3-1
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
本章小结
3-2
第 3章 直流斩波电路 ·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 。
3-3
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
3-4
3.1.1 降压斩波电路
电路结构
全控型器件
若为晶闸管，须
有辅助关断电路。
续流二极管
负载
出现
的反
电动
势
典型用途之一是 拖动直流电动机,也可带 蓄电池负载 。
降压斩波电路
（ Buck Chopper)
3-5
3.1.1 降压斩波电路
工作原理
c) 电流断续时的波形
E
V
+
-
M
R L
VD
i o
E M u o
i G
t
t
t O
O
O b)电流连续时的波形
T
E
i G
t on t off
i o i
1 i 2
I 10 I 20
t 1
u o
O
O
O t
t
t
T
E E
i G
i G
t on t off
i o t x i
1 i 2
I 20 t 1 t 2 u
o
E M
a) 电路图
图 3-1 降压斩波电路得原理图及波形
t=0时刻驱动 V导通, 电源 E向
负载供电, 负载电压 uo=E,负
载电流 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 。
通常串接较大电感 L使负载电
流连续且脉动小 。
动画演示 。
3-6
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值,
EETtEtt tU ????? on
o f fon
on
o
（ 3-1）
R
EUI Mo
o
?? （ 3-2）
ton—— V通的时间 toff—— V断的时间 a--导通占空比
电流断续, Uo被抬高，一般不希望出现。
负载电流平均值,
3-7
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式
T不变, 变 ton — 脉冲宽度调制 （ PWM） 。
ton不变, 变 T — 频率调制 。
ton和 T都可调, 改变占空比 — 混合型 。
此种方式应用
最多
第 2章 2.1节介绍过,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
3-8
3.1.1 降压斩波电路
? ?TIETRI oM2o ?
同样可以从 能量传递关系 出发进行的推导
由于 L为无穷大, 故负载电流维持为 Io不变
电源只在 V处于通态时提供能量，为
在整个周期 T中，负载消耗的能量为
onotEI
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 。
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。
TIETRItEI oMoono ?? 2 R EEI Mo ?? ?
oo
on
1 IIT
tI ???
ooo1 IUEIEI ?? ?
3-9
3.1.1 降压斩波电路
负载电流断续的情况,
I10=0，且 t=tx时,i2=0
式（ 3-7）
式（ 3-6）
??
?
??
? ??? ?
m
emt ??? )1(1ln
x （ 3-16）
tx<toff
电流断续的条件,
1
1
?
??
?
??
e
em （ 3-17）
R
EU
R
Em
T
tttiti
TI
t t moxon
0 0 21o
on x dd1 ???
?
??
?
? ????
????? ?? ? ? ?（ 3-19）
负载电流平均值为,
EmT ttT EttTEtU ?
?
?
??
? ?
?
??
?
? ???????? xonMxonon
o 1
)( ?
输出电压平均值为,
（ 3-18）
3-10
3.1.2 升压斩波电路
升压斩波电路
（ Boost Chopper）
保持输
出电压
储存电能 电路结构
1) 升压斩波电路的基本原理
3-11
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同时向电容 C充电，并向负
载提供能量。
动态演示 。
0
iGE
0
io
I1
图 3-2 升压斩波电路及工组波形
a) 电路图
b) 波形
3-12
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
设 V通态的时间为 ton，此阶段 L上积蓄的能量为
设 V断态的时间为 toff，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,
? ? o ff1o tIEU ?
ontEI1
Et TEt ttU
o f fo f f
o f fon
o ?
?? （ 3-21）
（ 3-20） o f foon tIEUtEI 11 )( ??
化简得,
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为 升压 斩波电路 。
—— 升压比；升压比的倒数记作 b, 即 。
b和 ?的关系,
因此, 式 （ 3-21） 可表示为
off/ tT
1?? b?
EEU ?b ??? 1 11o
T
to f f?b
（ 3-23）
（ 3-22）
3-13
3.1.2 升压斩波电路
电压升高得原因, 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, 。 （ 3-24）
与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作 直流变压器 。
oo1 IUEI ?
输出电流的平均值 Io为,
R
E
R
UI
b
1o
o ?? (3-25)
电源电流的平均值 Io为,
R
EI
E
UI
2o
o1 1b?? (3-26)
3-14
3.1.2 升压斩波电路
2) 升压斩波电路典型应用
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
t
t
T
E
i
O
O
b)
a)
i 1 i 2
I 10 I 20 I 10
t on t off t
O
T
O
E
t
c)
u o
i o
i 1 i 2
t 1 t 2 t x t on
t off
I 20
u o
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
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。
动画演示 。
3-15
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
当 V处于 通态 时，设电动机电枢电流为 i1，得下式,
M11d
d ERi
t
iL ?? (3-27)
当 V处于 断态 时，设电动机电枢电流为 i2，得下式,
EERitiL ??? M22dd （ 3-29）
当 电流连续 时，考虑到初始条件，近似 L无穷大时电
枢电流的平均值 Io，即
? ? R EEREmI o bb ???? M（ 3-36）
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电
压看作是被降低到了 。 Eb
3-16
3.1.2 升压斩波电路
如图 3-3c，当电枢电流断续时,
当 t=0时刻 i1=I10=0，令式（ 3-31）
中 I10=0即可求出 I20，进而可写出
i2的表达式。
另外，当 t=t2时,i2=0，可求得 i2持
续的时间 tx，即
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
m
met
t
?
?? ?
1
1ln
on
x
?
?
?
b?
?
?
?
??
e
em
1
1 --------电流断续 的条件
tx<t0ff
t
O
T
O
E
t
c)
u o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t off
I 20
3-17
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
升降压斩波电路
(buck -boost Chopper)
电路结构
3-18
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
基本工作原理
a)
o t
b)
o t
i 1
i 2
t on t off
I L
I L
图 3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图 b）波形
V通时，电源 E经 V向 L供电使
其贮能，此时电流为 i1。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 i2。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。
动态演示 。
3-19
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
数量关系
稳态时，一个周期 T内电感 L两端电压 uL对时间的积分为零，即
? ?T tu0 L 0d
（ 3-39）
所以输出电压为,EE
tT
tE
t
tU
?
?
????? 1on
on
o f f
on
o
（ 3-41）
V处于通态
uL = E
V处于断态
uL = - uo
o ffoon tUtE ???
（ 3-40）
3-20
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
图 3-4b中给出了电源电流 i1和负载电流 i2的波形，设两者
的平均值分别为 I1和 I2，当电流脉动足够小时，有,
o ff
on
2
1
t
t
I
I ? （ 3-42）
由上式得,
11
on
o ff
2
1 II
t
tI
?
???? （ 3-43）
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 。
其输出功率和输入功率相等，可看作 直流变压器 。
2o1 IUEI ?
（ 3-44）
o t
b)
o t
i 1
i 2
t on t off
I L
I L
3-21
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
2) Cuk斩波电路
V通时, E— L1— V回路和 R— L2— C— V回路有电流 。
V断时, E— L1— C— VD回路和 R— L2— VD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 。
图 3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图 b） 等效电路
3-22
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
同理,
数量关系
? ?T ti0 C 0d （ 3-45）
V处于通态的时间 ton，则电容电流和时间的乘积为 I2ton。
V处于断态的时间 toff，则电容电流和时间的乘积为 I1 toff。
由此可得,
o ff1on2 tItI ? （ 3-46）
?
?????? 1
on
on
on
o f f
1
2
t
tT
t
t
I
I （ 3-46）
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
ono （ 3-48）
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。
3-23
b) Zeta斩波电路
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
a) Sepic斩波电路
图 3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
电路结构
Speic电路原理
V通态,E— L1— V回路和 C1— V— L2
回路同时导电,L1和 L2贮能。
V断态,E— L1— C1— VD— 负载 回路
及 L2— VD— 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贮存的能量在 V处于通态时向
L2转移 ）。
输入输出关系,
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o （ 3-49）
3-24
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
Zeta斩波电路原理
V处于通态期间, 电源 E经开关
V向电感 L1贮能 。
V关断后, L1－ VD－ C1构成振
荡回路, L1的能量转移至 C1，
能量全部转移至 C1上之后, VD
关断, C1经 L2向负载供电 。
输入输出关系,
图 3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
EU ???? 1o （ 3-50）
相同的输入输出关系。 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。
b) Zeta斩波电路
3-25
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
3.2.2 桥式可逆斩波电路
3.2.3 多相多重斩波电路
3-26
3.2.1 电流可逆斩波电路
复合斩波电路 —— 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成
多相多重斩波电路 —— 相同结构的基本斩波电路组合构成
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 。
电流可逆斩波电路
3-27
t
t
b)
u
o
i
o
i
V1
i
D1
i
V2i D2
3.2.1 电流可逆斩波电路
电路结构
a) 电路图
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。
必须 防止 V1和 V2同时导通 而导致的电
源短路。
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。
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。
图 3-7 电流可逆斩波电路及波形
3-28
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。
图 3-8 桥式可逆斩波电路
使 V4保持通时, 等效为图 3-7a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 。
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 。
3-29
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
3-30
3.2.3 多相多重斩波电路
t O
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
1
u 2
u 3
u o
i 1
i 2
i 3
i o
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。
图 3-9 3相 3重斩波电路及其波形
3-31
3.2.3 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 。
3-32
本章 小结
本章介绍了 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 。
本章的 重点 是, 理解 降压斩波电路 和 升压斩波
电路 的工作原理, 掌握这两种电路的输入输出
关系, 电路解析方法, 工作特点
直流传动是斩波电路应用的传统领域, 而 开关
电源 则是斩波电路应用的新领域, 前者的应用
在逐渐萎缩, 而后者的应用是电力电子领域的
一大热点 。
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
本章小结
3-2
第 3章 直流斩波电路 ·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 。
3-3
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
3-4
3.1.1 降压斩波电路
电路结构
全控型器件
若为晶闸管，须
有辅助关断电路。
续流二极管
负载
出现
的反
电动
势
典型用途之一是 拖动直流电动机,也可带 蓄电池负载 。
降压斩波电路
（ Buck Chopper)
3-5
3.1.1 降压斩波电路
工作原理
c) 电流断续时的波形
E
V
+
-
M
R L
VD
i o
E M u o
i G
t
t
t O
O
O b)电流连续时的波形
T
E
i G
t on t off
i o i
1 i 2
I 10 I 20
t 1
u o
O
O
O t
t
t
T
E E
i G
i G
t on t off
i o t x i
1 i 2
I 20 t 1 t 2 u
o
E M
a) 电路图
图 3-1 降压斩波电路得原理图及波形
t=0时刻驱动 V导通, 电源 E向
负载供电, 负载电压 uo=E,负
载电流 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 。
通常串接较大电感 L使负载电
流连续且脉动小 。
动画演示 。
3-6
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值,
EETtEtt tU ????? on
o f fon
on
o
（ 3-1）
R
EUI Mo
o
?? （ 3-2）
ton—— V通的时间 toff—— V断的时间 a--导通占空比
电流断续, Uo被抬高，一般不希望出现。
负载电流平均值,
3-7
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式
T不变, 变 ton — 脉冲宽度调制 （ PWM） 。
ton不变, 变 T — 频率调制 。
ton和 T都可调, 改变占空比 — 混合型 。
此种方式应用
最多
第 2章 2.1节介绍过,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
3-8
3.1.1 降压斩波电路
? ?TIETRI oM2o ?
同样可以从 能量传递关系 出发进行的推导
由于 L为无穷大, 故负载电流维持为 Io不变
电源只在 V处于通态时提供能量，为
在整个周期 T中，负载消耗的能量为
onotEI
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 。
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。
TIETRItEI oMoono ?? 2 R EEI Mo ?? ?
oo
on
1 IIT
tI ???
ooo1 IUEIEI ?? ?
3-9
3.1.1 降压斩波电路
负载电流断续的情况,
I10=0，且 t=tx时,i2=0
式（ 3-7）
式（ 3-6）
??
?
??
? ??? ?
m
emt ??? )1(1ln
x （ 3-16）
tx<toff
电流断续的条件,
1
1
?
??
?
??
e
em （ 3-17）
R
EU
R
Em
T
tttiti
TI
t t moxon
0 0 21o
on x dd1 ???
?
??
?
? ????
????? ?? ? ? ?（ 3-19）
负载电流平均值为,
EmT ttT EttTEtU ?
?
?
??
? ?
?
??
?
? ???????? xonMxonon
o 1
)( ?
输出电压平均值为,
（ 3-18）
3-10
3.1.2 升压斩波电路
升压斩波电路
（ Boost Chopper）
保持输
出电压
储存电能 电路结构
1) 升压斩波电路的基本原理
3-11
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同时向电容 C充电，并向负
载提供能量。
动态演示 。
0
iGE
0
io
I1
图 3-2 升压斩波电路及工组波形
a) 电路图
b) 波形
3-12
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
设 V通态的时间为 ton，此阶段 L上积蓄的能量为
设 V断态的时间为 toff，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,
? ? o ff1o tIEU ?
ontEI1
Et TEt ttU
o f fo f f
o f fon
o ?
?? （ 3-21）
（ 3-20） o f foon tIEUtEI 11 )( ??
化简得,
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为 升压 斩波电路 。
—— 升压比；升压比的倒数记作 b, 即 。
b和 ?的关系,
因此, 式 （ 3-21） 可表示为
off/ tT
1?? b?
EEU ?b ??? 1 11o
T
to f f?b
（ 3-23）
（ 3-22）
3-13
3.1.2 升压斩波电路
电压升高得原因, 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, 。 （ 3-24）
与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作 直流变压器 。
oo1 IUEI ?
输出电流的平均值 Io为,
R
E
R
UI
b
1o
o ?? (3-25)
电源电流的平均值 Io为,
R
EI
E
UI
2o
o1 1b?? (3-26)
3-14
3.1.2 升压斩波电路
2) 升压斩波电路典型应用
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
t
t
T
E
i
O
O
b)
a)
i 1 i 2
I 10 I 20 I 10
t on t off t
O
T
O
E
t
c)
u o
i o
i 1 i 2
t 1 t 2 t x t on
t off
I 20
u o
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
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。
动画演示 。
3-15
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
当 V处于 通态 时，设电动机电枢电流为 i1，得下式,
M11d
d ERi
t
iL ?? (3-27)
当 V处于 断态 时，设电动机电枢电流为 i2，得下式,
EERitiL ??? M22dd （ 3-29）
当 电流连续 时，考虑到初始条件，近似 L无穷大时电
枢电流的平均值 Io，即
? ? R EEREmI o bb ???? M（ 3-36）
该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电
压看作是被降低到了 。 Eb
3-16
3.1.2 升压斩波电路
如图 3-3c，当电枢电流断续时,
当 t=0时刻 i1=I10=0，令式（ 3-31）
中 I10=0即可求出 I20，进而可写出
i2的表达式。
另外，当 t=t2时,i2=0，可求得 i2持
续的时间 tx，即
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
m
met
t
?
?? ?
1
1ln
on
x
?
?
?
b?
?
?
?
??
e
em
1
1 --------电流断续 的条件
tx<t0ff
t
O
T
O
E
t
c)
u o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t off
I 20
3-17
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
升降压斩波电路
(buck -boost Chopper)
电路结构
3-18
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
基本工作原理
a)
o t
b)
o t
i 1
i 2
t on t off
I L
I L
图 3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图 b）波形
V通时，电源 E经 V向 L供电使
其贮能，此时电流为 i1。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 i2。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。
动态演示 。
3-19
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
数量关系
稳态时，一个周期 T内电感 L两端电压 uL对时间的积分为零，即
? ?T tu0 L 0d
（ 3-39）
所以输出电压为,EE
tT
tE
t
tU
?
?
????? 1on
on
o f f
on
o
（ 3-41）
V处于通态
uL = E
V处于断态
uL = - uo
o ffoon tUtE ???
（ 3-40）
3-20
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
图 3-4b中给出了电源电流 i1和负载电流 i2的波形，设两者
的平均值分别为 I1和 I2，当电流脉动足够小时，有,
o ff
on
2
1
t
t
I
I ? （ 3-42）
由上式得,
11
on
o ff
2
1 II
t
tI
?
???? （ 3-43）
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 。
其输出功率和输入功率相等，可看作 直流变压器 。
2o1 IUEI ?
（ 3-44）
o t
b)
o t
i 1
i 2
t on t off
I L
I L
3-21
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
2) Cuk斩波电路
V通时, E— L1— V回路和 R— L2— C— V回路有电流 。
V断时, E— L1— C— VD回路和 R— L2— VD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 。
图 3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图 b） 等效电路
3-22
3.1.3升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
同理,
数量关系
? ?T ti0 C 0d （ 3-45）
V处于通态的时间 ton，则电容电流和时间的乘积为 I2ton。
V处于断态的时间 toff，则电容电流和时间的乘积为 I1 toff。
由此可得,
o ff1on2 tItI ? （ 3-46）
?
?????? 1
on
on
on
o f f
1
2
t
tT
t
t
I
I （ 3-46）
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
ono （ 3-48）
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。
3-23
b) Zeta斩波电路
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
a) Sepic斩波电路
图 3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
电路结构
Speic电路原理
V通态,E— L1— V回路和 C1— V— L2
回路同时导电,L1和 L2贮能。
V断态,E— L1— C1— VD— 负载 回路
及 L2— VD— 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贮存的能量在 V处于通态时向
L2转移 ）。
输入输出关系,
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o （ 3-49）
3-24
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
Zeta斩波电路原理
V处于通态期间, 电源 E经开关
V向电感 L1贮能 。
V关断后, L1－ VD－ C1构成振
荡回路, L1的能量转移至 C1，
能量全部转移至 C1上之后, VD
关断, C1经 L2向负载供电 。
输入输出关系,
图 3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路
EU ???? 1o （ 3-50）
相同的输入输出关系。 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。
b) Zeta斩波电路
3-25
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
3.2.2 桥式可逆斩波电路
3.2.3 多相多重斩波电路
3-26
3.2.1 电流可逆斩波电路
复合斩波电路 —— 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成
多相多重斩波电路 —— 相同结构的基本斩波电路组合构成
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 。
电流可逆斩波电路
3-27
t
t
b)
u
o
i
o
i
V1
i
D1
i
V2i D2
3.2.1 电流可逆斩波电路
电路结构
a) 电路图
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。
必须 防止 V1和 V2同时导通 而导致的电
源短路。
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。
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。
图 3-7 电流可逆斩波电路及波形
3-28
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。
图 3-8 桥式可逆斩波电路
使 V4保持通时, 等效为图 3-7a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 。
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 。
3-29
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
3-30
3.2.3 多相多重斩波电路
t O
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
1
u 2
u 3
u o
i 1
i 2
i 3
i o
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。
图 3-9 3相 3重斩波电路及其波形
3-31
3.2.3 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 。
3-32
本章 小结
本章介绍了 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 。
本章的 重点 是, 理解 降压斩波电路 和 升压斩波
电路 的工作原理, 掌握这两种电路的输入输出
关系, 电路解析方法, 工作特点
直流传动是斩波电路应用的传统领域, 而 开关
电源 则是斩波电路应用的新领域, 前者的应用
在逐渐萎缩, 而后者的应用是电力电子领域的
一大热点 。
