电力电子技术第六章 直流斩波变换电路
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电力电子技术基础课件：DCDC变换——斩波器
Ton
Ton
V0 =
Vs =
Vs = DVs
✓ 负载电压平均值为：
Ton Toff
Ts
✓ 负载电流平均值为：
V0 - Em
I0 =
R
② 当电流断续时
负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
DC/DC变换——斩波器
2、降压斩波电路
iS
_
+ vL
V
iL
例题3-1
L
io
VG
如图所示的降压斩波电路，已知Vs=200V，R=10Ω，
vL
ic
VG
V
解：由于C值、L值极大，故负载电流连续，所以输出电压平均值为：
Ts
40
Vo =
Vs =
50= 133.3 (V )
Toff
40 25
输出电流平均值为：
V0
133.3
Io =
=
= 6.67 (A)
R
20
io
+
C
R
Vo
电力电子技术
DC/DC变换——斩波器
➢ 1. 概述
➢ 2. 基本斩波电路 -- 升压斩波电路的典型应用
升压斩波电路（Boost电路）
✓
升降压斩波电路
✓
Sepic电路
✓
Cuk电路
iS
+
vL
R
C
iVD
_
VD
io
iC
VG
Vo
Buck电路
L
VS
✓
VD
VS
V
+
C
Zeta电路
Boost电路
《电力电子技术》PPT 第6章
⑧脚为内部基准电压UREF，其值为5V。
图6－18 UC3842内部框图和引脚排列图
图6－19 反激式脉宽调制电路原理图
本章要点
1 掌握降压、升压、升降压直流斩波的工作原理 2 掌握反激式、正激式开关电源的工作原理 3 了解其他开关电源的电路结构和工作原理 4 了解直流斩波波和开关电源的设计方法
2 开关电源的技术标准
1) 电气标准 ① 输入指标：包括输入电源相数、额定输入电压、电 压变化范围、电源频率及输入电流等。
② 输出指标：包括静态输入电压变动、动态输入电压 变化、静态负载变动（通过改变负载电阻，使电流从 额定值的10%变化到额定值的100%，看输出电压的变 化）、动态负载变动、环境温度的变动、时间特性变 化以及过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、 过热保护。这些指标由国家标准确定。
开关电源能进行AC→DC，DC→DC，DC→AC 功率的转换，但最常用的是将 AC→DC→AC→DC，即将电网交流能量转化为 负载的直流能量，这也是本章重点研究的内容。
6.2.1 开关电源基础知识 1、开关电源的工作原理和特点
开关电源通常由六大部分组成，如图6－10所示。
图6－10 开关电源工作原理框图
(6.2)
PL
D2
(U
2 d
/
R)
(6.3)
如果开关是理想开关，即开关本身损耗为零，则 该方式理论上的效率应为100%。实际的装置容易得到 90%以上的高功率，对于大容量的斩波器可获得95~98% 的效率。
6.1.2 降压斩波器
降压斩波器的功能使负载电压小于电源电压，起降压 作用。
实际线路图如图6.3所示，该图通常称Buck电路。
③ 耐压指标 交流输入线对次级电压为3750V，输入 线对地电压为2500V，次级输出线对地电压为500V， 各执行1 min。
图6－18 UC3842内部框图和引脚排列图
图6－19 反激式脉宽调制电路原理图
本章要点
1 掌握降压、升压、升降压直流斩波的工作原理 2 掌握反激式、正激式开关电源的工作原理 3 了解其他开关电源的电路结构和工作原理 4 了解直流斩波波和开关电源的设计方法
2 开关电源的技术标准
1) 电气标准 ① 输入指标：包括输入电源相数、额定输入电压、电 压变化范围、电源频率及输入电流等。
② 输出指标：包括静态输入电压变动、动态输入电压 变化、静态负载变动（通过改变负载电阻，使电流从 额定值的10%变化到额定值的100%，看输出电压的变 化）、动态负载变动、环境温度的变动、时间特性变 化以及过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、 过热保护。这些指标由国家标准确定。
开关电源能进行AC→DC，DC→DC，DC→AC 功率的转换，但最常用的是将 AC→DC→AC→DC，即将电网交流能量转化为 负载的直流能量，这也是本章重点研究的内容。
6.2.1 开关电源基础知识 1、开关电源的工作原理和特点
开关电源通常由六大部分组成，如图6－10所示。
图6－10 开关电源工作原理框图
(6.2)
PL
D2
(U
2 d
/
R)
(6.3)
如果开关是理想开关，即开关本身损耗为零，则 该方式理论上的效率应为100%。实际的装置容易得到 90%以上的高功率，对于大容量的斩波器可获得95~98% 的效率。
6.1.2 降压斩波器
降压斩波器的功能使负载电压小于电源电压，起降压 作用。
实际线路图如图6.3所示，该图通常称Buck电路。
③ 耐压指标 交流输入线对次级电压为3750V，输入 线对地电压为2500V，次级输出线对地电压为500V， 各执行1 min。
【推选】直流斩波变换电路工作原理PPT资料
输出电压uo=0。
U式 T=中t ，+t t tt；为t αSE导称通为tT的占时E空间比；Et 为S关断的时间；T为开关周期 直当式 直直直当当当 直当当tt直负式T输直直输当当oo为ff流S中流流流SSS流SS流载中出流流出SSff为 为在在在在 在在在在开斩 ，斩 斩 斩 斩 斩 电 ， 电 斩 斩 电SStttttttt关oooooooo波t波波波波波压t压波波压关关oofffnnfnf周fffffnn期 期 期电电电电电电的u电电u期期期期断断期o为为oo期间间间路路路路路路平路路间间间间 的的间==SSTE0o闭闭闭导 导的的的的的的均的的断断断断 时时断。=；nt合合合通 通工工工工工工值工工开开开开 间间开on时时时的 的o作作作作作作为作作时时时时 ；；时+nt，，，时 时o原原原原原原：原原，，，， ，offo间 间f理理理理理理理理fo；nn； ；off
直流斩波电路的工作原理
直流斩波电路的工作原理
图中的S为理想开关， 当S在ton期间闭合时，
输出电压uo=E； 当S在toff期间断开时，
输出电压uo=0。
负载电压的平均值为：
Uo
ton ton toff
E ton T
E E
直流斩波电路的工作原理 当S在toff期间断开时，
当S在ton期间闭合时，
on
off
直流斩波电路的工作原理
当S在toff期间断开时，
电力电子课设(直流斩波电路)资料
前言直流斩波电路（DC Chopper）的功能是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）。
直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。
习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。
直流斩波电路的种类较多，包括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，其中这次课程设计主要是熟悉和掌握前三种基本的电路。
一方面，这三种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这三种电路可为理解其他的电路打下基础,直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。
所以，此课程设计选题为：在理解BUCK、BOOST和BUCK/BOOST电路工作原理的基础上，设计出BUCK、BOOST和BUCK/BOOST电路的电路原理图，使用PSIM软件对所设计的电路进行仿真，分别获得Uo 、Io波形，并计算上述数值。
目录1 直流斩波主电路的设计 (3)1 直流斩波电路原理 (3)1.1 直流降压斩波电路 (3)1.2直流升压斩波电路 (3)1.3直流升降压斩波电路 (4)2 主电路的设计及PSIM仿真 (5)2.1直流降压斩波主电路 (5)2.1.1 直流降压斩波电路参数计算 (5)2.2 直流升压斩波主电路 (6)2.2.1 直流升压斩波电路参数计算 (7)2.3直流升降压斩波主电路 (7)2.3.1直流降压斩波电路BUCK电路及参数计算 (7)2.3.2直流降压斩波电路BOOST电路及参数计算 (8)3心得体会与总结 (10)参考文献 (11)1 直流斩波主电路的设计1 直流斩波电路原理1.1 直流降压斩波电路直流降压变流器用于降低直流电源的电压，使负载侧电压低于电源电压，其原理电路如1-1所示。
t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压u o=E ，负载电流i o 按指数曲线上升。
电力电子技术第6章 晶闸管斩波电路及交流调压电路
26
第三节
晶闸管交流调压电路及双向晶闸管的应用
由第一章关于晶闸管的讨论，我们知道，晶闸 管的单向可控导电性决定了该元件只能流过单方向 的电流。但是如果能够把两个晶闸管反并联后接于 交流电源与其负载之间，如图 6.16（a）所示，这 样通过对反并联两个晶闸管的控制，就可实现对负 载上的交流电压和功率的控制。这种装置称之为晶 闸管交流调压器。
18
图 6.10 逆导型晶闸管直流斩波电路
19
图 6.11 斩波电路的工作波形
20
图 6.12 可关断晶闸管直流斩波电路
21
3.一种实用的斩波电路 转子斩波调速是绕线式异步电动机调速方案中 一种初投资少、结构简单、运行可靠、功率因数高 的调整方案，在采用绕线式异步电动机拖动的风机 水泵系统中，推广这种调速方案，对于节约电能有 一定价值。
9
图 6.4 输出电压脉宽恒值的逆阻型 晶闸管直流斩波电路
10
图 6.5 输出电压脉宽恒值的逆阻型晶闸管直流斩波 11 电路的工作过程
图 6.6 斩波电路的波形
12
图 6.7 脉宽可调的逆阻型直流斩波电路及工作过程
13
图 6.8 斩波电路的工作波形
14
二、逆导型晶闸管直流斩波电路 如图 6.3，由逆阻型晶闸管直流斩波电路的讨 论可知，在斩波电路中，晶闸管和二极管往往需要 反并联使用，在变频电路中也是如此。采取这种做 法导致主电路元件多、体积庞大，其经济性差。为 适应斩波电路和某些变频电路的需要，器件制造者 把晶闸管和反并联二极管同时集成在一个芯片上， 再用它来做斩波器的主辅开关元件，这样就可使晶 闸管的主电路大大简化，于是可构成逆导型晶闸管 直流斩波电路。
3
二、斩波器的分类 直流斩波器的分类，除按上述的调制方法分类 外，也可按负载电动机运行所在的象限（即直流电 源和负载交换能量的形式）分为： 1.第一象限直流斩波电路 2.A型两象限斩波电路
《直流斩波电路 》课件
按斩波器结构分类
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。
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
T
0 uL d t 0
V处于通态
uL = E
E ton Uo toff
V处于断态
uL = - uo
所以输出电压为： U o
ton toff
E ton T ton
E 1
E
升降压斩波电路和Cuk斩波电路
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升
降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。
US
U0
L diL dt
L I ton
t=t1时刻，驱动V关断，在时间内， 电路工作于模式2。VD承受正向 电压而导通，电感L释放储能， 电感电流经VD续流，并呈指数规 律下降。电容C上旳电流为电感 电流与负载电流之差。假如L和C 参数选择合适，负载R上旳电流 基本维持不变，
U0
L
diL dt
L I T ton
因为L和C数值合适时，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 UsIoton 在整个周期T中，负载消耗旳能量为 RIo2T
一周期中，忽视损耗，则电源提供旳能量与负载消耗旳能量相等。
Us Ioton RIo2T
Us I1 Uo Io Uo Io
Io
U s
R
I1
U0
ton
T
t on T
△U
ton
0
T
开通 关断
t
i
0 t
图6.5 平均控制方式波形
3、时间比与瞬时值混合控制方式
此种控制方式是前面两种控制方式旳结合，合用于要求电 流（或电压）按时间比喻式输出，同步又要求控制输出电 流（或电压）瞬时值旳场合。
6.2 基本斩波电路
0 uL d t 0
V处于通态
uL = E
E ton Uo toff
V处于断态
uL = - uo
所以输出电压为： U o
ton toff
E ton T ton
E 1
E
升降压斩波电路和Cuk斩波电路
结论
当0<a <1/2时为降压，当1/2<a <1时为升压，故称作升
降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。
US
U0
L diL dt
L I ton
t=t1时刻，驱动V关断，在时间内， 电路工作于模式2。VD承受正向 电压而导通，电感L释放储能， 电感电流经VD续流，并呈指数规 律下降。电容C上旳电流为电感 电流与负载电流之差。假如L和C 参数选择合适，负载R上旳电流 基本维持不变，
U0
L
diL dt
L I T ton
因为L和C数值合适时，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 UsIoton 在整个周期T中，负载消耗旳能量为 RIo2T
一周期中，忽视损耗，则电源提供旳能量与负载消耗旳能量相等。
Us Ioton RIo2T
Us I1 Uo Io Uo Io
Io
U s
R
I1
U0
ton
T
t on T
△U
ton
0
T
开通 关断
t
i
0 t
图6.5 平均控制方式波形
3、时间比与瞬时值混合控制方式
此种控制方式是前面两种控制方式旳结合，合用于要求电 流（或电压）按时间比喻式输出，同步又要求控制输出电 流（或电压）瞬时值旳场合。
6.2 基本斩波电路
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
返回
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
电力电子技术第6章 晶闸管斩波电路及交流调压电路
44
式中，i′为电流 i的稳态分量 该式中，电流有效值 功率因数角
45
另一个暂态分量 式中，暂态分量的衰减时间常数为 把 i′和 i″代入到（6.11）后，得
46
第四节
晶闸管过零调功电路
晶闸管过零调功电路是一种采用过零触发，用 调节晶闸管导通周波数的方式来控制输出功率的交 流控制器，简称调功器。
61
6.3 一台 220 V 10 kW 的电炉，现采用晶闸管 交流调压器使其工作于 5 kW 。试求其控制角，工 作电流及电源侧的功率因数。 6.4 在题图 6.32单相交流调压电路中，U1=230 V ，XL=0.23 Ω，k=0.23 Ω，电源的频率50 Hz。求 此负载电路的控制范，不论采用哪种工作方式，其实质都 是通过调节设定周期内的周波数来实现输出功率的 调节。显然，这种过零触发控制方式不适用于要求 电压连续平滑调节的场合，较适用于以镍铬或铁铬 铝等电阻温度系数变化较小材料制成的电热元件的 温度控制系统中。
50
二、调功器主电路的接线形式 如上所述，将一对反并联的晶闸管或者双向晶 闸管接在单相交流电源与负载之间，或者将三对反 并联的晶闸管或者三只双向晶闸管接在三相交流电 源与负载之间，这样就构成了如图6.27（a）所示 的单相调功器和图 6.27（b）所示的三相调功器。
57
58
四、调功器设计中的几个问题 由式（6.13）可见，调功器的输出功率 P2 是 导通比 kZ 与额定输出容量 PN 的乘积。因此，在 负载阻抗一定的情况下，PN 与电源的电压的平方 成正比，即
59
1.电源电压波动与电压补偿 2.电源变压器的选择 3.调功器容量的选择
60
题及思考题 6.1 如果保持斩波频率不变，只改变导通时间 ton，试画出当工作率分别为 25% ，75% 时理想斩 波器的输出电压波形。 6.2 目前作为车辆用斩波器采用题图 6.31所示 的电路，使用逆导晶闸管。设负载电流为一定值。 试分析此电路的工作过程。
式中，i′为电流 i的稳态分量 该式中，电流有效值 功率因数角
45
另一个暂态分量 式中，暂态分量的衰减时间常数为 把 i′和 i″代入到（6.11）后，得
46
第四节
晶闸管过零调功电路
晶闸管过零调功电路是一种采用过零触发，用 调节晶闸管导通周波数的方式来控制输出功率的交 流控制器，简称调功器。
61
6.3 一台 220 V 10 kW 的电炉，现采用晶闸管 交流调压器使其工作于 5 kW 。试求其控制角，工 作电流及电源侧的功率因数。 6.4 在题图 6.32单相交流调压电路中，U1=230 V ，XL=0.23 Ω，k=0.23 Ω，电源的频率50 Hz。求 此负载电路的控制范，不论采用哪种工作方式，其实质都 是通过调节设定周期内的周波数来实现输出功率的 调节。显然，这种过零触发控制方式不适用于要求 电压连续平滑调节的场合，较适用于以镍铬或铁铬 铝等电阻温度系数变化较小材料制成的电热元件的 温度控制系统中。
50
二、调功器主电路的接线形式 如上所述，将一对反并联的晶闸管或者双向晶 闸管接在单相交流电源与负载之间，或者将三对反 并联的晶闸管或者三只双向晶闸管接在三相交流电 源与负载之间，这样就构成了如图6.27（a）所示 的单相调功器和图 6.27（b）所示的三相调功器。
57
58
四、调功器设计中的几个问题 由式（6.13）可见，调功器的输出功率 P2 是 导通比 kZ 与额定输出容量 PN 的乘积。因此，在 负载阻抗一定的情况下，PN 与电源的电压的平方 成正比，即
59
1.电源电压波动与电压补偿 2.电源变压器的选择 3.调功器容量的选择
60
题及思考题 6.1 如果保持斩波频率不变，只改变导通时间 ton，试画出当工作率分别为 25% ，75% 时理想斩 波器的输出电压波形。 6.2 目前作为车辆用斩波器采用题图 6.31所示 的电路，使用逆导晶闸管。设负载电流为一定值。 试分析此电路的工作过程。
电力电子技术第六章 直流斩波变换电路
图6-17 GTO斩波调速系统主电路
第四节 直流斩波电路应用
二、感应加热电源 如图6⁃18所示为高频感应加热电源的主电路。由功率二极管VD1～ ＶＤ6组成的三相不可控整流输出电压，经斩波器V0调压后为V1～ V4组成的逆变器提供大小可调的直流电
图6-18 高频感应加热电源的主电路
第四节 直流斩波电路应用
图6-19 全桥直流斩波电路
第四节 直流斩波电路应用
三、直流伺服电动机驱动电路 用全桥开关式直流斩波电路驱动直流伺 服电动机，其电路原理如图所示。在图 中所示的全桥变换电路中，其输入是幅 度不变的直流电压Ud，输出是幅度和 极性均可控制的直流电压uO。 (1)双极性电压开关PWM法 开关元件 V1、V4和V3、V2作为两组开关来处理。 (2)单极性电压开关PWM法 V1、V4和 V3、V2也组成两组开关，每一桥臂开 关的控制与另一桥臂无关，电路的输出 电压极性不变。
第四节 直流斩波电路应用
2.单极性电压开关PWM法
双极式PWM变换器的缺点是：在工作过程中，4个大功率器件都处 于开关状态，开关损耗大，且容易发生上、下两管直通的事故，为 了防止上、下两管同时导通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲 之间，设置逻辑延时。
图6-22 逆导晶闸管直流斩波电路
图6-21 单极性电压开关PWM波形
图6-16 库克电路及其波形 a)库克电路 b) V断开时等效电路 c) V导通时等效电路 d)电流连续模式波形
第四节 直流斩波电路应用
一、具有复合制动功能的GTO斩波调速电路 如图6⁃17所示，为具有复合制动功能的GTO斩波调速系统的主电路。能 实现牵引、再生电阻复合制动功能，可用于城市无轨电车。主控器件为 一只GTO，M为串励直流电动机，VT1是能耗制动用快速晶闸管，VD1 是续流二极管，VD2是制动回路二极管，RZ是能耗制动电阻，HL是霍尔 电流检测器，KM2是牵引、制动转换接触器，KM4、KM5是向前、向后 及牵引制动转换接触器。其工作情况可分为牵引工况、牵引制动转换和 电制动三种情况。
《直流斩波电路》课件
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2. 在仿真软件中搭建斩波 电路的仿真模型。
01
03 02
仿真模型的建立与验证
01 1. 将仿真结果与实验结果进行对比，分析误差来 源。
02 2. 通过调整仿真参数，验证仿真模型的正确性和 可靠性。
03 3. 利用仿真模型进行优化设计，为实际应用提供 参考。
06
直流斩波电路的发展趋势 与展望
高效率斩波电路的研究
工作原理
通过周期性地快速打开和关闭开关， 将直流电压或电流斩波成一系列的脉 冲，再通过滤波电路将脉冲转换为平 滑的直流电压或电流。
直流斩波电路的应用
电源供应
用于调整输出电压或电流的幅度，如电动车充电 器、可调电源等。
电机控制
用于控制电机的输入电压或电流，如直流无刷电 机、电动工具等。
电网平衡
用于平衡电网中的有功和无功功率，提高电网的 稳定性。
脉冲频率调制（PFM）
总结词
通过改变脉冲的频率来控制输出电压或电流的平均值。
详细描述
在PFM控制策略中，斩波器以变化的频率周期性地开启和关闭，通过改变开启和关闭 的周期来调节输出电压或电流的平均值。PFM控制具有低噪声、低纹波等优点，适用
于对噪声敏感的应用场景。
混合调制
总结词
同时调节脉冲宽度和脉冲频率以实现更精细 的控制。
《直流斩波电路》ppt课件
contents
目录
• 直流斩波电路简介 • 直流斩波电路的工作模式 • 直流斩波电路的参数设计 • 直流斩波电路的控制策略 • 直流斩波电路的实验与仿真 • 直流斩波电路的发展趋势与展望
01
直流斩波电路简介
定义与工作原理
定义
直流斩波变换电路
ห้องสมุดไป่ตู้
01
02
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:
图6-1 直流变换系统的结构图
第六章 直流斩波变换电路
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。
1
ILB和Io可用它们的最大值表示：
2
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。
3
6.2 升压式斩波电路
6.2 升压式斩波电路
三、电流不连续导通的工作模式 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。
6.2 升压式斩波电路
6.1 降压式斩波变换电路
6.1 降压式斩波变换电路
1
电流不连续导通时的工作模式
2
图6-6 Ud不变时非连续的电压、电流波形
3
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。
《电力电子技术》讲义第06章
课题二 DC/DC 变换电路开关电源的核心技术就是DC/DC 变换电路。
DC/DC 变换电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。
DC/DC 变换电路广泛应用于开关电源、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世纪80年代兴起的电动汽车的调速及控制。
常见的DC/DC 变换电路有非隔离型电路隔离型电路和软开关电路。
一、非隔离型电路非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同可以分为降压型电路、升压型电路、升降压电路、库克式斩波电路和全桥式斩波电路。
其中降压式和升压式斩波电路是基本形式，升降压式和库克式是它们的组合，而全桥式则属于降压式类型。
下面重点介绍斩波电路的工作原理、升压及降压斩波电路。
1. 直流斩波器的工作原理最基本的直流斩波电路如图3-18（a ）所示，负载为纯电阻R 。
当开关S 闭合时，负载电压u o =E ，并持续时间T ON ；当开关S 断开时，负载上电压u o =0V ，并持续时间T OFF 。
则T=T ON +T OFF 为斩波电路的工作周期，斩波器的输出电压波形如图3-18（b ）所示。
若定义斩波器的占空比T T k ON /=，则由波形图上可得输出电压得平均值为：kE U T T E T T T U d ON OFF ON ON o ==+=只要调节k ，即可调节负载的平均电压。
(a) 电路 （b ）波形图3-18 基本斩波电路及其波形 2. 降压斩波电路(1) 电路的结构降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。
它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。
降压斩波电路的原理图及工作波形如图3-19所示。
图中，U 为固定电压的直流电源，V 为晶体管开关（可以是大功率晶体管，也可以是功率场效应晶体管）。
L 、R 、电动机为负载，为在V 关断时给负载中的电感电流提供通道，还设置了续流二极管VD 。
(1) 电路的工作原理t =0时刻，驱动V 导通，电源U 向负载供电，忽略V 的导通压降，负载电压U o =U ，负载电流按指数规律上升。
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图6-20 双极性电压开关PWM波形
第四节 直流斩波电路应用
1.双极性电压开关PWM法 在双极性电压开关PWM法中，开关元件桥臂分为V1、V4和V3、V2两 组，这两组开关中总有一组是导通的。由控制电压uc与三角波电压ut ri比较产生开关信号。当uc＞utri时，V1和V4导通，而V3和V2关断；当 utri＞uc时，V1和V4关断，而V3和V2的基极即使加有正向驱动电压， 却不一定能立即导通，如图6⁃21e所示，当电动机负载较重，负载电 流平均值较大时，将有VD2、VD3续流，维持原有的电流方向，V3和 V2的集射极之间分别与VD3、VD2并联而关断。当电动机轻载时，平 均电流较小，在续流阶段，电流很快率减到零。在这一阶段(如图6⁃ 20a所示的t1区间，即utri＞uc的区间)，V3、V2集射极之间反压消失， V3和V2才能导通。
图6-8 升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形
第二节 升压式斩波变换电路
二、电流不连续导通的工作模式 在Ud和k保持不变的条件下，用逐步减小输出负载功率的方法，观察 升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式的变化过程， 波形如图6⁃9所示。图6⁃9a所示为连续导通时电感中的电压与电流波 形；图6⁃9b所示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。
第二节 升压式斩波变换电路
一、电流连续导通的工作模式 在连续导通模式情况下，在斩波开关管V接通与断开时，对应的ton 和toff期间的等效电路分别示于图6⁃7b、c中。电感中电压和电流的 稳态波形如图6⁃7d所示，电感电流是连续的［iL(t)>０］。
图6-7 升压式斩波电路及波形
第二节 升压式斩波变换电路
图6-17 GTO斩波调速系统主电路
第四节 直流斩波电路应用
二、感应加热电源 如图6⁃18所示为高频感应加热电源的主电路。由功率二极管VD1～ ＶＤ6组成的三相不可控整流输出电压，经斩波器V0调压后为V1～ V4组成的逆变器提供大小可调的直流电
图6-18 高频感应加热电源的主电路
第四节 直流斩波电路应用
图6-9 升压式斩波电路的电压与电流波形
图6-10 升压式斩波电路k—I关系曲线
第三节 升降压式斩波变换Βιβλιοθήκη 路一、电流连续导通的工作模式
图6-11 升降压式斩波电路图
图6-12 电流连续时的等效电路及波形图
第三节 升降压式斩波变换电路
图6-13 电流临界连续时的波形及电流与k关系曲线
第三节 升降压式斩波变换电路
第一节 降压式斩波变换电路
例6-1 有一降压斩波电路如图6-3所示。已知：Ud=120V，电阻负载 R0＝6Ω，开关周期通断，通30μs，断20μs，忽略开关导通压降，电 感L足够大。试求： (1)负载电流IO及负载上的功率PO。 (2)若要求负载电流在4A时仍能维持，则电感L最小应取多大? 解 依据题意，开关通断周期T=ton+toff=(30+20)μs=50μs (1)负载电压的平均值 负载电流的平均值 IO=UO/R0=(72/6)A=12A (2)设占空比k不变，当负载电流为4A时，处于临界连续状态，则电 感量L为 Ｌ＝Ｔ/２k(1-k)＝5０×１２０/２×４×０．6×（１-０．6）μＨ＝１ ８０μＨ
二、电流不连续导通工作模式 升降压式斩波电路在非连续导通模式时，电感上的电压和流过的电 流波形如图6⁃14所示。根据与前述同样的道理可以推出下述关系
图6-14 升降压式电路非连续模式时波形
图6-15 升降压式斩波电路k—I曲线
第三节 升降压式斩波变换电路
三、库克直流斩波电路 库克直流斩波电路如图6⁃16所示。它也是升降混合式变换电路，其 原理与上述升降直流斩波电路相似。它提供与输入电压极性相反的 可调输出电压，这里电容器C起贮能和由输入向输出传送能量的双 重作用。
图6-16 库克电路及其波形 a)库克电路 b) V断开时等效电路 c) V导通时等效电路 d)电流连续模式波形
第四节 直流斩波电路应用
一、具有复合制动功能的GTO斩波调速电路 如图6⁃17所示，为具有复合制动功能的GTO斩波调速系统的主电路。能 实现牵引、再生电阻复合制动功能，可用于城市无轨电车。主控器件为 一只GTO，M为串励直流电动机，VT1是能耗制动用快速晶闸管，VD1 是续流二极管，VD2是制动回路二极管，RZ是能耗制动电阻，HL是霍尔 电流检测器，KM2是牵引、制动转换接触器，KM4、KM5是向前、向后 及牵引制动转换接触器。其工作情况可分为牵引工况、牵引制动转换和 电制动三种情况。
图6-2 基本的斩波电路及波形
图6-3 带感性负载的斩波电路
第一节 降压式斩波变换电路
二、电流连续导通工作模式 图6⁃4所示为电感电流工作于导通模式下的电路与电压、电流波形。 由图可知，流过电感电流是连续的，即iL＞０。在ton期间，图6⁃3中 开关管V接通，二极管反向偏置，得到如图6⁃4a所示的等效电路。
图6-4 降压式斩波器的电路工作状态
第一节 降压式斩波变换电路
图6-5 临界连续时的电压、电流波形
第一节 降压式斩波变换电路
三、电流不连续的导通工作模式 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。
图6-6
例6-1 有一降压斩波电路如图6-3所示。已知：Ud=120V，电阻负载 R0＝6Ω，开关周期通断，通30μs，断20μs，忽略开关导通压降，电
图6-19 全桥直流斩波电路
第四节 直流斩波电路应用
三、直流伺服电动机驱动电路 用全桥开关式直流斩波电路驱动直流伺 服电动机，其电路原理如图所示。在图 中所示的全桥变换电路中，其输入是幅 度不变的直流电压Ud，输出是幅度和 极性均可控制的直流电压uO。 (1)双极性电压开关PWM法 开关元件 V1、V4和V3、V2作为两组开关来处理。 (2)单极性电压开关PWM法 V1、V4和 V3、V2也组成两组开关，每一桥臂开 关的控制与另一桥臂无关，电路的输出 电压极性不变。
第六章 直流斩波变换电路
主编
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。这种电 路主要用于直流可调电源和直流电动机驱动中。 1)脉宽调制工作方式：维持T不变，改变ton。 2)频率调制工作方式：维持ton不变，改变T。 现在普遍采用的是脉宽调制工作方式，因为采用频率调制工作方 式容易产生谐波干扰而且滤波器设计也比较困难。
第四节 直流斩波电路应用
1.双极性电压开关PWM法 在双极性电压开关PWM法中，开关元件桥臂分为V1、V4和V3、V2两 组，这两组开关中总有一组是导通的。由控制电压uc与三角波电压ut ri比较产生开关信号。当uc＞utri时，V1和V4导通，而V3和V2关断；当 utri＞uc时，V1和V4关断，而V3和V2的基极即使加有正向驱动电压， 却不一定能立即导通，如图6⁃21e所示，当电动机负载较重，负载电 流平均值较大时，将有VD2、VD3续流，维持原有的电流方向，V3和 V2的集射极之间分别与VD3、VD2并联而关断。当电动机轻载时，平 均电流较小，在续流阶段，电流很快率减到零。在这一阶段(如图6⁃ 20a所示的t1区间，即utri＞uc的区间)，V3、V2集射极之间反压消失， V3和V2才能导通。
图6-8 升压式斩波电路临界连续导通时的电压和电流波形
第二节 升压式斩波变换电路
二、电流不连续导通的工作模式 在Ud和k保持不变的条件下，用逐步减小输出负载功率的方法，观察 升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式的变化过程， 波形如图6⁃9所示。图6⁃9a所示为连续导通时电感中的电压与电流波 形；图6⁃9b所示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。
第二节 升压式斩波变换电路
一、电流连续导通的工作模式 在连续导通模式情况下，在斩波开关管V接通与断开时，对应的ton 和toff期间的等效电路分别示于图6⁃7b、c中。电感中电压和电流的 稳态波形如图6⁃7d所示，电感电流是连续的［iL(t)>０］。
图6-7 升压式斩波电路及波形
第二节 升压式斩波变换电路
图6-17 GTO斩波调速系统主电路
第四节 直流斩波电路应用
二、感应加热电源 如图6⁃18所示为高频感应加热电源的主电路。由功率二极管VD1～ ＶＤ6组成的三相不可控整流输出电压，经斩波器V0调压后为V1～ V4组成的逆变器提供大小可调的直流电
图6-18 高频感应加热电源的主电路
第四节 直流斩波电路应用
图6-9 升压式斩波电路的电压与电流波形
图6-10 升压式斩波电路k—I关系曲线
第三节 升降压式斩波变换Βιβλιοθήκη 路一、电流连续导通的工作模式
图6-11 升降压式斩波电路图
图6-12 电流连续时的等效电路及波形图
第三节 升降压式斩波变换电路
图6-13 电流临界连续时的波形及电流与k关系曲线
第三节 升降压式斩波变换电路
第一节 降压式斩波变换电路
例6-1 有一降压斩波电路如图6-3所示。已知：Ud=120V，电阻负载 R0＝6Ω，开关周期通断，通30μs，断20μs，忽略开关导通压降，电 感L足够大。试求： (1)负载电流IO及负载上的功率PO。 (2)若要求负载电流在4A时仍能维持，则电感L最小应取多大? 解 依据题意，开关通断周期T=ton+toff=(30+20)μs=50μs (1)负载电压的平均值 负载电流的平均值 IO=UO/R0=(72/6)A=12A (2)设占空比k不变，当负载电流为4A时，处于临界连续状态，则电 感量L为 Ｌ＝Ｔ/２k(1-k)＝5０×１２０/２×４×０．6×（１-０．6）μＨ＝１ ８０μＨ
二、电流不连续导通工作模式 升降压式斩波电路在非连续导通模式时，电感上的电压和流过的电 流波形如图6⁃14所示。根据与前述同样的道理可以推出下述关系
图6-14 升降压式电路非连续模式时波形
图6-15 升降压式斩波电路k—I曲线
第三节 升降压式斩波变换电路
三、库克直流斩波电路 库克直流斩波电路如图6⁃16所示。它也是升降混合式变换电路，其 原理与上述升降直流斩波电路相似。它提供与输入电压极性相反的 可调输出电压，这里电容器C起贮能和由输入向输出传送能量的双 重作用。
图6-16 库克电路及其波形 a)库克电路 b) V断开时等效电路 c) V导通时等效电路 d)电流连续模式波形
第四节 直流斩波电路应用
一、具有复合制动功能的GTO斩波调速电路 如图6⁃17所示，为具有复合制动功能的GTO斩波调速系统的主电路。能 实现牵引、再生电阻复合制动功能，可用于城市无轨电车。主控器件为 一只GTO，M为串励直流电动机，VT1是能耗制动用快速晶闸管，VD1 是续流二极管，VD2是制动回路二极管，RZ是能耗制动电阻，HL是霍尔 电流检测器，KM2是牵引、制动转换接触器，KM4、KM5是向前、向后 及牵引制动转换接触器。其工作情况可分为牵引工况、牵引制动转换和 电制动三种情况。
图6-2 基本的斩波电路及波形
图6-3 带感性负载的斩波电路
第一节 降压式斩波变换电路
二、电流连续导通工作模式 图6⁃4所示为电感电流工作于导通模式下的电路与电压、电流波形。 由图可知，流过电感电流是连续的，即iL＞０。在ton期间，图6⁃3中 开关管V接通，二极管反向偏置，得到如图6⁃4a所示的等效电路。
图6-4 降压式斩波器的电路工作状态
第一节 降压式斩波变换电路
图6-5 临界连续时的电压、电流波形
第一节 降压式斩波变换电路
三、电流不连续的导通工作模式 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。
图6-6
例6-1 有一降压斩波电路如图6-3所示。已知：Ud=120V，电阻负载 R0＝6Ω，开关周期通断，通30μs，断20μs，忽略开关导通压降，电
图6-19 全桥直流斩波电路
第四节 直流斩波电路应用
三、直流伺服电动机驱动电路 用全桥开关式直流斩波电路驱动直流伺 服电动机，其电路原理如图所示。在图 中所示的全桥变换电路中，其输入是幅 度不变的直流电压Ud，输出是幅度和 极性均可控制的直流电压uO。 (1)双极性电压开关PWM法 开关元件 V1、V4和V3、V2作为两组开关来处理。 (2)单极性电压开关PWM法 V1、V4和 V3、V2也组成两组开关，每一桥臂开 关的控制与另一桥臂无关，电路的输出 电压极性不变。
第六章 直流斩波变换电路
主编
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。这种电 路主要用于直流可调电源和直流电动机驱动中。 1)脉宽调制工作方式：维持T不变，改变ton。 2)频率调制工作方式：维持ton不变，改变T。 现在普遍采用的是脉宽调制工作方式，因为采用频率调制工作方 式容易产生谐波干扰而且滤波器设计也比较困难。