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
1
1
1
1 M
/
/
10
1
R
Em
e
e
R
E
R
E
e
eI
T
t
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 IUEIEI1
（ 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
b?
1
1
1
1
10 (3-33)
R
E
e
eem
R
E
e
ee
R
EI
T
Tt
M
on
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
1
1
1
1 M
/
/
10
1
R
Em
e
e
R
E
R
E
e
eI
T
t
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 IUEIEI1
（ 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
b?
1
1
1
1
10 (3-33)
R
E
e
eem
R
E
e
ee
R
EI
T
Tt
M
on
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
