基本斩波电路
斩波电路 (1)
直流斩波电路的性能研究一、实验目的：1、通过对基本斩波电路的设计，掌握基本斩波电路的工作原理，综合运用所学的知识，进行电路及系统设计的能力。
2、了解与熟悉基本斩波电路的拓扑结构、控制方法。
3、理解和掌握基本斩波电路及系统的主电路，控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择、计算方法。
4、具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
二、设计思路：1、电源电路电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路，220V单相交流电经220V/24V变压器，降为24V交流电，再经二极管不控整流电路及滤波电容滤波后，变为平直的直流电，其幅值在22V~36V之间。
2、主电路主电路选用基本斩波电路（buck斩波电路、boost斩波电路、buck-boost 斩波电路）中任选一种，开关管选用电力MOSFET。
buck电路的负载为36V、25W白炽灯；boost、buck-boost电路的负载为110V、25W白炽灯。
注意：boost、buck-boost电路中，占空比不要超过65%，否则电压大于100V。
3、控制电路的选择与确定3.1 脉冲发生器（NE555、TL494、SG3525等，网上自己搜索典型应用电路）3.2 驱动电路（IR2111、IR2110、TLP250等或三极管驱动，自己搜索使用）三、实验步骤：1、用万用表测量电源电路（24V整流电路输出）的数值。
2、用示波器观察控制电路输出脉冲的宽度和幅值，观察它的变化。
3、在脉冲信号和电源电路都正常的情况下，连接系统、调试。
4、改变占空比，分别测试白炽灯负载的电压、MOSFET的电压UDS 、UGS。
四、设计要求：1、三种主电路形式：buck斩波电路、boost斩波电路、buck-boost斩波电路，每班任选一种类型（保证三种斩波电路都有选择）。
2、主电路都有三种控制电路形式，即脉冲发生器的形式不同（NE555、TL494、SG3525等，网上自己搜索典型应用电路），每班2-3人一组，每组任选一种控制电路形式（保证每班三种控制电路都有选择）。
斩波电路
0
TT
t
定频调宽控制（ PWM）
1、时间比例控制方式
（2）定宽调频控制也称为脉冲频率控制（PFM）。此控制 方式中定宽也就是指斩波电路的开关元件导通时间固定不 变，调频是指通过改变开关元件的通断周期 T来改变导通 比，从而改变输ton ? 常值
0
t
T1
T2
T3
定宽调频控制（PFM）
■间接直流变流电路 ◆在直流变流电路中增加了 交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直 —交— 直电路。
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。
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter ）包括直接直流变流电路和间接直流变 流电路。
■直接直流变流电路 ◆也称斩波电路（DC Chopper ）。 ◆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，这种情况下输入与输出之间不隔离。 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。
功能：DC
DC ' U=固定值 或U
如何改变直流电压？
1、干电池、蓄电池串联使用；
（低电压、小容量且不连续改变）
2、串入可变电阻调节；
VL ? ?? RL ??E ? RL ? R ?
E
应用：电力机车等
R+ V–L RL
缺点：串电阻损耗大。
第十二讲 斩波电路
O i
t i1 I1 0 I2 0 to f f T b) i2 I1 0 t
O io i1 I2 0 O to n T t1 t x t2 to f f c) i2
t
O
to n
t
图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
11.1.2 升压斩波电路
1.升压斩波电路的基本原理
工作原理 假设L值很大，C值也很大 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1， 同时C的电压向负载供电，因C值很 大，输出电压uo 为恒值，记为Uo 。 设V通的时间为ton ，此阶段L上积蓄 的能量为 EI1ton V断时，E和L共同向C充电并向负载 R供电。设V断的时间为toff，则此期 间电感L释放能量为 Uo - E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与 释放能量相等
11.1.2 升压斩波电路
电路分析
V 处 于 通 态 时 ， 设 电 动 机 电 枢 电 流 为 i1 ， 得 下 式
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
d i1 L Ri1 E M dt
t 1 - e
（3-27）
设i1的初值为I10，解上式得
i1 I10 e
（3-33）
I 20
T on - t EM e -e - T R 1- e
E e -a - e - m R 1 - e-
E R
（3-34）
11.1.2 升压斩波电路
与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得
a - m E I
R
（3-11）
第3章直流斩波电路
作b ，即
b
tof。f T
b
和导通占空比a有如下关系：
a b 1
（3-22）
因此，式（3-21）可表示为
Uo
1 b
E
1 1-a
E
（3-23）
❖ 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因
➢ 一是L储能之后具有使电压泵升的作用
➢ 二是电容C可将输出电压保持住
13
■
3.1.2 升压斩波电路
➢ 以变会有，上所但分下实析降际中，C，值故认不实为可际V能通输无态出穷期电大间压，因会在电略此容低阶C的段作其用向使负得载输放出电电，压UoU必o不然
I10
et1 eT
/ /
--11
E R
-
EM R
ea e
-1 -1
-
m
E R
（3-9）
（3-10）
式中: T /
I10和I20
I 20
1 1
-
e e
-t1 -T
/ /
E R
-
EM R
1- e-a 1- e-
-
m
E R
； m EM / E
t1
/
t1 T
； T a
。由图3-1b可知，
分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。
与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数 线性近似，得
I10
I 20
m -
bE
R
（3-35）
该即式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，
Io
m -
b
E R
EM
R
bE
（3-36）
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流
DCDC
E T T Ton
1
1
E
讨论电感电流的纹波大小
由上面分析可知，在0到Ton时刻电感电流线性增长
到某个值，在Ton到T时刻电感电流再跌落到原来值。我们 可以推导出电流的纹波值：
iL
1 L
Ton
ULdt
1 L
Ton
Usdt
UsTsD
0
L
可见电感电流的纹波与L和TS密切相关，当开关管的 开关频率越高，电感感值越大则电感电流的纹波越小。
D(1
D)
令 Ic iL / 2 ，在整个开关周期中，则当实际负载电流大于Ic时， I1始终大于0，电路工作在电感电流连续模式。当实际负载电流小 于Ic时电路工作在电感电流断续模式。临界连续的电感值为
Lc UsTs D(1 D) 2Ic
• 可见临界负载电流与输入电压、电感、开 关频率有关。开关频率越高、电感感值越 大、则越小，越容易实现电感电流连续工 作模式。
第一章 直流斩波器
（ DC-DC变换器 ）
电力电子电路四种基本形式：
DC－DC、AC－DC、DC－AC、AC－AC
直流斩波电路（DC Chopper）
将固定的直流电通过电力电子开关 的作用变为另一固定电压或可调电压的 直流电。（不包含DC-AC-DC）
特点：效率高，体积小，重量轻，成本低
其通过对电力电子器件周期性地快速通断, 把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压， 改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率可实现 输出电压平均值的调节。因为从工作波形 看，相当于是一个将恒定电流进行斩切输 出的过程，所以称斩波器。
Байду номын сангаасI1 IO
2L
Ro
第一节：基本斩波电路
二．DC — DC 变换的分类
● ●
三．直流斩波电路的基本电路 1．降压斩波电路 4．Cuk 斩波电路 2．升压斩波电路 5．Sepic 斩波电路 3．升降压斩波电路 6．Zeta 斩波电路
其中前两种是最基本的电路； 其中前两种是最基本的电路；
● ●
复合斩波电路 —— 不同基本斩波电路组合； 不同基本斩波电路组合； 多相多重斩波电路 —— 相同结构基本斩波电路组合； 相同结构基本斩波电路组合；
综合式（3-4）（3-6）（3-7）（3-8）可得： ）（3 ）（3 ）（3 可得：
et1 /τ −1 E E eαρ −1 E M − I10 = T /τ = ρ −m R e −1 R R e −1
1−e−t1 /τ E EM 1−e−αρ E − I20 = = −m R 1−e−T /τ R R 1−e−ρ
3.1.2 升压斩波电路
一．升压斩波电路的基本原理
假设升压电感 L 值很大，C 值也很大，能够维持其输出电压 u0 不变 值很大， 值也很大，
1．在 V 导通期间 E 向 L 充电，充电电流恒为 I1 ，同时 C 上的电压向负载供电； 充电， 上的电压向负载供电； 因 C 值很大， 输出电压 u0 为恒值， 值很大， 为恒值， 记为 Uo ；
三．升压斩波电路的能量传递 1．忽略电路中的损耗， 忽略电路中的损耗， 则由电源 E 提供的能量全部由负载 R 消耗，即： 消耗， 该式表明： 该式表明：
EM
二．降压斩波电路的参数关系
1．电流连续时负载电压平均值
E
V
L
io
R +
iG
VD uo
M EM
-
第3章----直流斩波电路
3.1.2 升压斩波电路
升压斩波电路 （Boost Chopper）
1) 升压斩波电路旳基本原理
电路构造
储存电能
保持输 出电压
10
3.1.2 升压斩波电路
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，电流恒定I1，电容C 向负载R供电，输出电压Uo 恒定。
V处于断态时，电源E和电感 L同步向电容C充电，并向负 载提供能量。
当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则 为3相1重斩波电路。 而当电源为3个独立电源，向一种负载供电时，则 为1相3重斩波电路。 多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单 元可互为备用。
23
本章小结
本章简介了6种基本斩波电路、2种复合斩波电 路及多相多重斩波电路。
本章旳要点是，了解降压斩波电路和升压斩波 电路旳工作原理，掌握这两种电路旳输入输出 关系、电路解析措施、工作特点
复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路——相同构造旳基本斩波电路组合构成
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 电动运营，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。此电路电动机旳电枢电流可正可负，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。
直流传动是斩波电路应用旳老式领域，而开关 电源则是斩波电路应用旳新领域，前者旳应用 在逐渐萎缩，而后者旳应用是电力电子领域旳 一大热点。
24
第3章 直流斩波电路
3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
斩波电路
图24 升压斩波器
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。
5.3 带反电势负载的降压斩波电路
(3) 电流临界连续时io下降段的数
eTon / 1 E eTs / 1 U d
I max(ton )
Ud R
E
(1 e ton / )
学表达式
E [1 e(tton ) / ] U d
E
(1 eton /
)e (tton ) /
（三）电感电流断续时的工作情况
R
R
（1）断流时刻
在上述临界连续条件下，每周期的初始时 刻，电流都是从零开始的。在电路参数不 变的情况下，若保持临界时ton不变，仅增 加斩波周期Ts，电流将出现断流，且这时 电流在流通期内的波形与上述临界连续时 的波形是完全一致的，所以可以利用电流 临界连续时io下降段的数学表达式来求取断
直流斩波电路
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
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13 单极性PWM信号的产生
(a) 信号产生电路 （b）、（c）波形
图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
简述斩波电路的控制方式
简述斩波电路的控制方式【知识专栏】深度解析斩波电路的控制方式导语：斩波电路作为一种常用的电路拓扑结构，在电力电子领域具有广泛的应用。
本文将深入探讨斩波电路的控制方式，从简述到详细解析，帮助读者全面了解该主题。
一、斩波电路的基本原理斩波电路是一种电压型逆变器，通过将直流电源转换为交流电源，广泛应用于交流驱动、逆变器和电力传输系统等领域。
在斩波电路中，控制方式起着至关重要的作用，决定着电路的性能和稳定性。
控制方式主要包括PWM控制和SVPWM控制两种。
二、PWM控制方式PWM控制方式是最为常见的斩波电路控制方式之一。
它通过改变开关器件的导通和断开时间，将输出波形近似于一个脉宽可变的方波。
PWM控制方式具有设计灵活、成本较低的优点，同时能够有效控制输出电压的幅值和频率。
1. PWM控制方式的基本原理PWM控制方式通过控制电路中开关器件的导通时间和断开时间，使得输出电压在合适的时间周期内达到理想的波形。
以单相全桥逆变器为例，通过控制开关管的导通和断开，实现对输出电压的控制。
当开关管导通时，电源电压将通过滤波电感传递给负载；当开关管断开时，电路通过反向二极管形成回路，继续将能量传递给负载。
2. PWM控制方式的特点和应用PWM控制方式具有输出信号质量高、谐波含量低、可调节性好等特点，广泛应用于交流电机调速、电动车充电器和太阳能逆变器等领域。
通过合理选择调制波形和PWM信号频率，可以达到高效能转换和低功率损耗的目的。
三、SVPWM控制方式SVPWM控制方式是近年来发展起来的一种高级控制技术。
与传统的PWM控制方式相比，SVPWM控制方式在电压波形质量和动态响应方面具有更好的性能。
SVPWM控制方式通过对电流、电压的矢量处理，实现对输出电压的精确控制。
1. SVPWM控制方式的基本原理SVPWM控制方式通过在线旋转坐标系下的矢量控制，将三相交流电压拆分为两个独立的正弦波信号，然后根据控制目标生成逆变器的调制信号。
基本斩波电路
3. 1 基本斩波电路重点：最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。
3. 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3-1 中化所示>工作原理，两个阶段◊20时V导通，E 向负载供电，i0 按指数曲线上升◊“厂时V关断，几经VD续流，/近似为零，人呈指数曲线下降◊为使几连续且脉动小，通常使厶值较大电流连续时，负载电压平均值(3-1 )一一导通占空比，简称占空比或导通比久最大为，减小，伉随之减小---------------降压斩波电路。
也称为Buck变换器(Buck Converter )。
负载电流平均值° R(3-2)电流断续时，u<>平均值会被抬髙，一般不希望出现斩波电路三种控制E=t-f E=aE原理图及波形a)电路图b)电流连续时的波形c)电流断续时的波形 > 数量关系% + T off方式（1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——卩不变，调节ton（2）频率调制或调频型——治不变，改变T（3 ）混合型------ 匚n和T 都可调，使占空比改变其中PWM控制方式应用最多> 基于“分段线性”的思想，可对降压斩波电路进行解析3. 1.2升压斩波电路1. 升压斩波电路的基本原理◊V通时，E向厶充电，充电电流恒为厶，同时Q 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压乩为恒值，记为伉。
设V通的时间为f o…,此阶段厶上积蓄的能量为Eh t.n◊V断时，£和厶共同向Q充电并向负载斤供电。
设V断的时间为化ff,则此期间电感厶释放能量为（匕-呱VDo图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图工作原理◊假设0值、C值很大b）波形◊ 稳态时，一个周期7中厶积蓄能量与释放能量相等化简得：输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
也称之为boost 变换器齐一升压比，调节其即可改变几将升压比的倒数记作，即"半(3-22)U° \-a E升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 厶储能之后具有使电压泵升的作用 电容Q 可将输出电压保持住直流电动机传动 单相功率因数校正(Power Factor Correct i on — PFC )电路用于其他交直流电源中(3—20)/二 U” E ==Eoff(3-21)off和导通 占空比有如下关系：因此，(3-21 )可表示为(3-23)2.升压斩波电路的典型应用图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a) 电路图b) 电流连续时c) 电流断续时用于直流电动机传动时◊通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源◊实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态◊电机反电动势相当于图3-2中的电源，此时直流电源相当于图3-2中的负载。
斩波电路专题知识讲座
Vo Vo
2
2
(1 D)
fc fs
2
•合理选择转折频率可有效减小电压脉动率
一般取fc fs
•连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。
•在开关型直流电源中，输出电压旳脉动率一般不 大于1％，所此前面采用旳假设vo (t) Vo 是合理旳 。
23
9 电机负载斩波电路
降压斩波电路旳原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时旳波形
转折频率 谐波分量 开关频率fs
11
续流二极管旳作用
续流 二极管 •开关闭合时，二极管反向截止，Vd经过电感向负载 提供电流。 •开关断开时，电感中旳电流经过二极管续流，向负载 释放电感中旳储能。 采用滤波器后，怎样简便地计算滤波器输出电压平均值？
12
3. 稳态电路中电感上电压、电流旳特点 L伏秒平衡原则
9
2.实用旳降压变换电路
低通 滤波器
续流 二极管
滤波器 输入电压
变换器 输出电压
10
低通滤波器旳作用
•滤波器输入电压 包括直流分量Vo 友好波分量
直流分量Vo
•谐波分量旳频率为 开关频率旳整数倍
•滤波器旳转折频 率fc远不大于开关 频率fs，可滤除输 出电压中旳谐波
滤波器输入电压 输出电压 开关频率fs
4
5.1.1 降压斩波电路
•控制输出电压vo 平均值旳措施：控制开关通断时间。
Vo＝
ton Ts
Vd
D＝ ton Ts
称为占空比
•直流－直流变换器又称斩波器，开关器件应为全控型。
5
5.1.1 降压斩波电路
直流－直流变换器旳三种控制方式 （变化占空比旳方式）
Vo＝
ton Ts
斩波电路工作原理
斩波电路工作原理
斩波电路是一种能够将直流电转化为高频脉冲电的电路，其工作原理主要是通过两级电路组成的结构。
第一级电路是直流输入电路，它包括直流电源、电阻和电容等元件。
直流电源提供电能，电阻和电容则起到限流和滤波作用。
第二级电路是斩波输出电路，它包括激励电路和负载电路。
激励电路由晶体管、电感和电容等元件组成，其作用是将直流电转化为高频脉冲电，从而产生交流电。
负载电路则是通过变压器将高频脉冲电传送到负载上，完成电能转换。
斩波电路的工作原理可以简单理解为：直流电经过第一级电路滤波后，进入第二级电路的激励电路，被转化为高频脉冲电，然后经由变压器传送到负载上，完成电能转换。
斩波电路主要应用于电力电子领域，如交流电动机控制、逆变器等。
- 1 -。
直流斩波电路定义与基础
当电路工作于稳态时，一个周期中电感L上储存 的能量和释放的能量相等，即：
EI1ton=(U0-E)I1toff
化简得：
U0tontoffET E
toff
toff
可见输出电压高于输入电压，电路为升压斩波电路。
定义β= toff / T，则β和导通占空比α之间有如下关系：
α+β=1
因此，U0可表示为：
3．2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
升压和降压斩波电路进行组合，可构成 复合斩波电路；另外，利用同一种斩波电路进 行组合，可构成多相多重斩波电路，使斩波电 路的整体性能得到提高。
斩波电路用于拖动直流电动机时，电动机 既要电动运行又要回馈制动。降压斩波电路和 升压斩波电路都不能单独实现制动运行。
U0 1 E 1 E
1
若忽略电路中损耗，有：EI1=U0I0，电流为：
I0U R 0 1E R
I1U E 0I01 2E R
升压斩波电路能升压的主要原因有两个：一是L储能 之后有升压的作用，二是电容能将输出电压保持住。
2、升压斩波电路的应用
可用于直流电动机传动、单相功率因数校正等。 下图为用于直流传动电路，电路将电机电势EM及L中 电能回馈到电源E；V导通时，给L充电，VD关断；V关断 时，VD导通， EM 和L共同给E供电（升压），这时电源E 为吸收电能，可以将EM电能回馈给电源E；
3．2．2 桥式可逆斩波电路 该电路可使电动机正反向可逆运行。
工作原理： 当V1 V4导通时，电机正转，进行正向电动运行； 当V1 V4关断时，电枢电流需经过VD4 VD1续流，同时
将机械能回馈电源； 当电流降为零后，使V2 V3导通，为电动机提供反向电
压电机反转，为反向电动运行； 当V2 V3关断时，电枢电流需经过VD2 VD3续流，同时
第4章 斩波电路
2、 瞬时值和平均值控制方式
（1）瞬时值控制方式
此种控制方式是将输出电流（或电压）反馈的瞬时值，与预先 设定电流（或电压）的上限值和下限值相比较，如果电流（或 电压）的瞬时值小于电流（或电压）的下限值，就控制斩波电 路的开关元件导通；如果电流（或电压）的瞬时值大于电流 （或电压）的上限值就关断斩波电路的开关元件。
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。
为了使负载电流连续且脉动小
通常使串接较大电感L。
图4-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
4.2.1 降压斩波电路
PWM
保持开关周期T不变，调节开关导通时
间Modtuolna,t称io为n，脉缩冲写宽为度P调WM制。（Pulse Width
降压斩波电路
❖ 直流电机斩波调速系统示意图
+ 220V
iO
LP
iG
R
uO +
EM M –
驱动电路
电流连续时的工作原理
解析法：
t=0时刻驱动V导通，电源向负载供
电，电感电流按指数规律上升。
S
Us
U0
-
u0
t0
t off
0
(a)
T
i0
0
i0
i VD VD
i1
0
i VD
0
(b)
图4.2 R-L负载的斩波电路及波形 （a)电路 （b)电流、电压波形
第三章 直流斩波电路
t
O
ton
t
图3-3 用于直流电动机 回馈能量的升压斩波电 路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
10
3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电 路
1 升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）
1 i i, L
i1 T
E
i2
uL
L
D
U GE
ton
t
iL
2 i i, L
R
T
D
E
uc
S
A
图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路 两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电 流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断 续的。 另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性 的。
8
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等， 即：EI1ton=(U0-E)I1toff 化简后可得：U0=[(ton+toff)/toff]E=(T/toff)E 上式中的T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电 路。也有的文献中直接采用其英文名称，称为Boost变换器。 令T/toff为升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小。若令升压 比的倒数为b，即b=toff/T，则它与导通占空比的关系有：a+b=1 因此，输出电压可表示为：
t
，
EM (1 e ) R t
t t t t di2 ，设此阶段电流初值位I20，解得： EM。 L Ri2 EM 0 i2 (t ) I 20e (1 e ) • 当电流连续时，有：I10=i2(t2)，I20=i1(t1)。由此可得到： R dt
直流斩波电路
U0
1
E
1
1a
E
9
2 升压斩波电路的典型应用
• 一是用于直流电动机传动
• 二是用作单相功率因数校正 （PFC）电路
• 三是用于其他交直流电源中
L
VD
M
EM
V uo
E
a)
uo
E
uo
E
O
t
O
t
i
i1
i2
io
I10
I20
I10
i1
i2
I20
O
ton
toff
T
t
O
ton
t 1 tx
t2
t
t off
T
b)
c)
图3-3 用于直流电动机 回馈能量的升压斩波电 路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时
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3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电 路
第3章 直流斩波电路 （DC/DC变换）
直流斩波电路有时也称为直流-直流变换器。它是将 一种一种直流电压等级转变为另一种电压等级，或固定 为某一电压等级。
3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
1
3.1 基本斩波电路
3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩 波电路 3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波 电路
i1(t)dt
0
tx 0
i2
(t)dt
基本斩波电路
基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)电路结构如图4所示。
带反电动势负载电路如图4所示，VD 是续流二极管；E M 是负载出现的反电动势；V 是全控型器件。
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
图4降压斩波电路图5降压斩波电路波形图1、作原理（1）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。
（2）t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压u o 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。
降压斩波电路波形图如图5所示。
2、数量关系（1）电流连续时负载电压平均值设连续电流为I o ，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为E I t o on ，负载和蓄电池吸收能量为U I t t o off o on )+(，得：E αE Tt E t t t U ==+=onoff on on o其中，t on —V 通的时间；t off —V 断的时间；a —导通占空比。
A 小于等于1，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
负载电流平均值：RE U I o Mo -= （2）电流断续开关电源不允许出现状态，Uo 被抬高，可通过加大电感或提高PWM 控制信号频率方法解决。
3、斩波电路三种控制方式：（1）T 不变，变t on ，称为脉冲宽度调制（PWM ）。
（2）t on 不变，变T ，称为频率调制。
（3）t on 和T 都可调，改变占空比，称为混合型。
设计出如下图所示的基于AST963和IGBT 模块的降压式斩波实验系统，实现输入、输出电压和PWM 占空比显示功能。
要求：完成基于AST963和IGBT 模块的降压式斩波实验系统电路设计、焊接和调试。
完成单片机PWM 信号发生、电压测量以及监控程序设计和调试。
A/D 转换芯片接口电路及应用一、A/D 转换器概述1、分类1）积分型积分型A/D工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。
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基本斩波电路3.1 基本斩波电路重点：最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。
3.1.1 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3-1中E m所示➢➢工作原理，两个阶段✧✧t=0时V导通，E向负载供电，u o=E，i o按指数曲线上升✧✧t=t1时V关断，i o经V D续流，u o近似为零，i o呈指数曲线下降✧✧为使i o连续且脉动小，通常使L值较大图3-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形➢➢数量关系电流连续时，负载电压平均值（3-1）α——导通占空比，简称占空比或导通比U o最大为E，减小α，U o 随之减小——降压斩波电路。
也称为Buc k变换器（Buc k C onver ter）。
负载电流平均值（3-2）电流断续时，u o平均值会被抬高，一般不希望出现➢➢斩波电路三种控制方式（1）脉冲宽度调制（P W M）或脉冲调宽型——T不变，调节t o n（2）频率调制或调频型——t o n不变，改变TE V+-MVDioEMuoEETtEtttU onoffononoα==+=REUI moo-=（3）混合型——t o n 和T 都可调，使占空比改变其中PWM 控制方式应用最多➢➢基于“分段线性”的思想，可对降压斩波电路进行解析3.1.2 升压斩波电路 1. 升压斩波电路的基本原理图3-2 升压斩波电路及其工作波形a ）电路图b ）波形➢➢工作原理✧ ✧ 假设L 值、C 值很大 ✧ ✧ V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为I 1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压u o 为恒值，记为U o 。
设V 通的时间为t o n ，此阶段L 上积蓄的能量为E I 1t o n ✧ ✧ V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。
设V 断的时间为t o f f ，则此期间电感L 释放能量为EV RL VDCi oi 1u o()off o t I E U 1-✧ ✧ 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等（3-20）化简得：（3-21），输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
也称之为boost 变换器——升压比，调节其即可改变U o 。
将升压比的倒数记作β，即。
β和导通占空比α有如下关系：（3-22）因此，式（3-21）可表示为（3-23）➢➢升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因✧ ✧ L 储能之后具有使电压泵升的作用 ✧ ✧ 电容C 可将输出电压保持住 2. 升压斩波电路的典型应用 ✧ ✧ 直流电动机传动✧ ✧ 单相功率因数校正（Pow er Factor C or rec tion —P F C ）电路 ✧ ✧ 用于其他交直流电源中()off o on t I E U t EI 11-=E t T E t t t U offoffoffon o =+=1/≥off t T off t T /Tt off =β1=+βαE E U o αβ-==111图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a ） 电路图 b ） 电流连续时 c ） 电流断续时➢➢用于直流电动机传动时✧ ✧ 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源 ✧ ✧ 实际L 值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态✧ ✧ 电机反电动势相当于图3-2中的电源，此时直流电源相当于图3-2中的负载。
由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
➢➢电路分析基于“分段线性”的思想进行解析MttTEiO OtO TOEtVDL V a)E Mu oi 1i 2I 10I 20I 10t ont offu oi oi 1i 2t 1t 2t x t ont off I 20u oV 处于通态时，设电动机电枢电流为i 1，得下式（3-27） 式中R 为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i 1的初值为I 10，解上式得（3-28）当V 处于断态时，设电动机电枢电流为i 2，得下式：（3-29） 设i 2的初值为I 20，解上式得：（3-30） 当电流连续时，从图3-3b 的电流波形可看出，t =t o n 时刻i 1=I 20，t =t o f f 时刻i 2=I 10，由此可得：（3-33）（3-34）把上面两式用泰勒级数线性近似，得m E Ri ti L =+11d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=--ττt m te RE eI i 1101E E Ri ti L m -=+22d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=--ττt m te RE E eI i 1202R E e e m R E ee R E I Tt m off⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=----ρβρττ111110R E e e e m R E ee e R E I TT t m on⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=------ρραρτττ1120（3-35）该式表示了L 为无穷大时电枢电流的平均值I o ，即（3-36）对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为（3-38）根据此式可对电路的工作状态作出判断。
3.1.3 升降压斩波电路和Cu k 斩波电路1. 升降压斩波电路图3-4 升降压斩波电路及其波形()REm I I β-==2010()REE R E m I m o ββ-=-=ρβρ----<e e m 11VD ERLa)CV i 1i 2u Lu oI L otb)oti i 2t on t offI Ia ）电路图b ）波形设L 值很大，C 值也很大。
使电感电流i L 和电容电压即负载电压u o 基本为恒值。
➢➢基本工作原理✧ ✧ V 通时，电源E 经V 向L 供电使其贮能，此时电流为i 1。
同时，C 维持输出电压恒定并向负载R 供电。
✧ ✧ V 断时，L 的能量向负载释放，电流为i 2。
负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压u L 对时间的积分为零，即（3-39）当V 处于通态期间，u L = E ；而当V 处于断态期间，u L = - u o 。
于是：（3-40）所以输出电压为：（3-41）改变α，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<α <1/2时为降压 当1/2<α <1时为升压因此称作升降压斩波电路。
或称之为buck -boost 变换器。
2. Cuk 斩波电路图3-5所示为C uk 斩波电路的原理图及其等效电路。
⎰=TL t u 00d off o on t U t E ⋅=⋅E E t T t E t t U on on off on o αα-=-==1图3-5 Cu k 斩波电路及其等效电路 a ） 电路图 b ） 等效电路✧ ✧ V 通时，E —L 1—V 回路和R —L 2—C —V 回路分别流过电流 ✧ ✧ V 断时，E —L 1—C —V D 回路和R —L 2—V D 回路分别流过电流 ✧ ✧ 输出电压的极性与电源电压极性相反✧ ✧ 等效电路如图3-5b 所示，相当于开关S 在A 、B 两点之间交替切换ERVDa)CV 12u oRCB A SEi 112i 2u Au Bu o+-RCB A SEi 112i 2u Au Bu o+-b)稳态时电容C 的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即（3-45）在图3-5b 的等效电路中，开关S 合向B 点时间即V 处于通态的时间t o n ，则电容电流和时间的乘积为I 2t o n 。
开关S 合向A 点的时间为V 处于断态的时间t o f f ，则电容电流和时间的乘积为I 1 t o f f 。
由此可得（3-46）从而可得（3-47）当电容C 很大使电容电压u C 的脉动足够小时，输出电压U o 与输入电压E 的关系可用以下方法求出：当开关S 合到B 点时，B 点电压u B =0，A 点电压u A = -u C ； 当S 合到A 点时，u B = u C ，u A =0 因此，B 点电压u B 的平均值为（U C 为电容电压u C 的平均值），又因电感L 1的电压平均值为零，所以。
另一方面，A 点的电压平均值为，且L 2的电压平均值为零，按图3-5b 中输出电压U o 的极性，有。
于是可得出输出电压U o 与电源电压E 的关系：（3-48）⎰=TC t i 00d off on t I t I 12=αα-=-==112on on on off t t T t t I I C off B U Tt U =C off B U Tt U E ==C onA U Tt U -=C ono U T t U =E E t T t E t t U on on off on o αα-=-==1这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。
➢ ➢ 优点（与升降压斩波电路相比）：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。
3.1.4 Se pic 斩波电路和Ze ta 斩波电路图3-6分别给出了Sepic 斩波电路和Ze ta 斩波电路的原理图。
图3-6 S ep i c 斩波电路和Z e t a 斩波电路 a ）S ep i c 斩波电路 b ）Z e t a 斩波电路Sepic 斩波电路的基本工作原理是：当V 处于通态时，E —L 1—V 回路和C 1—V —L 2回路同时导电，L 1和L 2贮能。
V 处于断态时，E —L 1—C 1—VD —负载（C 2和R ）回路及L 2—VD —负载回路同时导电，此阶段E 和R VDE Vb)RVD E a)V i 1L 1C 1u C1i 2L 2C 2u oi 1C 1L 1u o C 22L 1既向负载供电，同时也向C 1充电，C 1贮存的能量在V 处于通态时向L 2转移。
Sepic 斩波电路的输入输出关系由下式给出：（3-49）Zeta 斩波电路也称双Sepic 斩波电路，其基本工作原理是：在V 处于通态期间，电源E 经开关V 向电感L 1贮能。
同时，E 和C 1共同向负载R 供电，并向C 2充电。
待V 关断后，L 1经V D 向C 1冲电，其贮存的能量转移至C 1。
同时，C 2向负载供电，L 2的电流则经VD 续流。
Zeta 斩波电路的输入输出关系为：（3-50）两种电路相比，具有相同的输入输出关系。
Sepic 电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Ze ta 电路的输入、输出电流均是断续的。