直流斩波电路的性能研究

实验三  直流斩波电路的性能研究

一、实验目的

(1)熟悉直流斩波电路的工作原理。

(2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点，重点掌握降压斩波电路(Buck Chopper)和升压斩波电路(Boost Chopper)。

(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

 1、主电路

 ①、降压斩波电路(Buck Chopper)

降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-12所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：


式中t on为V处于通态的时间，t off为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=t on/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值U O最大为U i，若减小占空比α，则U O随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

 

(a)电路图                                      (b)波形图

图4-12 降压斩波电路的原理图及波形

②、升压斩波电路(Boost Chopper)

升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图4-13所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-13b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui) I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：

UiI1ton=(UO-Ui) I1toff

 

上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

 

(a)电路图                                   (b)波形图

图4-13 升压斩波电路的原理图及波形

③、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)

④、Cuk斩波电路

⑤、Sepic斩波电路

⑥、Zeta斩波电路

2、控制与驱动电路

控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，它采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。

四、实验内容

（1）控制与驱动电路的测试

（2）两种直流斩波器的测试

五、思考题

(1)直流斩波电路的工作原理是什么？有哪些结构形式和主要元器件？

(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测？

六、实验方法

1、控制与驱动电路的测试

(1)启动实验装置电源，开启控制电路电源开关。

(2)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形，观测输出PWM信号的变化情况，

 2、直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)

斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。接通交流电源，观测Ui波形，记录其平均值(注：本装置限定直流输出最大值为50V，输入交流电压的大小由调压器调节输出)。

按下列实验步骤依次对两种典型的直流斩波电路进行测试。

(1)切断电源，根据设备上的主电路图，利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路，并接上电阻负载，负载电流最大值限制在200mA以内。（图中的R负载用三相可调电阻，将两个900Ω接成串联形式。）将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。

(2)检查接线正确，尤其是电解电容的极性是否接反后，接通主电路和控制电路的电源。

(3)用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形，注意各波形间的相位关系。

(4)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur，观测在不同占空比(α)时，记录Ui、UO和α的数值于下表中，从而画出UO=f(α)的关系曲线。

七、实验报告

(1)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线，并作比较与分析。

(2)讨论、分析实验中出现的各种现象。

八、注意事项

(1)在主电路通电后，不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形，否则会造成短路。

(2)用示波器两探头同时观测两处波形时，要注意共地问题，否则会造成短路，在观测高压时应衰减10倍，在做直流斩波器测试实验时，最好使用一个探头。

 

第二篇：第3章 直流斩波电路

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

3-1

第3章直流斩波电路·引言直流斩波电路（DCChopper）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/DCConverter）。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。

3-2

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

3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

3-3

第3章直流斩波电路

3.1.1降压斩波电路（电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

3-4

3.1.1工作原理降压斩波电路EM

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。。i图3-1降压斩波电路得原理图及波形c)电流断续时的波形3-5

3.1.1降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：U?ton

tE?tonoE??E（3-1）

on?toffTton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比负载电流平均值：I?Uo?EMoR（3-2）电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。

3-6

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（ton不变，变T—频率调制。ton和T都可调，改变占空比—混合型。

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

3-7

3.1.1降压斩波电路

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EIoton

在整个周期T中，负载消耗的能量为RIo2T?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。

?E?EM2EIoton?RIoT?EMIoTIo?R

EI1??EIo?UoIotonI1?Io??IoT

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。3-8

3.1.1降压斩波电路

式（3-6）负载电流断续的情况：

I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）?1?(1?m)etx??ln?m??????（3-16）?tx<toff

电流断续的条件：输出电压平均值为：

tonE?(T?ton?tx)EMUo?T负载电流平均值为：e?1m??e?1??ton?tx???????1??m?ET??????（3-17）（3-18）

tx1?ton?ton?tx?EUo?Em?Io???i1dt??i2dt?????m??0??T?0TR?R（3-19）

3-9

3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper）1) 电路结构3-10

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。

3-11iiob)波形图3-2 升压斩波电路及工组波形

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EI1ton设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为?Uo?E?I1toff稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

EI1ton?(Uo?E)I1toff（3-20）

ton?toffTE?E化简得：Uo?tofftoff（3-21）

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

toff。T/toff——升压比；升压比的倒数记作b，即b?Tb和?的关系：??b?1（3-22）11因此，式（3-21）可表示为Uo?E?E（3-23）b1??

3-12

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：EI1?UoIo。（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。输出电流的平均值Io为：电源电流的平均值Io为：Uo1EIo??RbRUo1EI1?Io?2EbR(3-25)(3-26)

3-13

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用于直流电动机传动

a)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。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）电流断续时动画演示。3-14

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i1Ldi，得下式：1?Ri1?EM(3-27)

当V处于断态时，设电动机电枢电流为dti2，得下式：

Ldi2

dt?Ri2?EM?E（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

I?m?b?EEM?bE

o?R?R（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bE。

3-15

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

u

i2的表达式。

另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即

1?me

tx??ln

1?m

?ton

?

tx<t0ff

1?em???

1?e

?b?

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

--------电流断续的条件

3-16

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

3-17

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理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。iIa)i2Ib)图3-4 升降压斩波电路及其波形

a）电路图b）波形

3-18

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

Tudt?0（3-39）tt?onon所以输出电压为：U?（3-41）E?E?EotoffT?ton1??

3-19

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路结论

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。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：

tonI1?I2toff（3-42）iItoff1??（3-43）i2I2?I1?I1由上式得：Iton?

EI1?UoI2（3-44）b)其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

3-20

第3章直流斩波电路

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

3-21

3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系

同理：

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I1toff。由此可得：I2ton?I1toff（3-46）toffT?tonI21?????（3-46）I1tonton??T0iCdt?0（3-45）

优点（与升降压斩波电路相比）：tonton?Uo?E?E?EtoffT?ton1??（3-48）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。

3-22

3.1.4 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）。a) Sepic斩波电路

输入输出关系：图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路tonton?Uo?E?E?E（3-49）toffT?ton1??

3-23b) Zeta斩波电路

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，VDb) Zeta斩波电路

图3-6 Sepic斩波电路关断，C1经L2向负载供电。和Zeta斩波电路?输入输出关系：Uo?E（3-50）1??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。

3-24

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

3-25

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电流可逆斩波电路

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。3-26

3.2.1电路结构电流可逆斩波电路

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。b)工作过程（三种工作方式)图3-7 电流可逆斩波电路及波形

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。

3-27

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。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。

图3-8 桥式可逆斩波电路

3-28

3.2.3多相多重斩波电路?基本概念相数负载电流脉波数重数

3-29

3.2.3多相多重斩波电路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。uuuiii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

3-30

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。

3-31

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。

3-32

相关推荐

专栏推荐