目录

引言

直流斩波电路（DC Chopper）

电路种类

3.1 基本斩波电路

3.1.1 降压斩波电路

电路结构

工作原理

数量关系

斩波电路三种控制方式

负载电流断续的情况

直流—直流变换输出的直流电压有两类不同的应用领域

带电容滤波的降压斩波电路

输出电压波动量计算

电感电流临界连续时的负载电流（或电感电流）

3.1.2 升压斩波电路

1)升压斩波电路的基本原理

电路结构

工作原理

数量关系

电压升高的原因

理想Boost变换器输出电压纹波（脉动）的大小

2）升压斩波电路典型应用

用于直流电动机传动

数量关系

当电枢电流断续时

3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路

1）升降压斩波电路（buck-boost Chopper）

电路结构

基本工作原理

数量关系

2）Cuk斩波电路（boost-buck Chopper）

工作原理

数量关系

优点

3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

电路结构

Sepic电路原理

Zeta斩波电路原理

3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路

3.2.1 电流可逆斩波电路

电流可逆斩波电路

电路结构

工作过程（三种工作方式：降压、升压和第3种工作方式）

3.2.2 桥式可逆斩波电路

3.2.3 多相多重斩波电路

基本概念

3相3重降压斩波电路

电路结构

多相多重斩波电路

引言

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。

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。
• 带隔离变压器的直流——直流变换器（开关电源的基础）。

3.1 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

V一般为全控型器件。若为晶闸管，须有辅助关断电路。VD为续流二极管。

典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

工作原理

• 时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。
• 时刻控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，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。
• 电感作用：在V关断时利用其储存的电能维持负载电流的连续。

数量关系

电流连续

负载电压平均值：

——V通的时间，——V断的时间，——导通占空比

负载电流平均值：

电流断续

被抬高，一般不希望出现。

斩波电路三种控制方式

• T不变，变——脉冲宽度调制（PWM）。即通过导通占空比的改变，从而改变变压比M，控制输出电压。此种方式应用最多。
• 不变，变T——频率调制。缺点：导通比的变化范围有限。输出电压、输出电流中的谐波频率不固定，不利于滤波器的设计。
• 和T都可调，改变占空比——混合型。

电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。

基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。

• 分V处于通态和处于断态
• 初始条件分电流连续和断续

同样可以从能量传递关系出发进行推导

• 由于L为无穷大，故负载电流维持为不变
• 电源只在V处于通态时提供能量，为
• 在整个周期T中，负载消耗的能量为

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。

，输出功率等于输入功率

可将降压斩波器看作直流降压变压器。

负载电流断续的情况

，且时，，其中

，其中

输出电压平均值为：

负载电流平均值为：

直流—直流变换输出的直流电压有两类不同的应用领域

第一类负载要求输出电压可在一定范围内调节控制，即要求直流——直流变换器输出可变的直流电压。例如负载为直流电动机，要求可变的直流电压供电以改变其转速。

另一类负载则要求直流-直流变换器的输出电压，无论在电源电压变化或负载变化时都能维持恒定不变，即输出一个恒定的直流电压。例如：开关型稳压电路。（对电压波动要求高，需要对输出电压进行滤波处理）

带电容滤波的降压斩波电路

将（c）图中输出电压波形展开为傅里叶级数：

• 分解后的常数项可看成所需要的直流分量，谐波都是不需要的分量。
• 谐波一般用滤波器滤掉（采用LC型滤波器效果更好），滤波器的输出电压有纹波。

滤波器电感对谐波的阻抗为：

滤波器电容对谐波的阻抗为：

如果：，则各谐波经过滤波器后几乎衰减为零，而直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。

输出电压波动量计算

输出电压的波动量为：

由此可见，增加开关频率f，加大L和C都可以减小输出电压脉动。

电感电流临界连续时的负载电流（或电感电流）

输出电压为常数时，

电源电压为常数时，

开关频率f越高、电感L越大、临界连续所要求的负载电流越小，越容易实现电感电流连续工作的情况。

3.1.2 升压斩波电路

升压斩波电路（Boost Chopper）

1)升压斩波电路的基本原理

电路结构

电感L储存电能，电容C保持输出电压。电感的泵升电压的作用。

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，电容C向负载R供电，输出电压恒定。
• 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。

数量关系

• 设V通态的时间为，此阶段L上积蓄的能量为
• 设V断态的时间为，则此期间电感L释放能量为
• 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

化简得：

，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

——升压比M；升压比的倒数记作，即。

和的关系：

因此，输出电压平均值可表示为

电压升高的原因

• 电感L储能使电压泵升的作用
• 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。

与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流升压变压器。

输出电流的平均值为：

电源电流的平均值为：

理想Boost变换器输出电压纹波（脉动）的大小

输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量。可近似地由下式确定：

，其中，f为开关频率，C为电容量。

电感电流临界连续时负载电感电流平均值：

当，负载电流连续；当，负载电流断续。电感L应足够大，以保证电感中电流连续，升压比表达式确定（负载电流断续时表达式不确定），有利于控制。

2）升压斩波电路典型应用

• 用于直流电动机传动
• 用作单相功率因数校正（PFC）电路
• 用于其他交直流电源中

用于直流电动机传动

• 再生制动时把电能回馈给直流电源。
• 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。
• 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。

数量关系

当V处于通态时，设电动机电枢电流为，得：

当V处于断态时，设电动机电枢电流为，得：

当电流连续时，考虑到初始条件，L近似无穷大时电枢电流的平均值，即：

当电枢电流断续时

当时刻，令式中即可求出，进而可写出的表达式。

另外，当时，，可求得持续的时间，即：

其中，，——电流断续的条件。

3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路

由buck斩波电路和boost斩波电路组合而成。

1）升降压斩波电路（buck-boost Chopper）

电路结构

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。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。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。

数量关系

稳态时，一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，即

其中，V处于通态时有，V处于断态时有，整理可得：

所以输出电压为：

结论

当时为降压，当时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。

图中给出了电源电流和负载电流的波形，设两者的平均值分别为和，当电流脉动足够小时，有：

由上式得：，则，其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

2）Cuk斩波电路（boost-buck Chopper）

工作原理

• V通时，回路和回路有电流。
• V断时，回路和回路有电流。
• 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。

数量关系

同理：

V处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。

V处于断态的时间，则电容电流和时间的乘积为。

由此可得：

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 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

电路结构

Sepic电路原理

• V通态，回路和回路同时导电，和贮能。
• V断态，负载回路及负载回路同时导电，此阶段E和既向负载供电，同时也向充电（贮存的能量在V处于通态时向转移）。

输入输出关系：

Zeta斩波电路原理

• V处于通态期间，电源E经开关V向电感贮能。
• V关断后，构成振荡回路，的能量转移至，能量全部转移至上之后，VD关断，经向负载供电。

输入输出关系：

虽然具有相同的输入输出关系，但Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。

两种电路输出电压为正极性的。

3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路

复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成（包括：电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路）

多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成

3.2.1 电流可逆斩波电路

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。

电路结构

• 和构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。
• 和构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。
• 必须防止和同时导通而导致的电源短路。

工作过程（三种工作方式：降压、升压和第3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。
• 当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。
• 电路响应很快。

3.2.2 桥式可逆斩波电路

• 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。
• 使保持导通时，等效为电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。
• 使保持导通时，、和、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。

3.2.3 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个结构相同的基本斩波电路而构成。

相数：一个控制周期中电源侧的电流脉波数。

重数：负载电流脉波数。

3相3重降压斩波电路

电路结构

• 相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。
• 总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。
• 总的输出电流脉动幅值变得很小。
• 所需平波电抗器总重量大为减轻。
• 总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。

多相多重斩波电路

• 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，向一个负载供电时，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，提高装置的可靠性。