六．实验报告

1.分析PWM波形发生的原理

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调剂，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样的控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积，效果基本相同的是指环节的输出响应波形基本相同，上述原理称为面积等效原理。

以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可以把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的额波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且窄脉冲顶部都不是水平直线而是曲线，各种脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效地。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2.记录在某一占空比D下，降压斩波电路中，MOSFET的栅源电压波形，输出电压Uo波形，并绘制降压斩波电路的Ui/Uo-D曲线，与理论分析结果进行比较，并讨论产生差异的原因。

MOSFET的栅源电压波形

输出电压Uo波形

Ui/Uo-D曲线

实验中由于示波器本身误差和读数误差，使Ui/Uo-D曲线存在一定改变

3.实验心得

试验完之后使我对斩波电路有了更全面的了解，对今后在课程学习中有很大的帮助，对斩波电路带电阻、电感性负载的的个波形之间的相位关系等等都掌握的更全面。

 

第二篇：西安交通大学-电力电子技术-第五版-王兆安-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

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

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