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
2
第 3章 直流斩波电路
直流斩波电路（直流 --直流变换器） 将直流电变
为另一固定电压或可调电压的直流电（不包括直流 — 交流 — 直流）
直流斩波电路的种类
?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，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
?多相多重斩波电路 —— 相同结构基本斩波电路组合
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
4
3.1.1 降压斩波电路
E
V
+
-
M
RL
VD
i
o
E
M
u
o
i
G
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
a)电路图
?V为该电路全控型器件，若采
用晶闸管，需设臵使其关断的辅
助电路。
?为在 V关断时给负载中的电感
电流提供通道，设臵了续流二极
管 VD。
?斩波电路用途之一是拖动直流
电机，也可带蓄电池负载,负载
均会 出现的反电动势。
5
?当 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
?当 t = t1时刻控制 V关断, 负载
电流经二极管 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, 通常串接 L值较
大的电感 。
?当电路工作于稳定时, 负载电
流在一个周期的初值和终值相
等 。
t
t
tO
O
O
b)
T
E
uGE
t on
t off
i o i
1 i
2
I 10 I 20
t 1
u o
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
b)电流连续时的波形
6
EETtEtt tU o ????? on
o f fon
on
R
EUI o
o M
??
（ 3-1）
（ 3-2）
负载电压平均值为
式中,ton为 V处于通态的时间； toff为 V处于断态的时间； T为开关周
期； ?为 导通占空比（简称占空比或导通比）。
降压斩波电路（ Buck变换器） 输出到负载的电压平
均值 U0最大为 E，若减小占空比 a，则 U0随之减小。
负载电流平均值为
7
O
O
O t
t
t
T
E E
c)
uGE
t
on
t off
i
o
t
x
i
1 i
2
I 20t 1 t 2u
o
E
M
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
c)电流断续时的波形
负载中 L值较小，则在 V关
断后，到了 t2时刻，负载
电流已衰减为零，会出现
负载电流断续，由波形可
见，负载电压 uo平均值会
抬高，一般不希望出现电
流断续的情况。
8
斩波电路三种控制方式
1） 脉冲宽度调制 （ PWM 脉冲调宽型 ) 保持开关周期 T不
变, 调节开关导通时间 ton
2) 频率调制 （ 调平型 ） 保持开关导通时间 ton不变, 改变开
关周期 T
3) 混合型 ton和 T都可调, 占空比改变
V为通态期间, 设负载电流为 i1,可列出如下方程
设此阶段电流初值为 I10,?=L/R,解上式得
EERitiL ??? M11dd
（ 3-3）
???
?
???
? ???? ?? ?? tt e
R
EEeIi 1
101
M
（ 3-4）
9
V处于 断态期间,设负载电流为 i2，可列出如下方程
设此阶段电流初值为 I20，解上式得
当电流连续时，有 I10 = i2 (t2)
I20 = i1(t1)
V进入通态时的电流初值就是 V在断态阶段结束时的电流值，反过
来,V进入断态时的电流初值就是 V在通态阶段结束时的电流值。
0dd M22 ??? ERitiL
（ 3-5）
???
?
???
? ??? ?? ?? tt e
R
EeIi 1
202
M （ 3-6）
（ 3-7）
（ 3-8）
10
R
Em
e
e
R
E
R
E
e
eI
T
t
???
?
???
? ?
?
?????
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1
1
1
1 M
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10
1
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R
Em
e
e
R
E
R
E
e
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T
t
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?
?
1
1
1
1
/
/
20
1 M
由式（ 3-4）、（ 3-6）、（ 3-7）和（ 3-8）得出
?? /T? EEm /M? ???? ??? TTtt 11 /
（ 3-9）
（ 3-10）
式中 ； ；
将式（ 3-9）和式（ 3-10）用泰勒级数近似，可得
上式表示了平波电抗器 L为无穷大，负载电流完全平直时的负载
电流平均值 Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
? ?
o2010 IR
EmII ???? ?
（ 3-11）
11
从能量传递关系推导得，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 EI0ton。从负载看，在整个周期 T
中负载一直在消耗的能量为 (RI2T + EMIoT)。 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，即
o
TIETRItEI oo Mon ?? 20
R
EEI
o
M?? ?
（ 3-12）
（ 3-13）
假设 L值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值为 I1，则有
oo IIT
tI ??? on
1
（ 3-14）
12
I1值小于等于负载电流 I0，由上式得
即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
假如负载中 L值较小，可能出现负载电流断续，电流断续时有
I10 = 0,且 t = ton +, i2 = 0，利用式（ 3-7）和式（ 3-6）可求出 tX为
电流断续时, tx<toff,由此得电流断续的条件为
ooo IUEIEI ?? ?1
（ 3-15）
??
?
??
? ??? ?
m
emt ??? )1(1ln
x
（ 3-16）
1
1
?
??
?
??
e
em （ 3-17）
13
在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管 VD
立即关断，负载两端电压等于 EM。输出电压平均值为
Uo不仅和占空比 ?有关，也和反电动势 EM有关，此时负载电流平均
值为
EmT ttT EttTEtU ?
?
?
??
? ?
?
??
?
? ???????? xonMxonon
o 1
)( ?（ 3-18）
R
EU
R
Em
T
tttiti
TI
t t moxon
0 0 21o
on x dd1 ???
?
??
?
? ????
?
??
?
? ?? ? ? ?
（ 3-19）
14
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
15
3.1.2 升压斩波电路
1.升压斩波电路
E V R
L VD
C
i
oi
1
i
G
u
o
图 3-2 升降压斩波电路及其工作波形
a)电路图 b)波形
uGE
I1
io t
t
0
0
? 当 V处于通态时，电源 E向
电感 L充电，充电电流基本恒
定为 I1，同时电容 C上的电压
向负载 R供电，因 C值很大，
保持输出电压 uo为恒值，记
为 Uo。设 V处于通态的时间为
ton，此阶段电感 L上积蓄的能
量为 EI1ton。
? V处于断态时,E和 L共同向
电容 C充电，并向负载 R提供
能量。设 V处于断态的时间为
toff，则此期间电感 L释放能量
为 (Uo-E)I1toff。
a)
b)
16
电路工作稳态时，一个周期 T中电感 L积蓄能量与释放能量相等
化简得
式中,T/toff>1，输出电压高于电源电压，该电路为 升压斩波电路
T/toff表示升压比，改变输出电压 Uo的大小,升压比的倒数 b = toff /T,
则 b和导通占空比 ?的关系
式（ 3-21）可表示为
o f foon tIEUtEI 11 )( ??
（ 3-20）
Et TEt ttU
o f fo f f
o f fon
o ?
?? （ 3-21）
1?? b?
（ 3-22）
（ 3-23）EEU
?b ??? 1
11
o
17
升压斩波电路输出电压高于电源电压，关键原因
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
实际输出电压会略低式（ 3-23）结果。
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
根据电路结构并结合式（ 3-23）得出输出电流的平均值 Io为
由式（ 3-24）即可得出电源电流 I1为
oo1 IUEI ? （ 3-24）
（ 3-26）
（ 3-25）
R
E
R
UI
b
1o
o ??
R
EI
E
UI
2o
o
1
1
b??
18
直流电动机传动
用于 单相功率因数校正（ PFC）电路
其他交直流电源中
2,升压斩波电路的典型应用
E V R
L VD
C
i
oi
1
i
G
u
o
图 3-2 升降压
斩波电路图
用于直流电动机再生制动时把电能回馈给 直流电源，实际电路中电
感 L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩 波电路一样，也有电
动机电枢电流连续 和断续两种工作状态。
此时电机的反电动势相当于图 3-2电路中的电源，而此时的直流电源
相当于图 3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是定的，因
此不必并 联电容器。
19
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
EM
t
t
T
E
i
O
O
b)
t
O
T
O
E
t
c)
VDL
V
a)
E
M
u
o
i
1
i
2
I
10
I
20
I
10
t
on
t
off
u
o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t
off
I
20
u
o
20
V处于通态时，设电动机电枢电流为 i1，得下式
设 i1的初值为 I10，解上式得
当 V处于断态时，设电动机电枢电流为 i2，得下式
设 i2的初值为 I20，解上式得
M1
1
d
d ERi
t
iL ??
???
?
???
? ??? ?? ?? tMt e
R
EeIi 1
101
EERitiL ??? M22dd
???
?
???
?
????
????
??
ontt
M
tt
e
R
EEeIi 1
202
on
(3-27)
(3-28)
（ 3-29）
（ 3-30）
21
当电流连续时,t=ton时刻,i1 = I20； t =T 时刻,i2 = I10,由此可得
由上两式求得
)1(1020 ??
onon t
M
t
eREeII ?? ??? (3-31)
)1(2010 ??
o f fo f f t
M
t
eR EEeII ?? ????
(3-32)
R
E
e
em
R
E
e
e
R
EI
T
t
M
o f f
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?
???
?
?
???
?
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?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
b?
?
?
1
1
1
1
10 (3-33)
R
E
e
eem
R
E
e
ee
R
EI
T
Tt
M
on
???
?
???
?
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???
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
??
?
??
?
???
?
??
1120
(3-34)
22
将式（ 3-33）和式（ 3-34）用泰勒级数线性近似
该式表示了 L为无穷大时电枢电流的平均值 Io，即
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 bE。
? ? REmII b??? 2010 （ 3-35）
? ? R EEREmI o bb ???? M （ 3-36）
23
t
O
T
O
E
t
c)
u
o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t
o f f
I
20
图 3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形
c） 电流断续时
当电枢电流断续时,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
m
met
t
?
?? ?
1
1ln
on
x
?
?
（ 3-37）
当 tx<toff时，电路为电流断
续工作状态
?
b?
?
?
?
??
e
em
1
1
（ 3-38）
24
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
25
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
1,升降压斩波电路
VD
o
t
b)
E
RL
a)
C
V
o
t
i
1
i
2
u
L u
o
I
L
i
1
i
2
t
on
t
o f f
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
?可控开关 V处于 通态时，电
源经 V向电感 L供电使其贮存
能量，此时电流为 i1。同时，
电容 C维持输出电压恒定并向
负载 R供电。
? V关 断时，电感 L中 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
26
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
当 V处于通态期间时,uL=E；而当 V处于断态期间时,uL=-uo
输出电压为
改变导通比 ?，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压
低。当 0<?<1/2时为降压，当 1/2<?<1时为升压，因此将该电路称
作 升降压斩波电路（ buck-boost 变换器） 。
? ?T tu0 L 0d
（ 3-39）
o ffoon tUtE ???
（ 3-40）
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o
（ 3-41）
27
o ff
on
2
1
t
t
I
I ?
11
on
o ff
2
1 II
t
tI
?
???? （ 3-43）
2o1 IUEI ?
（ 3-44）
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
由上式可得
如果 V,VD为没有耗损的理想开关时，则
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
（ 3-42）
28
2,Cuk斩波电路
E RVD
a)
C
V
L1 L2
uo
R
b)
C
B A
S
E
i1 L1 L2 i2
uC
uAuB
uo
图 3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图 b） 等效电路
? V处于通态时, E—L1— V回路
和 R—L2— C— V回路分别流过电
流 。
? V处于 断态 时, E—L1— C—
VD回路和 R—L2— VD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 。
29
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
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 ton，
则电容电流和时间的乘积为 I2ton。开关 S合向 A点的时间为 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
从而可得
? ?T ti0 C 0d
o ff1on2 tItI ?
?
?????? 1
on
on
on
o ff
1
2
t
tT
t
t
I
I
（ 3-45）
（ 3-46）
（ 3-47）
30
当电容 C很大使电容电压 uc的脉动足够小时，输出电压 Uo与输入电
压 E的关系可用以下方法求得
当开关 S合到 B 点时,B点电压 uB=0,A点电压 uA=-uc
当 开关 S合到 A 点时,uB=uc,uA=0,B点电压 uB平均值为
又因电感 L1的电压平均值为零，所以
电感 L2的电压平均值为零,A点的电压平均值为
C
o ff
B UT
tU ?
C
o f f
B UT
tUE ??
C
on
A UT
tU ??
31
图 3-5b中输出电压 Uo
可得出输出电压 Uo与电源电压 E的关系
输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。
Cuk 斩波电路优点
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。
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o
（ 3-48）
C
on
o UT
tU ?
32
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
33
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 VD
a)
V
i
1
L
1
C
1
u
C1
i
2
L
2
C
2
u
o?当 V处于通态时,E— L
1—
V回路和 C1— V— L2回路同时
导电,L1和 L2贮能。
图 3-6 a)Sepic斩波电路
E
?V处于断态时,E— L1— C1—
VD— 负载 （ C2和 R）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。
Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出
EE
tT
tE
t
tU
?
?
?
?
?
??
1on
on
o f f
on
o
（ 3-49）
Sepic斩波电路工作原理
34
在 V处于通态期间，电源 E经开关
V向电感 L1贮能。待 V关断后,L1
经 VD与 C1构成振荡回路，其贮存
的能量转移至 C1，至振荡回路电
流过零,L1上的能量全部转移至
C1上之后,VD关断,C1经 L2向负
载供电。
EU ???? 1o （ 3-50）
Zeta斩波电路的输入输出关系为
RVDE
V
i
1
C 1
L
1
u o
C
2
L 2
b）
图 3-6 b)Zeta斩波电路
Zeta斩波电路 (双 Sepic斩波电路 ) 工作原理
35
? 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，与升降压斩波电路和 Cuk斩波电路相比，
Sepic电路和 Zeta电路输出电压为正极性的。
36
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
37
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
38
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
3.2 复合斩波电路和多相多重
斩波电路
39
3.2.1电流可逆斩波电路
图 3-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形
t
t
a)
O
O
b)
E L
V
1
VD
1 u o
i
o
V
2
VD
2
E
M
u
o
i
o
i
V1
i
D1
i
V2
i
D2
M
R
?V1和 VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机
为电动运行，工作于第 1象限
V2和 2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能
反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第 2象限
?若 V1和 V2同时导通将导致的电源短路
40
t
tO
O
b)
uo
io iV1 iD1
iV2iD2
?当电路只作降压斩波器运行时,V2和 VD2总处于断态
?当电路 只作升压斩波器运行时，则 V1和 VD1总处于断态
?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
当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，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。
在一个周期内, 电枢电流
沿正, 负两个方向流通,
电流不断, 所以响应很快 。
图 3-7 b）电流可逆斩波电路波形
41
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
42
3.2.2 桥式可逆斩波电路
E L R
+ -
V
1
VD
1
u
o
V
3
E
M
V
2
VD
2
i
o
V
4
VD
3
VD
4
M
图 3-8 桥式可逆斩波电路
电动机进行正、反转以
及可电动又可制动时，
须将两个电流可逆斩波
电路组合起来，分别向
电动机提供正向和反向
电压，即成为 桥式可逆
斩波电路
43
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
44
3.2.3 多相多重斩波电路
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
斩波电路相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数
斩波电路重数 负载电流脉波数
图 3-9 a)3相 3重斩波电路图
C
L
E
M
V
1
V
2
V
3
i
1
i
2
i
3
VD
3
VD
2
L
1
L
2
L
3
i
o
u
o
u
1
u
2
u
3
VD
1
45
图 3-9 b) 3相 3重斩波波形
tO
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
u
1
u
2
u
3
u
o
i
1
i
2
i
3
i
o
?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。
?由于 3个单元电流的脉动幅值互相
抵消，使总的输出电流脉动幅值变得
很小
?多相多重斩波电路总输出电流最
大脉动率与相数的平方成反比，且
输出电流脉动频率提高。
?多相多重斩波电路和单相时相比，
在输出电流最大脉动率一定时，所
需平波电抗器总重量大为减轻
46
3相 1重斩波电路 电路电源公用而负载为 3个独立负载时
1相 3重斩波电路 电源为 3个独立电源，向一个负载供电时
?电流电源为各可控开关的电流之和，其脉动频率为单个斩波电路时
的 3倍，谐波分量比单个斩波电路是显著减小，且电源电流的最大脉
动率也是与相数的平方成反比。使得由电源电流引起的感应干扰大大
减小，若需滤波，接上简单的 LC滤波器即可充分防止感应干扰。
?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
47
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
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
2
第 3章 直流斩波电路
直流斩波电路（直流 --直流变换器） 将直流电变
为另一固定电压或可调电压的直流电（不包括直流 — 交流 — 直流）
直流斩波电路的种类
?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，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
?多相多重斩波电路 —— 相同结构基本斩波电路组合
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
4
3.1.1 降压斩波电路
E
V
+
-
M
RL
VD
i
o
E
M
u
o
i
G
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
a)电路图
?V为该电路全控型器件，若采
用晶闸管，需设臵使其关断的辅
助电路。
?为在 V关断时给负载中的电感
电流提供通道，设臵了续流二极
管 VD。
?斩波电路用途之一是拖动直流
电机，也可带蓄电池负载,负载
均会 出现的反电动势。
5
?当 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
?当 t = t1时刻控制 V关断, 负载
电流经二极管 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, 通常串接 L值较
大的电感 。
?当电路工作于稳定时, 负载电
流在一个周期的初值和终值相
等 。
t
t
tO
O
O
b)
T
E
uGE
t on
t off
i o i
1 i
2
I 10 I 20
t 1
u o
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
b)电流连续时的波形
6
EETtEtt tU o ????? on
o f fon
on
R
EUI o
o M
??
（ 3-1）
（ 3-2）
负载电压平均值为
式中,ton为 V处于通态的时间； toff为 V处于断态的时间； T为开关周
期； ?为 导通占空比（简称占空比或导通比）。
降压斩波电路（ Buck变换器） 输出到负载的电压平
均值 U0最大为 E，若减小占空比 a，则 U0随之减小。
负载电流平均值为
7
O
O
O t
t
t
T
E E
c)
uGE
t
on
t off
i
o
t
x
i
1 i
2
I 20t 1 t 2u
o
E
M
图 3-1降压斩波电路的原理图及波形
c)电流断续时的波形
负载中 L值较小，则在 V关
断后，到了 t2时刻，负载
电流已衰减为零，会出现
负载电流断续，由波形可
见，负载电压 uo平均值会
抬高，一般不希望出现电
流断续的情况。
8
斩波电路三种控制方式
1） 脉冲宽度调制 （ PWM 脉冲调宽型 ) 保持开关周期 T不
变, 调节开关导通时间 ton
2) 频率调制 （ 调平型 ） 保持开关导通时间 ton不变, 改变开
关周期 T
3) 混合型 ton和 T都可调, 占空比改变
V为通态期间, 设负载电流为 i1,可列出如下方程
设此阶段电流初值为 I10,?=L/R,解上式得
EERitiL ??? M11dd
（ 3-3）
???
?
???
? ???? ?? ?? tt e
R
EEeIi 1
101
M
（ 3-4）
9
V处于 断态期间,设负载电流为 i2，可列出如下方程
设此阶段电流初值为 I20，解上式得
当电流连续时，有 I10 = i2 (t2)
I20 = i1(t1)
V进入通态时的电流初值就是 V在断态阶段结束时的电流值，反过
来,V进入断态时的电流初值就是 V在通态阶段结束时的电流值。
0dd M22 ??? ERitiL
（ 3-5）
???
?
???
? ??? ?? ?? tt e
R
EeIi 1
202
M （ 3-6）
（ 3-7）
（ 3-8）
10
R
Em
e
e
R
E
R
E
e
eI
T
t
???
?
???
? ?
?
?????
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1
1
1
1 M
/
/
10
1
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?
R
Em
e
e
R
E
R
E
e
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T
t
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???
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?
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??
?
?
1
1
1
1
/
/
20
1 M
由式（ 3-4）、（ 3-6）、（ 3-7）和（ 3-8）得出
?? /T? EEm /M? ???? ??? TTtt 11 /
（ 3-9）
（ 3-10）
式中 ； ；
将式（ 3-9）和式（ 3-10）用泰勒级数近似，可得
上式表示了平波电抗器 L为无穷大，负载电流完全平直时的负载
电流平均值 Io，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
? ?
o2010 IR
EmII ???? ?
（ 3-11）
11
从能量传递关系推导得，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 EI0ton。从负载看，在整个周期 T
中负载一直在消耗的能量为 (RI2T + EMIoT)。 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，即
o
TIETRItEI oo Mon ?? 20
R
EEI
o
M?? ?
（ 3-12）
（ 3-13）
假设 L值无穷大，且负载电流平直，假设电源电流平均值为 I1，则有
oo IIT
tI ??? on
1
（ 3-14）
12
I1值小于等于负载电流 I0，由上式得
即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
假如负载中 L值较小，可能出现负载电流断续，电流断续时有
I10 = 0,且 t = ton +, i2 = 0，利用式（ 3-7）和式（ 3-6）可求出 tX为
电流断续时, tx<toff,由此得电流断续的条件为
ooo IUEIEI ?? ?1
（ 3-15）
??
?
??
? ??? ?
m
emt ??? )1(1ln
x
（ 3-16）
1
1
?
??
?
??
e
em （ 3-17）
13
在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管 VD
立即关断，负载两端电压等于 EM。输出电压平均值为
Uo不仅和占空比 ?有关，也和反电动势 EM有关，此时负载电流平均
值为
EmT ttT EttTEtU ?
?
?
??
? ?
?
??
?
? ???????? xonMxonon
o 1
)( ?（ 3-18）
R
EU
R
Em
T
tttiti
TI
t t moxon
0 0 21o
on x dd1 ???
?
??
?
? ????
?
??
?
? ?? ? ? ?
（ 3-19）
14
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
15
3.1.2 升压斩波电路
1.升压斩波电路
E V R
L VD
C
i
oi
1
i
G
u
o
图 3-2 升降压斩波电路及其工作波形
a)电路图 b)波形
uGE
I1
io t
t
0
0
? 当 V处于通态时，电源 E向
电感 L充电，充电电流基本恒
定为 I1，同时电容 C上的电压
向负载 R供电，因 C值很大，
保持输出电压 uo为恒值，记
为 Uo。设 V处于通态的时间为
ton，此阶段电感 L上积蓄的能
量为 EI1ton。
? V处于断态时,E和 L共同向
电容 C充电，并向负载 R提供
能量。设 V处于断态的时间为
toff，则此期间电感 L释放能量
为 (Uo-E)I1toff。
a)
b)
16
电路工作稳态时，一个周期 T中电感 L积蓄能量与释放能量相等
化简得
式中,T/toff>1，输出电压高于电源电压，该电路为 升压斩波电路
T/toff表示升压比，改变输出电压 Uo的大小,升压比的倒数 b = toff /T,
则 b和导通占空比 ?的关系
式（ 3-21）可表示为
o f foon tIEUtEI 11 )( ??
（ 3-20）
Et TEt ttU
o f fo f f
o f fon
o ?
?? （ 3-21）
1?? b?
（ 3-22）
（ 3-23）EEU
?b ??? 1
11
o
17
升压斩波电路输出电压高于电源电压，关键原因
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
实际输出电压会略低式（ 3-23）结果。
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
根据电路结构并结合式（ 3-23）得出输出电流的平均值 Io为
由式（ 3-24）即可得出电源电流 I1为
oo1 IUEI ? （ 3-24）
（ 3-26）
（ 3-25）
R
E
R
UI
b
1o
o ??
R
EI
E
UI
2o
o
1
1
b??
18
直流电动机传动
用于 单相功率因数校正（ PFC）电路
其他交直流电源中
2,升压斩波电路的典型应用
E V R
L VD
C
i
oi
1
i
G
u
o
图 3-2 升降压
斩波电路图
用于直流电动机再生制动时把电能回馈给 直流电源，实际电路中电
感 L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩 波电路一样，也有电
动机电枢电流连续 和断续两种工作状态。
此时电机的反电动势相当于图 3-2电路中的电源，而此时的直流电源
相当于图 3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是定的，因
此不必并 联电容器。
19
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
EM
t
t
T
E
i
O
O
b)
t
O
T
O
E
t
c)
VDL
V
a)
E
M
u
o
i
1
i
2
I
10
I
20
I
10
t
on
t
off
u
o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t
off
I
20
u
o
20
V处于通态时，设电动机电枢电流为 i1，得下式
设 i1的初值为 I10，解上式得
当 V处于断态时，设电动机电枢电流为 i2，得下式
设 i2的初值为 I20，解上式得
M1
1
d
d ERi
t
iL ??
???
?
???
? ??? ?? ?? tMt e
R
EeIi 1
101
EERitiL ??? M22dd
???
?
???
?
????
????
??
ontt
M
tt
e
R
EEeIi 1
202
on
(3-27)
(3-28)
（ 3-29）
（ 3-30）
21
当电流连续时,t=ton时刻,i1 = I20； t =T 时刻,i2 = I10,由此可得
由上两式求得
)1(1020 ??
onon t
M
t
eREeII ?? ??? (3-31)
)1(2010 ??
o f fo f f t
M
t
eR EEeII ?? ????
(3-32)
R
E
e
em
R
E
e
e
R
EI
T
t
M
o f f
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?
???
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???
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?
?
?
?
?
?
???
?
?
?
?
?
b?
?
?
1
1
1
1
10 (3-33)
R
E
e
eem
R
E
e
ee
R
EI
T
Tt
M
on
???
?
???
?
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???
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
??
?
??
?
???
?
??
1120
(3-34)
22
将式（ 3-33）和式（ 3-34）用泰勒级数线性近似
该式表示了 L为无穷大时电枢电流的平均值 Io，即
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 bE。
? ? REmII b??? 2010 （ 3-35）
? ? R EEREmI o bb ???? M （ 3-36）
23
t
O
T
O
E
t
c)
u
o
i
o
i
1
i
2
t
1
t
2
t
x
t
on
t
o f f
I
20
图 3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波波形
c） 电流断续时
当电枢电流断续时,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
m
met
t
?
?? ?
1
1ln
on
x
?
?
（ 3-37）
当 tx<toff时，电路为电流断
续工作状态
?
b?
?
?
?
??
e
em
1
1
（ 3-38）
24
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
25
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk斩波电路
1,升降压斩波电路
VD
o
t
b)
E
RL
a)
C
V
o
t
i
1
i
2
u
L u
o
I
L
i
1
i
2
t
on
t
o f f
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
?可控开关 V处于 通态时，电
源经 V向电感 L供电使其贮存
能量，此时电流为 i1。同时，
电容 C维持输出电压恒定并向
负载 R供电。
? V关 断时，电感 L中 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
26
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
当 V处于通态期间时,uL=E；而当 V处于断态期间时,uL=-uo
输出电压为
改变导通比 ?，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压
低。当 0<?<1/2时为降压，当 1/2<?<1时为升压，因此将该电路称
作 升降压斩波电路（ buck-boost 变换器） 。
? ?T tu0 L 0d
（ 3-39）
o ffoon tUtE ???
（ 3-40）
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o
（ 3-41）
27
o ff
on
2
1
t
t
I
I ?
11
on
o ff
2
1 II
t
tI
?
???? （ 3-43）
2o1 IUEI ?
（ 3-44）
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
由上式可得
如果 V,VD为没有耗损的理想开关时，则
其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。
（ 3-42）
28
2,Cuk斩波电路
E RVD
a)
C
V
L1 L2
uo
R
b)
C
B A
S
E
i1 L1 L2 i2
uC
uAuB
uo
图 3-5 Cuk斩波电路及其等效电路
a） 电路图 b） 等效电路
? V处于通态时, E—L1— V回路
和 R—L2— C— V回路分别流过电
流 。
? V处于 断态 时, E—L1— C—
VD回路和 R—L2— VD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 。
29
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
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 ton，
则电容电流和时间的乘积为 I2ton。开关 S合向 A点的时间为 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
从而可得
? ?T ti0 C 0d
o ff1on2 tItI ?
?
?????? 1
on
on
on
o ff
1
2
t
tT
t
t
I
I
（ 3-45）
（ 3-46）
（ 3-47）
30
当电容 C很大使电容电压 uc的脉动足够小时，输出电压 Uo与输入电
压 E的关系可用以下方法求得
当开关 S合到 B 点时,B点电压 uB=0,A点电压 uA=-uc
当 开关 S合到 A 点时,uB=uc,uA=0,B点电压 uB平均值为
又因电感 L1的电压平均值为零，所以
电感 L2的电压平均值为零,A点的电压平均值为
C
o ff
B UT
tU ?
C
o f f
B UT
tUE ??
C
on
A UT
tU ??
31
图 3-5b中输出电压 Uo
可得出输出电压 Uo与电源电压 E的关系
输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。
Cuk 斩波电路优点
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。
EEtT tEttU ??????? 1
on
on
o f f
on
o
（ 3-48）
C
on
o UT
tU ?
32
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
33
3.1.4 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 VD
a)
V
i
1
L
1
C
1
u
C1
i
2
L
2
C
2
u
o?当 V处于通态时,E— L
1—
V回路和 C1— V— L2回路同时
导电,L1和 L2贮能。
图 3-6 a)Sepic斩波电路
E
?V处于断态时,E— L1— C1—
VD— 负载 （ C2和 R）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。
Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出
EE
tT
tE
t
tU
?
?
?
?
?
??
1on
on
o f f
on
o
（ 3-49）
Sepic斩波电路工作原理
34
在 V处于通态期间，电源 E经开关
V向电感 L1贮能。待 V关断后,L1
经 VD与 C1构成振荡回路，其贮存
的能量转移至 C1，至振荡回路电
流过零,L1上的能量全部转移至
C1上之后,VD关断,C1经 L2向负
载供电。
EU ???? 1o （ 3-50）
Zeta斩波电路的输入输出关系为
RVDE
V
i
1
C 1
L
1
u o
C
2
L 2
b）
图 3-6 b)Zeta斩波电路
Zeta斩波电路 (双 Sepic斩波电路 ) 工作原理
35
? 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，与升降压斩波电路和 Cuk斩波电路相比，
Sepic电路和 Zeta电路输出电压为正极性的。
36
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
37
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
38
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
3.2 复合斩波电路和多相多重
斩波电路
39
3.2.1电流可逆斩波电路
图 3-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 波形
t
t
a)
O
O
b)
E L
V
1
VD
1 u o
i
o
V
2
VD
2
E
M
u
o
i
o
i
V1
i
D1
i
V2
i
D2
M
R
?V1和 VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机
为电动运行，工作于第 1象限
V2和 2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能
反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第 2象限
?若 V1和 V2同时导通将导致的电源短路
40
t
tO
O
b)
uo
io iV1 iD1
iV2iD2
?当电路只作降压斩波器运行时,V2和 VD2总处于断态
?当电路 只作升压斩波器运行时，则 V1和 VD1总处于断态
?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
当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，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。
在一个周期内, 电枢电流
沿正, 负两个方向流通,
电流不断, 所以响应很快 。
图 3-7 b）电流可逆斩波电路波形
41
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
42
3.2.2 桥式可逆斩波电路
E L R
+ -
V
1
VD
1
u
o
V
3
E
M
V
2
VD
2
i
o
V
4
VD
3
VD
4
M
图 3-8 桥式可逆斩波电路
电动机进行正、反转以
及可电动又可制动时，
须将两个电流可逆斩波
电路组合起来，分别向
电动机提供正向和反向
电压，即成为 桥式可逆
斩波电路
43
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
44
3.2.3 多相多重斩波电路
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
斩波电路相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数
斩波电路重数 负载电流脉波数
图 3-9 a)3相 3重斩波电路图
C
L
E
M
V
1
V
2
V
3
i
1
i
2
i
3
VD
3
VD
2
L
1
L
2
L
3
i
o
u
o
u
1
u
2
u
3
VD
1
45
图 3-9 b) 3相 3重斩波波形
tO
t
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
O
u
1
u
2
u
3
u
o
i
1
i
2
i
3
i
o
?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。
?由于 3个单元电流的脉动幅值互相
抵消，使总的输出电流脉动幅值变得
很小
?多相多重斩波电路总输出电流最
大脉动率与相数的平方成反比，且
输出电流脉动频率提高。
?多相多重斩波电路和单相时相比，
在输出电流最大脉动率一定时，所
需平波电抗器总重量大为减轻
46
3相 1重斩波电路 电路电源公用而负载为 3个独立负载时
1相 3重斩波电路 电源为 3个独立电源，向一个负载供电时
?电流电源为各可控开关的电流之和，其脉动频率为单个斩波电路时
的 3倍，谐波分量比单个斩波电路是显著减小，且电源电流的最大脉
动率也是与相数的平方成反比。使得由电源电流引起的感应干扰大大
减小，若需滤波，接上简单的 LC滤波器即可充分防止感应干扰。
?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
47
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
