第3章 直流斩波电路

t
第10页
3.3 BOOST斩波电路
电路拓扑结构及工作原理
储存电能
VD
iL , I L
L +
i1
iC , I C
i, I
Ud
i0 , I 0
V
uV
uC
C
Z
u 0 ,U 0
_
保持输出电 压
图3.5 BOOST斩波电路
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3.3 BOOST斩波电路
电路拓扑结构及工作原理
L +
i, I
Ud
iL , I L
第三章
本章主要内容
1) 2) 3) 4) 斩波控制原理 BUCK斩波电路 BOOST斩波电路 复合斩波电路
直流斩波电路
本章重点

基本概念、降压斩波、升压斩波电路的电路图、工作原 理、基本计算（k、T、Uo）
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3.1 斩波控制原理
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。 也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。 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。
T t on t off
k t on T
u0 Ud
+
i
S
Ud
i0
u0
R
导通比(工作率、占空比） 输出电压平均值为
1 U0 T
_
基本斩波电路
ton T toff t


ton
0
t u 0 dt on U d kUd T
1 2
0
i0
Ud/R
输出电压有效值为
1 U T
kT 0 2 u 0 dt
图3.8 桥式可逆斩波电路
使V4保持通时，等效为图3.7（a）所示的电流可逆斩 波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。
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3.4 复合斩波电路
图3.8 桥式可逆斩波电路
使V2 保持通时，V3 、VD3 和V4 、VD4 等效为又一组电 流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电 动机工作于第3、4象限。

假设L和C值很大。
i1
VD
iC , I C

i0 , I 0
V
uV
uC
C
Z
u 0 ,U 0
_
V处于通态时，电源Ud 向电感L充电，电流i1 恒定，电容C向负载Z 供电，输出电压uo恒 定。
V处于断态时，电源Ud 和电感L同时向电容C 充电，并向负载提供 能量。
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+
L
i, I
Ud
iL , I L
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3.5 本章小结
本章的重点是理解降压斩波电路(BUCK)和升压斩波 电路(BOOST)的工作原理，掌握这两种电路的电路 结构、输入输出关系、工作特点。 介绍了电流可逆斩波及其在直流传动中的应用。
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本章结束
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3.2 BUCK斩波电路
V L iL ,IL ic ,Ic i ,I 0 0
电路拓扑结构及工作原理
+ i ,I
Ud
控制器 _
V D
uC
Z
C
u0，U0
理想条件： （1）开关管和二极管的开关时间均为零，通态压降为零，断态 漏电流为零； （2）在一个开关周期中，输入电压Ud保持不变；输出滤波电容 电压即输出电压uo有很小的纹波，在分析开关电路变化特性时， 可认为uo保持恒定不变，其值为输出的直流电压平均值Uo； （3）电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。 第6页
电路种类
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。
复合斩波电路——不同结构的基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合。
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3.1 斩波控制原理
最基本的斩波电路及其波形 工作周期
uC
kT
t
t=0时刻驱动V管导通，电感上 的电流按直线规律上升，有
Ud L I 2 I1 I L t on t on
U0
0 i0 I0
kT
T
t
或
t on
(I ) L Ud
图3.6 BOOST电路波形
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3.3 BOOST斩波电路
uV
工作模式2,ton≤t≤T
VD
0 i,iL I2
diL uL L dt
0 i0 I0 0
kT
T
t
t
图3.4 BUCK电路波形
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3.2 BUCK斩波电路
uD
L
Ud 0
+
iL=IL Ud iC
i0 =I0
iL I2 I1
kT
T
t
C
Z
0 I2 i
kT
T
t
_
I2 I0
I1
0 kT T T 0 uC U0 kT t t iC
uo保持不变，电感电流按直线规律从I1
i1
VD

iC , I C
i0 , I 0
V
uV
uC
C
Z
u 0 ,U 0
_
3.3 BOOST斩波电路
uV
工作模式1,0≤t≤ton＝kT
+
0 i,iL I2 I1
kT
T
t
iL , i
Ud
L
iC
u C C
i0 I 0
0 i1 I2
kT
T
t
Z
I1 0 iC kT T T 0
t
_
I2 I0
I 0
ton
0
toff
kT T t

kU d
斩波电路波形
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3.1 斩波控制原理
+
i
S
Ud
i0
u0 Ud ton T toff t
u0
R
0
i0
Ud/R
ton
toff
kT T t
_
0
若认为斩波器是无损的，则输 入功率应与输出功率相等，即 从直流电源侧看的等效电阻为
1 kT 1 Pi u 0 idt T 0 T


kT
0
2 2 u0 Ud dt k R R
Ri
Ud Ud R kUd I0 k R
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3.1 斩波控制原理
导通比k的改变可以通过调节开关导通时间ton或 开关导通周期T来实现，进而对输出电压平均值进行 调制。据此通常将斩波器的工作方式分为三种： 保持开关导通周期T不变，调节开关导通时间ton — 脉冲宽度调制（PWM）。 保持开关导通时间ton 不变，调节开关导通周期T， 称为频率调制或调频型。 Ton和T都可调，使导通比改变，称为混合型。 PWM方式应用最多。
图3.1a BUCK斩波电路(教P101)
3.2 BUCK斩波电路
uD
Ud
电路拓扑结构及工作原理 模式1,0≤t≤ton＝kT +
iL=IL Ud iC
0 iL I2
kT
T
t
L
i0 =I0
I1 0 I2 i kT T t
I2 I0
I1
0 iC T 0 uC U0 kT t
C
Z
kT
T
t
_
t=0时刻驱动V管导通，VD中电流迅 速转换到V管，这时电感上的电压为
0 i0 I0
kT

t
根据∆I 可知
Ud U0 1 k
I0 I 1 k
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3.4 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组合
（一）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。 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：降压斩波电路与升压斩波电路 组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压 只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。
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3.4 复合斩波电路
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。
uo
a) 电路图
io
iV1
iD1
t
必须防止V1和V2同时导 通而导致的电源短路。
iD2
iV2 b)
t
图3.7 可逆斩波电路及其波形
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3.4 复合斩波电路
工作过程（三种工作方式) 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。 a) 电路图 u 当一种斩波电路电流断续 而为零时，使另一个斩波 t i i i 电路工作，让电流反方向 t 流过，这样电动机电枢回 i i b) 路总有电流流过。 图3.7 可逆斩波电路及其波形 电路响应很快。
o o V1 D1 D2 V2
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3.4 复合斩波电路
uo
io
iV1
iD1
t
t iV2 iD2
V1 VD1 E
L
R
io
io
R
L
VD1
uo
M
EM EM
M
V1 uo
E
iv1、iD1阶段
iv2、iD2阶段
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3.4 复合斩波电路
（二）桥式可逆斩波电路 两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提 供正向和反向电压，实现电机的四象限运行。
iL
0
L
ic
i0 =I0
iL I2 I1
kT
T
t
VD
C
Z
0 i I2
kT
T
t
I2 I0
I1 0 iC kT T T 0 uC U0 kT t t
根据∆I 可知
U 0 kUd
若假定Buck电路为无损的，则有
U d I U 0 I 0 kUd I 0
0 i0 I0 0
kT
T
t
即 I kI0
kT
T
t
+
iL , i
Ud
L
i1
iC
C
i0 I 0
uC
I1 0 kT T t
Z
i1
I2 I1 0
_
t=ton时刻关断V管，这期间电感 上的电流iL按直线规律从I2下降 到I1，则有
I U0 Ud L t off
kT
iC
T T
t
I2 I0
I 0
uC U0
0 kT
t
或
t off
(I ) L U0 Ud
上升到I2，有
I 2 I1 I Ud U0 L L t on t on
0 i0 I0
kT
T
t
或
t on
(I ) L Ud U0
0 t
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3.2 BUCK斩波电路
uD
模式2,ton≤t≤T
Ud
iL
0
L VD
ic
i0 =I0
iL I2 I1
kT
T
t
C
Z
I2
0 i
kT
T
t
I2 I0
I1 0 iC T 0 uC U0 kT t
t=ton时刻关断V管，V管中电流迅 速转换到VD管中去。这期间电感 上的电流iL按直线规律从I2下降到 I1，则有
I U0 L t off
或
kT
T
t
0 i0 I0 0
kT
T
t
t off
(I ) L U0
t
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3.2 BUCK斩波电路
uD
Ud