第5章直流斬波電路與實踐

1、知識目標技能目標 了解降壓式直流斬波電路的基本結構和工作原理，掌握斬波主電路在負載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征； 熟悉升壓式直流斬波電路的基本結構和工作原理，掌握升壓式斬波電路的實驗驗證原理，掌握數(shù)據(jù)測量方法 熟悉升降壓式直流斬波電路的基本結構和工作原理，掌握升降壓斬波主電路在負載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征； 進一步熟悉電力電子器件的基本應用要求與使用方法。 研究觸發(fā)電路的形成及觸發(fā)脈沖輸出特點，掌握該電路的調(diào)試和數(shù)據(jù)測量的方法； 研究斬波主電路在負載電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況下的電路特征，掌握升壓式直流斬波電路的實驗調(diào)測方法； 能利用PROTEL軟件根據(jù)給定要求進行升降壓斬波電路原

2、理圖繪制，并完成升降壓式直流斬波電路的調(diào)試與相關數(shù)據(jù)記錄； 能獨立設計、制作并調(diào)試常見DC-DC開關電源。1 1、什么叫直流斬波電路、什么叫直流斬波電路 將一個固定的直流電壓變換成大小可變的直流電壓的電路。2 2、直流斬波技術的應用、直流斬波技術的應用 不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛，直流開關穩(wěn)壓電源；焊接電源；直流電機調(diào)速控制等3 3、直流斬波電路的基本組成、直流斬波電路的基本組成一、直流斬波電路的基本概念一、直流斬波電路的基本概念不可控整流單、三相交流蓄電池濾波電路直流斬波器負載控制信號1）非隔離型（即直流斬波電路）非隔離型（即直流斬波電路）降壓型電路升壓型

3、電路升降壓電路庫克式斬波電路等2）隔離型電路）隔離型電路 正勵電路 反勵電路 半橋電路 全橋電路 推挽式電路等4、常見類型、常見類型5 5、斬波器的基本原理、斬波器的基本原理 占空比D或kTtDkon 或式中：式中：T或或TS為開關為開關S的工作周期，的工作周期， ton為導通時間為導通時間 輸出平均電壓ddontooDUUTtdtuTUon 016、直流斬波電路的常用控制方式、直流斬波電路的常用控制方式（1）時間比控制方式）時間比控制方式定頻調(diào)寬控制方式定頻調(diào)寬控制方式或稱或稱脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制方式控制方式-開關頻率開關頻率fS不變不變(即開關周期即開關周期T 不變），導通時間不

4、變），導通時間tON改變改變 。定寬調(diào)頻控制方式定寬調(diào)頻控制方式或稱或稱脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)控制方式控制方式-開關頻率開關頻率fS改變改變(即開關周期即開關周期T改變），導通時間改變），導通時間tON不變不變 。調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式-開關頻率開關頻率fS改變改變(即開關周期即開關周期T改變），導通時間改變），導通時間tON改變改變 。6、直流斬波電路的常用控制方式、直流斬波電路的常用控制方式（2）瞬時值控制方式）瞬時值控制方式 用負載電流的平均值與給定電流值相比較，利用用負載電流的平均值與給定電流值相比較，利用其偏差值去控制開關器件的導通和關斷的控制

5、方式。其偏差值去控制開關器件的導通和關斷的控制方式。（3）平均值控制方式）平均值控制方式 瞬時值結合控制方式是分別預先給定電流（或電壓）瞬時值結合控制方式是分別預先給定電流（或電壓）的上限值和下限值，并將其與輸出電壓（或電流）反饋的上限值和下限值，并將其與輸出電壓（或電流）反饋的瞬時值相比較，如果電流（或電壓）達到上限值就關的瞬時值相比較，如果電流（或電壓）達到上限值就關斷斬波電路的開關元件。斷斬波電路的開關元件。 為輸入端的濾波電容，為輸入端的濾波電容，VDVD為續(xù)流管，當斬波開關為續(xù)流管，當斬波開關V V關斷時，關斷時，續(xù)流管為感性負載提供電流通路；電感續(xù)流管為感性負載提供電流通路；電感L

6、 L和電容和電容C C組成低通濾波組成低通濾波器，以減小輸出電壓的波動。器，以減小輸出電壓的波動。dC二、二、降壓式直流斬波電路（BUCK電路） 的作用：的作用：由于輸入電流由于輸入電流 i i總是瞬間從峰值跳變到零，將產(chǎn)生輸入電流總是瞬間從峰值跳變到零，將產(chǎn)生輸入電流的高頻諧波分量，為了抑制諧波的影響，需增加濾波器的高頻諧波分量，為了抑制諧波的影響，需增加濾波器 。dCdC1 1、電流連續(xù)的工作原理、電流連續(xù)的工作原理充電時即V開通放電時即V關斷1）導通期間（ton ）：電力開關器件導通，電感蓄能，二極管D反偏阻斷。 dtdiLUUuLodLonooLodtiiLdtdiLUUminmax電

7、感中的電流為線性上升，電感中的電流為線性上升，即有1 1、電流連續(xù)的工作原理、電流連續(xù)的工作原理充電時即V開通放電時即V關斷2）關斷期間（toff）：電力開關器件斷開，電感釋能，二極管D導通續(xù)流。 電感經(jīng)過二極管放能，電感經(jīng)過二極管放能，電感的電流呈線性下降電感的電流呈線性下降dtdiLUuLOLoffoooffooLOtiiLtiiLdtdiLUminmaxmaxmin即有穩(wěn)態(tài)條件下，電感穩(wěn)態(tài)條件下，電感L L上的電壓在一個周期內(nèi)的積分為零，上的電壓在一個周期內(nèi)的積分為零， 故可表示為：故可表示為：)()(onoonodtTUtUUddonODUUTtU 2 2、基本電量關系、基本電量關系（

8、1）輸出平均電壓（負載電壓）輸出平均電壓（負載電壓) UO（2）輸出平均電流（負載電流）輸出平均電流（負載電流) IORUIO0 TtDon 式中：式中：oododDIIUUI ( (忽略器件功率損耗忽略器件功率損耗) )2 2、基本電量關系、基本電量關系（4）輸入平均電流（電源電流）輸入平均電流（電源電流) Id（3）輸入功率）輸入功率Pi及輸出功率及輸出功率P0ooIUP 0ddiIUP 0PPi （5）維持電流臨界連續(xù)的電感值維持電流臨界連續(xù)的電感值L L0 0 )1(2DDITULLBdo ILB-臨界連續(xù)時的電感電流平均值（6）紋波電壓相對值紋波電壓相對值LCDTUU)1 (8120

9、0 2 2、基本電量關系、基本電量關系升壓直流斬波電路結構升壓直流斬波電路結構升壓式斬波電路由功率開關管升壓式斬波電路由功率開關管V V、儲能元、儲能元件件L L、升壓二極管、升壓二極管VDVD和濾波電容和濾波電容C C組成。組成。5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路一、電流連續(xù)導通的工作原理一、電流連續(xù)導通的工作原理5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路1）導通期間（ton ）：當斬波開關管當斬波開關管V接通時，二極管接通時，二極管VD反向偏置，將輸入電源與輸出反向偏置，將輸入電源與輸出極極 隔離，這時電源向電感中儲能，負載由濾波電容隔離，這時電源向電感中儲能，

10、負載由濾波電容C供電。供電。 電感中的電流為線性上升，電感中的電流為線性上升，有dtdiLUuLdL 一、電流連續(xù)導通的工作原理一、電流連續(xù)導通的工作原理5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路2）關斷期間（toff）：當開關當開關V關斷時，電感釋放能量，與輸入電壓一起作用，使得二極關斷時，電感釋放能量，與輸入電壓一起作用，使得二極管導通并向負載供電。管導通并向負載供電。電感的電流呈線性下降電感的電流呈線性下降dtdiLuUULLod 5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路oododIDIUUI 11ddONOUDUtTTU 11( (忽略器件功率損耗，利用功率守恒忽

11、略器件功率損耗，利用功率守恒) )二、基本電量關系二、基本電量關系（1）輸出平均電壓（負載電壓）輸出平均電壓（負載電壓) UO（2）輸出平均電流（負載電流）輸出平均電流（負載電流) IORUIO0 （3）輸入平均電流（電源電流）輸入平均電流（電源電流) IdTtDon 式中：式中：5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電路（4）維持電流臨界連續(xù)的電感值維持電流臨界連續(xù)的電感值L L0 0 )1(2DDITULLBdo ILB-臨界連續(xù)時的電感電流平均值（5）紋波電壓相對值紋波電壓相對值RCDTUU 00二、基本電量關系二、基本電量關系5.2 5.2 升壓式斬波變換電路升壓式斬波變換電

12、路1、開關電源開關電源2、UPSUPS電源電源 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路一、電路的結構一、電路的結構n該電路的結構是儲能電感該電路的結構是儲能電感L與負載與負載R并聯(lián)，續(xù)流二極管并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串接在儲反向串接在儲能電感與負載之間。能電感與負載之間。 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路二、工作原理二、工作原理 n1）當開關）當開關VT導通時，電源導通時，電源E經(jīng)經(jīng)VT給給電感電感L充電儲能，電感電壓上正下負，充電儲能，電感電壓上正下負，此時此時VD被負載電壓（下正上負）和電被負載電壓（下正上負）和電感電壓反偏，流過感電壓反偏，流過VT的電流為的電流為i1（

13、=iL），方向如上圖），方向如上圖a所示。由于此時所示。由于此時VD反偏截止，電容反偏截止，電容C向負載向負載R供能并維持供能并維持輸出電壓基本恒定，負載輸出電壓基本恒定，負載R及電容及電容C上上的電壓極性為上負下正，與電源極性的電壓極性為上負下正，與電源極性相反；相反；n2）當開關）當開關VT關斷時，電感關斷時，電感L電壓極性變反（上負下正），電壓極性變反（上負下正），VD正偏導通，電正偏導通，電感感L中的儲能通過中的儲能通過VD向負載向負載R和電容和電容C釋放，放電電流為釋放，放電電流為i2，電容，電容C被充電儲被充電儲能，負載能，負載R也得到電感也得到電感L提供的能量。提供的能量。 5.3 升降壓直流斬波電路升降壓直流斬波電路n電路處于穩(wěn)態(tài)時，每個周期內(nèi)電感電壓電路處于穩(wěn)態(tài)時，每個周期內(nèi)電感電壓uL對時間的積分值為零，即對時間的積分值為零，即n在開關在開關VT導通期間，有導通期間，有uL=E；而在；而在VT截止期間，截止期間，uL= -u0。于是有。于是有Eton=U0 toff n輸出電壓表達式可寫成輸出電壓表達式可寫成n改變改變k輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。n當當 時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；n當當 時，斬波