
电流连续时升压型斩 波电路的工作波形如 图5.9所示。 输出电压
U0 T t o ff E 1 1 D E
图5.9 升压型斩波器电压与电流波形
5.3.3 断续导电模式
当E和D保持不变时， 若输出负载功率逐步 减小，其电流也逐步 减小。当小于临界电 流时，电流就会出现 断续，虽然电流峰值 ILm不变，但其输出 功率将减小。
图5.19 Cuk电路断续工作波形
5.6 其他形式斩波电路
5.6.1 Sepic斩波电路
5.6.2 Zeta斩波电路
5.6.1 Sepic斩波电路
图5.20是Sepic斩波电路的主 电路图。当VT处于通态时， E—L1—VT回路和C1—VT— L2回路同时导电，L1和L2储 能。VT处于断态时，E— L1—C1—VD—负载(C2和R) 回路及L2—VD—负载回路同 时导电，此阶段E和L1既向负 载供电，同时也向C1充电， C1储存的能量在VT处于通态 时向L2转移。 Sepic斩波电路的输入/输出关 系由下式给出： t E D E U
L
图5.5 断续状态下斩波器输出波形
5.2.4 输出电压纹波
斩波电路的输出端电 容不可能无穷大，而 是一个有限值，所以 输出电压含有脉动成 分。
图5.7 降压斩波电路的输出纹波
5.3 升压斩波电路(Boost电路)
5.3.1 电路结构与基本原理
5.3.2 连续导电模式 5.3.3 断续导电模式 5.3.4 输出电压纹波
5.2.1 电路结构与基本原理
假设VT、VD均为理想开关元件，并设VT的一个控制周期 为T。在t = 0时刻驱动VT导通，在ton导通期间内，电感L 中有电流通过，电流按指数曲线缓慢上升，负载电压等于 电源电压E。t = t1时刻，VT关断，负载电流经续流管VD 释能，输出电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
图5.21 Zeta斩波电路
图5.8 升压型斩波器主电路临界导通时的电压和电流的波形
5.3.2 连续导电模式
电流连续时升压型斩 波电路的工作波形如 图5.9所示。 输出电压
U0 T t o ff E 1 1 D E
图5.9 升压型斩波器电压与电流波形
5.3.3 断续导电模式
当E和D保持不变时， 若输出负载功率逐步 减小，其电流也逐步 减小。当小于临界电 流时，电流就会出现 断续，虽然电流峰值 ILm不变，但其输出 功率将减小。
图5.19 Cuk电路断续工作波形
5.6 其他形式斩波电路
5.6.1 Sepic斩波电路
5.6.2 Zeta斩波电路
5.6.1 Sepic斩波电路
图5.20是Sepic斩波电路的主 电路图。当VT处于通态时， E—L1—VT回路和C1—VT— L2回路同时导电，L1和L2储 能。VT处于断态时，E— L1—C1—VD—负载(C2和R) 回路及L2—VD—负载回路同 时导电，此阶段E和L1既向负 载供电，同时也向C1充电， C1储存的能量在VT处于通态 时向L2转移。 Sepic斩波电路的输入/输出关 系由下式给出： t E D E U
L
图5.5 断续状态下斩波器输出波形
5.2.4 输出电压纹波
斩波电路的输出端电 容不可能无穷大，而 是一个有限值，所以 输出电压含有脉动成 分。
图5.7 降压斩波电路的输出纹波
5.3 升压斩波电路(Boost电路)
5.3.1 电路结构与基本原理
5.3.2 连续导电模式 5.3.3 断续导电模式 5.3.4 输出电压纹波
5.2.1 电路结构与基本原理
假设VT、VD均为理想开关元件，并设VT的一个控制周期 为T。在t = 0时刻驱动VT导通，在ton导通期间内，电感L 中有电流通过，电流按指数曲线缓慢上升，负载电压等于 电源电压E。t = t1时刻，VT关断，负载电流经续流管VD 释能，输出电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
直流斩波电路
0
保持输出电压
时向电容C充电，并向负载提供能量。
io
I1
0
图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形
5.1.2 升压斩波电路
3) 数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
3.1.1 降压斩波电路
同样可以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 EI t o on
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI 2T E I T o M o 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。
E E m e 1 m e 1 R R E E m 1 e m R R 1 e
t
(5-9)
(5-10)
1 t1 m 式中， L / R ， T / ， Em / E ， / ，I10和I20分别是负 T 载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 mE I (5-11) I 10 I 20 o R T
i1 IL
t on
t off
o
i2 IL
t
o
b)
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
t
3.1.3 升降压斩波电路
3) 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
保持输出电压
时向电容C充电，并向负载提供能量。
io
I1
0
图5-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形
5.1.2 升压斩波电路
3) 数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
3.1.1 降压斩波电路
同样可以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 EI t o on
在整个周期T中，负载消耗的能量为 RI 2T E I T o M o 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。
E E m e 1 m e 1 R R E E m 1 e m R R 1 e
t
(5-9)
(5-10)
1 t1 m 式中， L / R ， T / ， Em / E ， / ，I10和I20分别是负 T 载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得 mE I (5-11) I 10 I 20 o R T
i1 IL
t on
t off
o
i2 IL
t
o
b)
图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
t
3.1.3 升降压斩波电路
3) 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
第五章 交流调压电路与斩波电路
。
交流调压与斩波电路 压力检测方法及仪表
19
（2） 电感性负载的功率因数角为
arctan wL
R arctan 2.3 2.3 4
最小控制角为
min
4
故控制角的范围为 π/4≤α≤π。
最大电流发生在 αmin=φ=π/4处，负载电流为正弦波，其 有效值为
Io Uo R (wL)
交流调压与斩波电路 压力检测方法及仪表
1
•
基本方式：
交流电力 控制电路 只改变电压,电流 或控制电路的通 断,而不改变频率 的电路。
交流调压电路 相位控制
在每半个周波内通过对晶闸管开通相位 的控制，调节输出电压有效值的电路。
交流调功电路 通断控制
以交流电的周期为单位控制晶闸管的 通断，改变通态周期数和断态周期数的 比，调节输出功率平均值的电路。
2 1 2 2
阻抗角
9
交流调压与斩波电路 压力检测方法及仪表
因为ω t＝α ＋θ 时，io＝0。将此条件代入式
2U io [sin(wt ) sin( )e tan ] Z
可求得导通角θ 与控制角α 、负载阻抗角φ 之间的定量关系表达式为
tan
wt
sin( ) sin( )e
交流调压与斩波电路 压力检测方法及仪表
12
VT1
3) 当α ＜φ 时，导通角θ ＞π 。 电源接通后，在电源的正半周，若先触发VT1，
若采用窄脉冲触发:若触发脉冲的宽度小于a+θ -(a+π )=θ -π 时，
当VT1的电流下降为零关断时，VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。 到了下个周期，VT1又被触发导通重复上一周期的工作，
第5章直流-直流变换电路习题
一、问答题5-1、试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Buck ），升压斩波电路（Boost ），升-降压斩波电路（Buck-Boost ）和库克（Cuk ）斩波电路。
降压斩波电路是输出电压的平均值低于输入电压的变换电路。
它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。
升压斩波电路是输出电压的平均值高于输入电压的变换电路。
它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。
升-降压变换电路是输出电压的平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。
主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。
库克电路也属升-降压型直流变换电路，但输入端电流波纹小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。
5-2、简述图3-1基本降压斩波电路的工作原理。
输出电压电流波形。
答：0=t 时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压E u =0，负载电流0i 按指数曲线上升。
1t t =时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0u 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。
5-3、根据下图简述升压斩波电路的基本工作原理。
（图中设：电感L 、与电容C 足够大）输出电流波形答：当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，设充电电流为i 1，L 值很大，i 1基本恒定，同时电容C 向负载供电，C 很大，使电容器电压u 0基本不变，设V 处于通态的时间为t on ，在t on 时间内，电感L 上积蓄的能量为EI 1t on ；图3-2 基本升压斩波 图3-1基本降压斩波电路当V 处于断态时，E 与L 同时向电容充电，并向负载R 提供能量。
设V 处于断态的时间为t off ，在t off 时间内L 释放的能量为（U 0-E ）I 1t off ，在一周期内L 积蓄的能量与释放的能量相等。
可求得： E t T U off=0。
第5章 直流斩波电路
3-4
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 时控制 V 关断，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。
通常串接较大电感 L 使负载 电流连续且脉动小。
电力电子技术
3-5
数量关系
电流连续
ton ton Uo E E E ton tof f T
t on I1 I2 t off
由上式得：
toff 1 I2 I1 I1 ton
EI1 U o I 2
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
3-37
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。
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
负载电压平均值：
（3-1）
负载电流平均值：
Io
U o EM R
（3-2）
电力电子技术
3-6
is1
g i + C m E
L
is
IGBT
m k
Diode E Pulse
+ v a
R uo
+ v -
Vo
i
V
uR
ivd
+
-
A
E=200V, L=10 mh, 负载电阻R=5Ω periode=0.0002s (频率5KHz)
EI1ton (Uo E)I1toff 化简得： U ton tof f E T E o tof f tof f
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 时控制 V 关断，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。
通常串接较大电感 L 使负载 电流连续且脉动小。
电力电子技术
3-5
数量关系
电流连续
ton ton Uo E E E ton tof f T
t on I1 I2 t off
由上式得：
toff 1 I2 I1 I1 ton
EI1 U o I 2
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
3-37
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。
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比
负载电压平均值：
（3-1）
负载电流平均值：
Io
U o EM R
（3-2）
电力电子技术
3-6
is1
g i + C m E
L
is
IGBT
m k
Diode E Pulse
+ v a
R uo
+ v -
Vo
i
V
uR
ivd
+
-
A
E=200V, L=10 mh, 负载电阻R=5Ω periode=0.0002s (频率5KHz)
EI1ton (Uo E)I1toff 化简得： U ton tof f E T E o tof f tof f
电力电子技术-5.1直流斩波
z EM E e ( 1 T1/ E M T TR ) (1 ) T / I 20 e e ) , (1z z R R e 1 R L
上式代入
[t 1,T]
I I 20 I10
E R
1 e
di 1 E EM t / t / L (1 / 0 t t1 i1 EIM10 eRi 1) T E E ME , T(1 Me E M) (1 ) T / E E E M I 10 e e e e dt I R d R R R R 0 T 0 . 5 T I I max R T di 2 ) i 1 ( 0 ) t / I 10 , M ( Ed ( 1 ) T / E L / RE ( t t 1 ) / t 1 E L Ri 2 Ee(1 e0M, (te1 ),) 20 i1 ( t 1 ) M t I T e e e 1 + Ii10 (1 I 20 ) 2 R R dt RR EM T RT T T
输出电压平均值为： ton E (T ton t x ) EM Uo T 负载电流平均值为：
1 (1 m)e t x ln m
电流断续时的波形
t2
t
tx<toff
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
1
t1
5.1.1 降压斩波的工作原理 输出电压平均值 Ua u 0 dt
T
0
t1 T
E ft 1 E E
5直流斩波电路
形式。
斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/断控制实现的。用于斩波器的电力电子
器件可以是晶闸管，也可以是 IGBT 等全控器件。由于晶闸管没有自关断能力，采用晶闸
管构成斩波电路时，必须设置专门的强迫换流电路来实现关断，因此电路结构比较复杂。
而全控制型器件具有自关断能力，通过控制电路即可实现导通与关断的控制，故由全控型
期。斩波器的输出波形如图 5.1(b)所示。开关的导通时间与开关周期之比定义为斩波器的
占空比(Duty Ratio)D，即
D = ton T
(5.1)
(a)电路
(b)波形
图 5.1 斩波电路原理图
在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的开通时间与关断时间，即调 节占空比，即可控制输出电压的平均值。
次导通为止。断续状态下斩波器输出波形如图 5.5
所示。
当负载电流断续时，电路中存在三种工作状
态。第一种情况是开关 VT 导通，续流管 VD 截止。
此阶段电感电流呈上升趋势。第二种情况是开关
VT 关断，续流管 VD 导通，电感通过续流二极管
释放储能，电感电流呈下降趋势。第三种情况是
开关 VT 处于关断状态，续流管 VD 也处于截止状
第 5 章 直流斩波电路
通过电力电子器件的开关作用，将恒定直流电压变为可调直流电压或将变化的直流电 压变换为恒定的直流电压的电力电子电路，称为直流斩波电路，相应的装置称为斩波器。斩 波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，广泛应用于直流牵引变速拖动系统、可 调整直流开关电源、无轨电车、地铁列车中。本章首先介绍斩波电路的基本工作原理，并对 四种基本斩波电路的结构与工作情况进行分析，最后对其他形式的斩波电路做简要介绍。
5 直流斩波电路--问题与要点
*直流斩波电路电压、电流计算要点？(每个周期： 输入、输出能量相等，电感平均电压为零)
1 (1)画直流降压斩波电路uGE、io、uo波形。能否 用场效应管、三极管等全控型元件作为开关？(2) 导出输出电压平均值及占空比(Uo=E*t1/T= αE)。 (3)平波电抗器L无穷大时，导出输入、输出电流 平均值Ii、Io公式(I1= α Io 、Io=(αE-EM)/R) 。
出电流脉动)。相数、重数各指什么？(相数是一个周
期内电源侧的电流脉波数，重数是负载侧电流脉波
数) 。
u1
uO
t
2
O
t
u3
O
t
u
o
O
t
VD3 VD2 VD1
i1
O
t
u3 u2 u1
i2
O
t
i3
O
t
i o
O
t
8 描述直流斩波电路的三种时间比控制法。(9 (1)什么是换流或换相？(电流按要求的时刻和 次序从一个支路向另一个支路转移的过程) 。
(2)理解晶闸管的换流方法：交流电源换流、负载 换流、强迫换流(电压式、电流式)。
5 (1)画直流可逆斩波电路三种工作方式uo、 io波 形。(2)指出拖动和回馈制动时的电路状态(拖动： V1、VD1工作， V2、VD2关断；制动：V2、VD2 工作， V1、VD1关断) 。
直流可逆斩波电路
6 理解桥式可逆斩波电路四象限(uo纵坐标、io横 坐标)工作原理。
桥式可逆斩波电路
7 理解多相多重斩波电路原理及其目的(减小输入、输
iL1
+ - iL2
iV
iVD
Boost-Buck Copper
Cuk 斩波电路
1 (1)画直流降压斩波电路uGE、io、uo波形。能否 用场效应管、三极管等全控型元件作为开关？(2) 导出输出电压平均值及占空比(Uo=E*t1/T= αE)。 (3)平波电抗器L无穷大时，导出输入、输出电流 平均值Ii、Io公式(I1= α Io 、Io=(αE-EM)/R) 。
出电流脉动)。相数、重数各指什么？(相数是一个周
期内电源侧的电流脉波数，重数是负载侧电流脉波
数) 。
u1
uO
t
2
O
t
u3
O
t
u
o
O
t
VD3 VD2 VD1
i1
O
t
u3 u2 u1
i2
O
t
i3
O
t
i o
O
t
8 描述直流斩波电路的三种时间比控制法。(9 (1)什么是换流或换相？(电流按要求的时刻和 次序从一个支路向另一个支路转移的过程) 。
(2)理解晶闸管的换流方法：交流电源换流、负载 换流、强迫换流(电压式、电流式)。
5 (1)画直流可逆斩波电路三种工作方式uo、 io波 形。(2)指出拖动和回馈制动时的电路状态(拖动： V1、VD1工作， V2、VD2关断；制动：V2、VD2 工作， V1、VD1关断) 。
直流可逆斩波电路
6 理解桥式可逆斩波电路四象限(uo纵坐标、io横 坐标)工作原理。
桥式可逆斩波电路
7 理解多相多重斩波电路原理及其目的(减小输入、输
iL1
+ - iL2
iV
iVD
Boost-Buck Copper
Cuk 斩波电路
直流斩波工作原理
直流斩波工作原理
直流斩波是一种将直流电转换为可变直流电压的技术，它基于电子开关的快速切换和脉宽调制的方法。
该技术常用于电力电子系统中，用来控制功率电子器件（如变频器、电机驱动器等）的输出电压。
直流斩波的工作原理如下：首先，直流电源通过一个电感与开关元件（如晶体管）连接。
开关元件以一定频率进行开关操作，将直流电源的电流转换成脉冲电流。
然后，通过控制开关元件的开关时间（脉宽调制），可以调节输出电压的大小。
在每个开关周期内，开关元件会周期性地打开和关闭。
当开关元件关闭时，电感中的电流会继续流动，产生一个变化的磁场。
当开关元件打开时，电感中的磁场会崩溃，将储存的能量释放出来。
由于电感的特性，崩溃过程中会产生一个反向的电压，称为“误差电压”。
通过调整开关元件的开关时间，可以控制发生误差电压的时间和持续时间。
当开关时间较短时，误差电压的时间和幅值较小；当开关时间较长时，误差电压的时间和幅值较大。
通过这种方式，可以控制输出电压的大小和稳定性。
总的来说，直流斩波是通过控制开关元件的开关时间和频率来实现对直流电压的调节。
利用电感的特性，可以在开关周期内产生误差电压，并通过调整开关时间来控制输出电压的大小。
这种技术在电力电子系统中具有广泛的应用，能够提供可靠和稳定的电源输出。
第五章 斩波电路
图5.14 升降压斩波电路
5.4.2 连续导电模式
电感电压在一个周期内积 分为零
0.5
D 1 升压 0 D 0.5 降压
图5.15 升降压斩波电路连续工作波形图
5.4.3 断续导电模式
如图5.16是升降压斩波 电路断续情况下的波形。
图5.16 升降压斩波电路断续工作波形图
U0 D E D 1
图5.5 断续状态下斩波器输出波形
5.2.4 输出电压纹波
斩波电路的输出端电容不 可能无穷大，而是一个有 限值，所以输出电压含有 脉动成分。
图5.7 降压斩波电路的输出纹波
5.3
升压斩波电路(Boost电路)
5.3.1 电路结构与基本原理
当开关管VT导通时，a、b两端相当于短路，二极管承受反压而截止
图5.17 Cuk斩波电路
5.5.2 连续导电模式
整理得：
U0 D E 1 D
图5.18 Cuk电路连续导电模式波形
5.5.3 断续导电模式
斩波开关VT和二极管VD都 截止
图5.19 Cuk电路断续工作波形
5.6 其他形式斩波电路
5.6.1 Sepic斩波电路
当VT处于通态时，E—L1—VT回 路和C1—VT—L2回路同时导电，L1 和L2储能。 VT处于断态时，E—L1—C1— VD—负载(C2和R)回路及L2—VD— 负载回路同时导电，此阶段E和L1 既向负载供电，同时也向C1充电， C1储存的能量在VT处于通态时向L2 转移。 Sepic斩波电路的输入/输出关系由 下式给出：
U0 ton D E E toff 1 D
图5.20 Sepic斩波电路
电力电子技术第5章 直流-直流变换电路
5.2 单管非隔离直流斩波器
5.2.1、降压式直流斩波电路
1、电路结构
电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为 电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电 容，R为负载；Us为输入直流电压，U0为输出直流电压。
is
VT
- + UL
iL
L
iD
Us
VD
i0 + u0
CR
toff≥1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压Us，
该变换电路称为升压式斩波电路。
5.2.3 升降压式直流斩波电路
1、电路的结构
该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二 极管VD反向串接在储能电感与负载之间。
iT VT
iD
iL +
uL
Us
L
-
VD
-
-
uC
u0
C
R
+ +
图5-9 升-降(压a)式斩波电路及工作波形
2、工作原理
2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左 负右正，VD转为正偏，电感L与电源Us叠加共同向 电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为
toff，则此时间内电感电压为 (U o U S ) 。
图5-8 Boost变换器电流连续工作模式波形图
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性
图5-5 电流连续工作模式波形图
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性 T
ton
T
uLdt uLdt uLdt 0
0
0
ton
设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：
电力电子技术第5章 直流斩波电路
V处于断态时 UL = -U0
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 44 位。
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
（b）一种实用正激电路
45
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
T2时刻磁芯复位
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 46 位。
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
所以输出电压为：
ton ton （5-41） Uo E E E toff T ton 1
结论 当0< <1/2时为降压，当1/2< <1时为升压， 故称作升降压斩波电路。也有称之为buckboost 变换器。
（a）降压斩波电路
(b)正激电路
35
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0
（a）当T导通时，正激电路
36
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于断态时 UL = -U0
（b）当T断开时，正激电路
37
5.3.1正激电路
正激电路分析：
（a）当T导通时，正激电路
39
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。
（a）正激电路
40
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。 解决措施：在隔离变压器中增加一个去磁绕组，将变 压器中存储的激磁能量反激到电源中。 去磁绕组
（a）正激电路
第5章 直流-直流变换电路
N1
图5-16(a)
2、工作原理 2 ）开关管 VT 截止时，工作状态如图 5-16(b) 所示，
变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极
管 VD2 续流。在开关管 VT 断开期间，电感电压为负， uL U 0 电流线性下降。电感电压
图5-16(b)
在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内 积分为零。因此
2、工作原理
2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感
应电势，使二极管导通，故电流 iL 经二极管 VD 续 流， uL=-uo （原方向设为正），电感 L向负载供电， 电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图 (b)所示。
图5-4
连续和断续两种工作模式波形图
3、基本数量关系
5.3.1 单端正激变换器
1、电路结构 单端正激变换器由 Buck变换器派生而来。下图(a) 为 Buck 变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔
离变压器，即可得到图 (b)的单端正激变换器。
图5-15
单端正激变换器结构
2、工作原理
1 ）开关管 VT 导通时，工作状态如图 5-16(a) 所示，根据图 中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流， VD1 导 通， VD2 截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线 性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通 期间，电感电压 uL N 2 U s U 0
因此，输出电压 Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压Us、开 关占空比DVT1和DVT3有关，而与负载电流io的大小和方向无关 如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则 输出电压 uo 由输出电流 io 的方向决定。这将引起输出电压平均 值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同 时处于断开的情况发生。
图5-16(a)
2、工作原理 2 ）开关管 VT 截止时，工作状态如图 5-16(b) 所示，
变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极
管 VD2 续流。在开关管 VT 断开期间，电感电压为负， uL U 0 电流线性下降。电感电压
图5-16(b)
在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内 积分为零。因此
2、工作原理
2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感
应电势，使二极管导通，故电流 iL 经二极管 VD 续 流， uL=-uo （原方向设为正），电感 L向负载供电， 电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图 (b)所示。
图5-4
连续和断续两种工作模式波形图
3、基本数量关系
5.3.1 单端正激变换器
1、电路结构 单端正激变换器由 Buck变换器派生而来。下图(a) 为 Buck 变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔
离变压器，即可得到图 (b)的单端正激变换器。
图5-15
单端正激变换器结构
2、工作原理
1 ）开关管 VT 导通时，工作状态如图 5-16(a) 所示，根据图 中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流， VD1 导 通， VD2 截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线 性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通 期间，电感电压 uL N 2 U s U 0
因此，输出电压 Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压Us、开 关占空比DVT1和DVT3有关，而与负载电流io的大小和方向无关 如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则 输出电压 uo 由输出电流 io 的方向决定。这将引起输出电压平均 值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同 时处于断开的情况发生。
第5章复习题答案
第5章 直流-直流变流电路填空题：1.直流斩波电路完成的是直流到_另一固定电压或可调电压的直流_的变换。
2.直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压_和_升压_。
3.斩波电路有三种控制方式：_脉宽调制_、_调频型 和_混合型_。
4.升压斩波电路的典型应用有_直流电动机传动_和_单相功率因数校正电路_等。
5.升降压斩波电路呈现升压状态的条件为_1/2<α<1_。
6.与Cuk 斩波电路电压的输入输出关系相同的有_升降压斩波_电路、_Sepic 斩波__电路和_Zeta 斩波__电路。
7.Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路具有相同的输入输出关系，所不同的是：_Sepic 斩波电路_的电源电流连续但负载电流断续，__Zeta 斩波电路_的电源电流断续而输出电流连续的，但两种电路输出的电压都为__正___极性的 。
8.斩波电路用于拖动直流电动机时，降压斩波电路能使电动机工作于第_1_象限，升压斩波电路能使电动机工作于第__2___象限，_电流可逆斩波_电路能使电动机工作于第1和第2象限。
9.桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第__1、2、3、4__象限。
10.复合斩波电路中，电流可逆斩波电路可看作一个_降压_斩波电路和一个_升压_斩波电路的组合；多相多重斩波电路中，3相3重斩波电路相当于3个_降压__斩波电路并联。
计算题：11.在升压斩波电路中，设E ＝100V ，R ＝250Ω，全控器件导通占空比为0.8，C ＝∞。
(1)计算输出电压平均值Uo ，输出电流平均值Io 。
)(500100511o V E U =⨯=-=α，）（A RU I 2250/500o o === (2)计算输入输出功率。
)(102100/500o o 1A I E U I =⨯==输入输出功率相等为W I U EI P o o 10001010011=⨯===12.如图所示降压斩波电路，设输入电压为200V ，电感L 是100mH, 电容C 无穷大，输出接10Ω的电阻，电路的工作频率是50kHz ，全控器件导通占空比为0.5，求：输出直流电压U o ，输出直流电流I o 。
实验五 直流斩波电路实验报告
实验五直流斩波电路实验报告一、实验目的1、熟悉直流斩波电路的工作原理。
2、掌握直流斩波电路的基本组成和结构。
3、学会使用实验设备对直流斩波电路进行测试和分析。
4、深入理解斩波电路中占空比与输出电压之间的关系。
二、实验设备1、直流电源2、示波器3、信号发生器4、电阻、电容、电感等电子元件5、数字万用表三、实验原理直流斩波电路是将直流电源电压斩成一系列脉冲电压，通过改变脉冲的宽度或频率来控制输出电压的平均值。
常见的直流斩波电路有降压斩波电路（Buck 电路）、升压斩波电路（Boost 电路）和升降压斩波电路（BuckBoost 电路）等。
以降压斩波电路为例，其工作原理如下：当开关管导通时，电源向负载供电，电感储存能量；当开关管截止时，电感释放能量，二极管续流，维持负载电流连续。
通过调节开关管的导通时间与周期的比值（即占空比 D），可以改变输出电压的平均值。
输出电压的平均值＄U_{o}＄与输入电压＄U_{in}＄的关系为：＄U_{o} ＝ D ＼times U_{in}＄，其中 D 为占空比。
四、实验步骤1、按照实验电路图连接好电路，仔细检查电路连接是否正确，确保无误。
2、调节直流电源，使其输出一个合适的电压值，作为输入电压。
3、设置信号发生器，产生合适的控制信号，控制开关管的导通与截止。
4、用示波器观察输入电压和输出电压的波形，测量并记录其幅值、频率和占空比。
5、改变占空比，重复步骤 4，记录不同占空比下的输出电压值。
6、对升压斩波电路和升降压斩波电路进行同样的实验操作。
五、实验数据记录与分析｜占空比 D ｜输入电压＄U_{in}＄（V）｜输出电压＄U_{o}＄（V）｜理论计算值＄U_{o}＄（V）｜误差｜｜｜｜｜｜｜｜ 02 ｜ 10 ｜ 20 ｜ 20 ｜ 0% ｜｜ 04 ｜ 10 ｜ 40 ｜ 40 ｜ 0% ｜｜ 06 ｜ 10 ｜ 60 ｜ 60 ｜ 0% ｜｜ 08 ｜ 10 ｜ 80 ｜ 80 ｜ 0% ｜从实验数据可以看出，实际测量值与理论计算值基本相符，误差在可接受范围内。
第5章---直流斩波电路
降压斩波电路 （Buck Chopper)
电路构造
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。
续流二极管
负载 出现 旳反 电动 势
经典用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
5.1.1
工作原理
降压斩波电路
V
L io R
E
iG
VD uo
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。
高； 6. 直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。
5.2.3 多相多重斩波电路
➢ 基本概念 多相多重斩波电路
在电源和负载之间接入多种 构造相同旳基本斩波电路而
构成
相数 重数
一种控制周期 中电源侧旳电
流脉波数
负载电流脉波数
5.2.3 多相多重斩波电路
3相3重降压斩波电路
电路构造：相当于由3个 降压斩波电路单元并联 而成。
t2
E
+
M EM
-
t
t
t t t
O
EM
t
c) 电流断续时旳波形
图5-1 降压斩波电路得原理图及波形
5.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值：
Uo
ton ton toff
E ton T
E E
（5-1）
ton——V通旳时间 toff——V断旳时间 a--导通占空比
负载电流平均值：
5.2.1 电流可逆斩波电路
电路构造
V1和VD1构成降压斩波电路，电动机 为电动运营，工作于第1象限。
V2和VD2构成升压斩波电路，电动机 作再生制动运营，工作于第2象限。 uo
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EI1 EI o U o I o
输出功率等于输入功率 降压斩波器可看作为直流降压变压器
降压斩波电路Buck Chopper
负载电流断续（电感值不够大）
1 (1 m)e t x ln I10=0，且t=tx时，i2=0 m 式（3-7）
式（3-6）
第五章 直流斩波电路
DC to DC Converters (Choppers)
DC to DC Converters
本章主要内容
基本斩波电路
复合斩波电路和多相多重斩波电路
带隔离的直流－直流变流电路
DC to DC Converters 基本斩波电路
降压斩波电路
Buck converter (Step-down converter)
ton——V导通的时间 toff——V断开的时间 a---导通占空比Duty cycle
（3-1）
输出负载电压平均值最大 为E，改变占空比可改变输 出电压大小，所以此电路 为降压斩波电路
降压斩波电路Buck Chopper 负载电流平均值：
U o EM Io R 电流断续，Uo被抬 高，一般不希望出现
Zeta斩波电路
◆输入输出关系为
Uo E 1
Zeta斩波电路
■讨论：两种电路具有相同的输入输出关系， Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有 利于输入滤波；Zeta电路的电源电流断续而负载 电流连续；两种电路输出电压均为正极性。
Hale Waihona Puke 带隔离的直流直流变流电路 正激电路 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路 全波整流和全桥整流 开关电源
tx<toff
电流断续的条件：
e 1 m e 1
输出电压平均值为： ton E (T ton tx ) EM ton t x Uo 1 m E T T 负载电流平均值为： tx ton t x E U o Em 1 ton I o i1 d t i2 d t m 0 T 0 T R R
升压斩波电路Boost Chopper
电路结构
储存电能
保持输出 电压
此电路为降压电路不考虑开关极性情况 下，逆时针方向旋转90°
升压斩波电路Boost Chopper 工作原理
假设L和C值很大 V处于通态时，电源E向电 感L充电，充电电流基本 恒定I1，电容C向负载R供 电，输出电压Uo基本恒定 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
Septic斩波电路和Zeta斩波电路
◆输入输出关系
t on t on Uo E E E t off T t on 1
Zeta斩波电路
◆工作原理
☞V导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。 ☞V关断时，L1－VD－C1构成振荡回路， L1的能量转 移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向 负载供电。
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
图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a）电路图 b） 等效电路
降升压斩波电路和Cuk电路
数量关系 稳态时电容上的电流一周期内平均值为零
T
0
iC d t 0
V处于通态的时间为ton，电容电流和时间的乘积为
I2ton。V处于断态的时间为toff，电容电流和时间的
RI T E
2 o
M o
IT
降压斩波电路Buck Chopper
从能量传递关系出发对电路进行推导 一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的 能量相等
EIoton RI T EM I oT
2 o
Io
E EM
R
负载电流连续情况下，电源电流平均值为
t on I1 I o I o 电源侧电流小于等于负载电流 T
乘积为I1toff,由此有：
I 2ton I1toff
I 2 toff T ton 1 I1 ton ton
降升压斩波电路和Cuk电路
数量关系 当开关在B点时，A，B点电压 为 U A uC U B 0 当开关在A点时，A，B点电压 为 U A 0 U B uC toff t on A，B点平均电压为 U A UC E UB UC
V处于通态 uL = E
T
0
uL d t 0
V处于断态 uL = - uo
E ton U o toff
所以输出电压为：
ton ton Uo E E E toff T ton 1
降升压斩波电路和Cuk电路 结论
Uo
当0<α <1/2时为降压，当1/2<α <1时为升压， 故称作降升压斩波电路，也称之为buck-boost 变换 器 右图给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设 两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小 时，有：
E 1
toff 1 由上式得： I 2 I1 I1 ton EI1 U o I 2
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器
t on I1 I2 t off
降升压斩波电路和Cuk电路
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
电路结构
全控型器件 若为晶闸管，需 有辅助关断电路
负载 出现 的反 电动 势
续流二极管，在V关 断期间续流
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电 池负载，大多数情况为反电动势负载
降压斩波电路Buck Chopper
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
电路输出电压又可表示为
1 Uo E E 1 1
T
升压斩波电路Boost Chopper
电压升高的原因：电感L储能使电压泵升 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 ： EI1 U o I o 升压斩波电路也可看作为直流变压器 输出电流的平均值Io为：
升压斩波电路
Boost converter (Step-up converter)
降升压斩波电路和Cuk电路
Buck-Boost converter (Step-down/stepup converter) and Cuk converter
概
述
直流斩波电路（DC Chopper） 将恒定的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/DC Converter） 一般指直接将一种直流电变为另一直 流电，不包括直流 — 交流 — 直流变换 电路
升压斩波电路及工组波形
升压斩波电路Boost Chopper
电路数量关系 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
U o E I1toff
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
EI1ton (U o E ) I1toff
Uo 1 E Io R R 电源电流的平均值I1为：
Uo 1 E I1 Io 2 E R
降升压斩波电路和Cuk电路 降升压斩波电路(buck -boost Chopper)
电路结构
降升压斩波电路和Cuk电路
基本工作原理 S通时，电源经S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
S
Vi
L C R
Vo
+
降升压斩波电路和Cuk电路
基本工作原理
•开关关断期间
电感线圈为维持其上电流 不变，产生下正上负的感应 电势，使二极管导通，向负 载提供能量，同时向电容充 电。 输出电压极性与输入电压 极性方向相反，所以也称为 反号型变换器。 输入电流和L，C回路电流 为脉动，但通过滤波电容的 作用负载电流可连续。
（3-2）
降压斩波电路Buck Chopper 斩波电路三种控制方式 开关周期T不变，改变导通时间ton — 脉冲宽度调制 （Pulse Width Modulation）
此种方式应 用最多
导通时间ton不变，改变开关周期T — 频率调制
ton和T都可调，改变占空比—混合型
降压斩波电路Buck Chopper 电路分析
降压斩波电路Buck Chopper
电流连续时，有
I10 i （ ） 2 t2 I 20 （ i1 t1）
根据前面两个方程，可 求出V导通状态和关断状 态时电流表达式 如果平波电抗器电感为 无穷大，则负载电流平直
降压斩波电路Buck Chopper 从能量传递关系出发对电路进行推导
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 EI oton 在整个周期T中，负载一直消耗能量，消耗的能量为
带隔离的直流直流变流电路
■直—交—直电路。
■电路特点：
◆输出与输入隔离。
◆需要相互隔离的多路输出。 ◆输出电压与输入电压比远小于1或远大于1。 ◆交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤 波电感、滤波电容的体积和重量。
带隔离的直流直流变流电路
■分类： 单端电路 变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反 激电路。
T t 输出电压为 U o on U C T ton ton Uo E E E toff T t on 1
T
优点（与降升压斩波电路相比）：输入电源电流和 输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输 入、输出进行滤波