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
RL
VD
io
EMuo
iG
t
t
tO
O
O b)电流连续时的波形
T
E
iG
ton toff
io i
1 i2
I10 I20
t1
uo
O
O
O t
t
t
T
E E
iG
iG
ton toff
io txi
1 i2
I20t1 t2u
o
EM
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输出电压平均值：
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?--导通占空比 （?<1)
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 — 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 出发进行的推导假定 L为无穷大,负载电流 Io维持不变 （ 详见 P101－ 102）
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 M
o
oo
on
1 IIT
tI
ooo1 IUEIEI
I1为电源电流平均值
3-9
3.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况 （ L值较小时）
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
UG
E
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
EtTEt ttU
o f fo f f
o f fon
o?
（ 3-21）
（ 3-20）
o ffoon 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,。 （ 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 I1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)
i1 i2
I10 I20 I10
ton toff t
O
T
O
E
t
c)
uo
io
i1 i2
t1 t2txton
toff
I20
uo
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 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
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)
式中 R为电机电枢电阻与线路电阻之和。
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
1）升降压斩波电路
(buck -boost Chopper)
电路结构
V,L和 VD三者之间的位臵关系
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
i1
i2
ton toff
IL
IL
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：
EEtT tEttU 1
on
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<? <1/2时为降压，当 1/2<? <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
i1
i2
ton toff
IL
IL
式（ 3－ 41）
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斩波电路稳态时，一个周期内电容电流 ic的平均值为零：
数量关系
T ti0 C 0d （ 3-45）V处于通态的时间 t
on，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
Sepic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）
电源电压与输出电压极性相同
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）
两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。
Sepic电路的电源电流和负载电流均 连续,有利于输入输出滤波。
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，电流连续。
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保持通态时,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 态 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
tO
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
1
u 2
u 3
i1
i2
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
C
M
V
1
V
2
V
3
i
1
i
2
i
3
V D
3
V D
2
L
1
L
2
L
3
i
o
u
o
u
1
u
2
u
3
V D
1
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
RL
VD
io
EMuo
iG
t
t
tO
O
O b)电流连续时的波形
T
E
iG
ton toff
io i
1 i2
I10 I20
t1
uo
O
O
O t
t
t
T
E E
iG
iG
ton toff
io txi
1 i2
I20t1 t2u
o
EM
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输出电压平均值：
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?--导通占空比 （?<1)
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 — 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 出发进行的推导假定 L为无穷大,负载电流 Io维持不变 （ 详见 P101－ 102）
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 M
o
oo
on
1 IIT
tI
ooo1 IUEIEI
I1为电源电流平均值
3-9
3.1.1 降压斩波电路负载电流断续的情况 （ L值较小时）
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
UG
E
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
EtTEt ttU
o f fo f f
o f fon
o?
（ 3-21）
（ 3-20）
o ffoon 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,。 （ 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 I1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)
i1 i2
I10 I20 I10
ton toff t
O
T
O
E
t
c)
uo
io
i1 i2
t1 t2txton
toff
I20
uo
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 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
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)
式中 R为电机电枢电阻与线路电阻之和。
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
1）升降压斩波电路
(buck -boost Chopper)
电路结构
V,L和 VD三者之间的位臵关系
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
i1
i2
ton toff
IL
IL
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：
EEtT tEttU 1
on
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<? <1/2时为降压，当 1/2<? <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
i1
i2
ton toff
IL
IL
式（ 3－ 41）
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斩波电路稳态时，一个周期内电容电流 ic的平均值为零：
数量关系
T ti0 C 0d （ 3-45）V处于通态的时间 t
on，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
Sepic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）
电源电压与输出电压极性相同
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）
两种电路有相同的输入输出关系，且输出电压均为正极性。
Sepic电路的电源电流和负载电流均 连续,有利于输入输出滤波。
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，电流连续。
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保持通态时,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 态 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
tO
t
t
t
t
t
t
O
O
O
O
O
O
1
u 2
u 3
i1
i2
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
C
M
V
1
V
2
V
3
i
1
i
2
i
3
V D
3
V D
2
L
1
L
2
L
3
i
o
u
o
u
1
u
2
u
3
V D
1
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 。
