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1、第第5章章 直流斩波电路直流斩波电路第1页，共24页，编辑于2022年，星期一第第5章章 直流斩波电路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，称为直流斩波电路直流斩波电路，相应的装置称为斩波器斩波器。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。本章要求掌握斩波电路的基本工作原理，熟悉降压斩波降压斩波电路电路、升压斩波电路升压斩波电路、升降压斩波电路升降压斩波电路和Cuk斩波电斩波电路路的结构、特点与工作情况。第2页，共24页，编辑于202
2、2年，星期一5.1 斩波电路的基本原理斩波电路的基本原理在斩波电路中，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。(a)电路电路(b)波形波形 图图5.1 斩波电路原理图斩波电路原理图 第3页，共24页，编辑于2022年，星期一5.2 降压斩波电路降压斩波电路(Buck电路电路)5.2.1 电路结构与基本原理电路结构与基本原理5.2.2 连续导电模式连续导电模式5.2.3 断续导电模式断续导电模式5.2.4 输出电压纹波输出电压纹波第4页，共24页，编辑于2022年，星期一5.2.1 电路结构与基本原理电路结构与基本原理假设VT、VD均为理想
3、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。图图5.2 降压斩波器主电路降压斩波器主电路 第5页，共24页，编辑于2022年，星期一5.2.2 连续导电模式连续导电模式当回路电感足够大时，流过电感的电流是连续的，斩波器输出波形如图5.3所示。负载端输出电压的平均值为图图5.3 连续导电模式下的输出波形连续导电模式下的输出波形 第6页，共24页，编辑于2022年，星期一5.2.3 断续导电模式断续导
4、电模式当回路电感不够大时，流过电感的电流是断续的，即下降到零后维持零值，直到开关VT再次导通为止。断续状态下斩波器输出波形如图5.5所示。图图5.5 断续状态下斩波器输出波形断续状态下斩波器输出波形 第7页，共24页，编辑于2022年，星期一5.2.4 输出电压纹波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。图图5.7 降压斩波电路的输出纹波降压斩波电路的输出纹波第8页，共24页，编辑于2022年，星期一5.3 升压斩波电路升压斩波电路(Boost电路电路)5.3.1 电路结构与基本原理电路结构与基本原理5.3.2 连续导电模式连续导电模式5.3.3
5、 断续导电模式断续导电模式5.3.4 输出电压纹波输出电压纹波第9页，共24页，编辑于2022年，星期一5.3.1 电路结构与基本原理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。此时可将电路分为两部分，第一部分由E、L、VT组成，电感L储存能量，流经L、VT的电流逐渐增大，电源E的能量转化为电感L中的磁场能量。第二部分由C、Z组成，C放电供给负载能量，负载两端电压逐渐降低。当VT断开时，二极管正偏导通，电感储能和电源E一起经二极管给电容充电，同时也向负载提供能量，电感电流iL逐渐减小。图图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升压型斩波器主
6、电路临界导通时的电压和电流的波形第10页，共24页，编辑于2022年，星期一5.3.2 连续导电模式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。输出电压图图5.9 升压型斩波器电压与电流波形升压型斩波器电压与电流波形第11页，共24页，编辑于2022年，星期一5.3.3 断续导电模式断续导电模式当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。图图5.11 断续状态下升压斩波器波形断续状态下升压斩波器波形 第12页，共24页，编辑于2022年，星期一5.3.4 输出电压纹波输出电压纹波
7、升压斩波器在连续工作状态电压和电流波形如图5.13所示，根据所示波形可以计算出电压纹波的峰-峰值。图图5.13 升压斩波电路输出电压纹波升压斩波电路输出电压纹波 第13页，共24页，编辑于2022年，星期一5.4 升降压斩波电路升降压斩波电路(Buck-Boost电路电路)5.4.1 电路结构电路结构5.4.2 连续导电模式连续导电模式5.4.3 断续导电模式断续导电模式第14页，共24页，编辑于2022年，星期一5.4.1 电路结构电路结构当斩波开关VT导通时，输入端向电感提供能量，二极管VD反偏，电容C向负载提供能量。当斩波开关VT断开时，储存在电感中的能量传递给输出端所接负载。图图5.1
8、4 升降压斩波电路升降压斩波电路第15页，共24页，编辑于2022年，星期一5.4.2 连续导电模式连续导电模式图5.15给出了连续导电模式下升降压斩波电路的波形。输出电压图图5.15 升降压斩波电路连续工作波形图升降压斩波电路连续工作波形图 第16页，共24页，编辑于2022年，星期一5.4.3 断续导电模式断续导电模式如图5.16是升降压斩波电路断续情况下的波形。图图5.16 升降压斩波电路断续工作波形图升降压斩波电路断续工作波形图 第17页，共24页，编辑于2022年，星期一5.5 Cuk斩波电路斩波电路5.5.1 电路结构电路结构5.5.2 连续导电模式连续导电模式5.5.3 断续导电
9、模式断续导电模式第18页，共24页，编辑于2022年，星期一5.5.1 电路结构电路结构当斩波开关V导通时，输入端向电感L1提供能量，电容C1上的电压使二极管VD反偏截止，电容C1向负载和C2、L2提供能量，负载获得反极性的能量。斩波开关VT断开时，电感L1的感应电动势改变方向，电源和电感L1联合对电容C1充电，二极管VD正偏而导通，在此期间L2经VD向负载释放能量。图图5.17 Cuk斩波电路斩波电路第19页，共24页，编辑于2022年，星期一5.5.2 连续导电模式连续导电模式Cuk斩波电路连续导电模式下的电压和电流波形如图5.18所示。输出电压图图5.18 Cuk电路连续导电模式波形电路
10、连续导电模式波形 第20页，共24页，编辑于2022年，星期一5.5.3 断续导电模式断续导电模式Cuk斩波电路在断续导通的情况下，除斩波开关VT导通、二极管VD截止和斩波开关VT截止、二极管VD导通两种情况外，还有一种情况是斩波开关VT和二极管VD都截止的情况。如图5.19表示Cuk斩波电路断续情况下的波形。图图5.19 Cuk电路断续工作波形电路断续工作波形第21页，共24页，编辑于2022年，星期一5.6 其他形式斩波电路其他形式斩波电路5.6.1 Sepic斩波电路斩波电路5.6.2 Zeta斩波电路斩波电路第22页，共24页，编辑于2022年，星期一5.6.1 Sepic斩波电路斩波
11、电路图5.20是Sepic斩波电路的主电路图。当VT处于通态时，EL1VT回路和C1VTL2回路同时导电，L1和L2储能。VT处于断态时，EL1C1VD负载(C2和R)回路及L2VD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：图图5.20 Sepic斩波电路斩波电路 第23页，共24页，编辑于2022年，星期一5.6.2 Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，图5.21是其主电路图。在VT处于通态时，电源E经开关VT向电感L1储能。同时，E和C1共同向负载R供电，并向C2充电。待VT关断后，L1经VD向C1充电，其储存的能量转移至C1。同时，C2向负载供电，L2的电流则经VD续流。Zeta斩波电路的输入/输出关系为图图5.21 Zeta斩波电路斩波电路第24页，共24页，编辑于2022年，星期一