电力电子实验报告直流斩波电路的性能研究

实验五 直流斩波电路的性能研究（六种典型线路）

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。

(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：

U o

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，α为导通占空比， 简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值 UO 最大为 Ui，若减小占空 比α，则 UO 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。

ton t

U i on U aU i

ton t off

T i

Ui

C

E G

UG

E

t Ttoff

t

+ L1

C1

+ Uo

-

UD UO

Ui

V

UD -

t t

-

(b)波形图

图 4-12 降压斩波电路的原理图及波形

(Boost Chopper)

(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

105

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

ton toff

toff

T

off

U o

U i t

U i

上式中的 ≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

+

Ui

I1

L1

G

E C

- UD

D

t

+ R Uo

-

V

C1

UD

t

UO

t

-

(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)

升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)的原理图及工作波形如图 4-14 所示。电路的基本工作 原理是：当可控开关 V 处于通态时，电源 Ui 经 V 向电感 L1 供电使其贮存能量，同时 C1 维持输 出电压 UO 基本恒定并向负载供电。此后，V 关断，电感 L1 中贮存的能量向负载释放。可见,负 载电压为上负下正，与电源电压极性相反。输出电压为：

(a)电路图

U o ton toff

U i U i a U i

T ton 1 a

ton

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 0<α<1/2 时为 降压，当 1/2<α<1 时为升压。

+ Ui

C

E G

V

UGE

t

- UD L1

D

+ C1

-

R Uo

UO +

t

(b)波形图

t

(a)电路图

图 4-14 升降压斩波电路的原理图及波形

④、Cuk 斩波电路

Cuk 斩波电路的原理图如图 4-15 所示。电路的基本工作原理是：当可控开关 V 处于通态时， Ui—L1—V 回路和负载 R—L2—C2—V 回路分别流过电流。当 V 处于断态时，Ui—L1—C2—D 回 路和负载 R—L2—D 回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压为：

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U o

ton t

Ui on U i a U itoff T ton 1 a

若改变导通比α 0<α<1/2 时为

降压，当 1/2<α<1 时为升压。

+

L1

Ui

C G

E

-

C 2 V D

L2

C1

R Uo

+

-

⑤、Sepic 斩波电路

图 4-15 Cuk 斩波电路原理图

Sepic 斩波电路的原理图如图 4-16 所示。电路的基本工作原理是：可控开关 V 处于通态时， Ui—L1—V 回路和 C2—V—L2 回路同时导电，L1 和 L2 贮能。当 V 处于断态时，Ui—L1—C2—D—R 回路及 L2—D—R 回路同时导电，此阶段 Ui 和 L1 既向 R 供电，同时也向 C2 充电，C2 贮存的能 量在 V 处于通态时向 L2 转移。输出电压为：

U o

ton

toff

Ui U i a U i

T ton 1 a

ton

若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 0<α<1/2 时为 降压，当 1/2<α<1 时为升压。

+

U

i

1

C G

E

L2

C+

V

Uo

-

-

图 4-16 Sepic 斩波电路原理图

⑥、Zeta 斩波电路

Zeta 斩波电路的原理图如图 4-17 所示。电路的基本工作原理是：当可控开关 V 处于通态时，

电源 Ui 经开关 V 向电感 L1 贮能。当 V 处于断态后，L1 经 D 与 C2 构成振荡回路，其贮存的能量 转至 C2，至振荡回路电流过零，L1 上的能量全部转移至 C2 上之后，D 关断，C2 经 L2 向负载 R 供电。输出电压为：Uo +

Ui

a

C

a

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