第五章直流斩波

1、 Buck converter (Step-down converter) Boost converter (Step-up converter) Buck-Boost converter (Step-down/step-up converter) and Cuk converter 直流斩波电路的种类直流斩波电路的种类6 6种基本斩波电路：种基本斩波电路：降压斩波电路、升降压斩波电路、升压斩波电路压斩波电路、降升压斩波电路、降升压斩波电路、Cuk斩波电路、斩波电路、Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩斩波电路波电路复合斩波电路复合斩波电路不同结构不同结构基本斩波电基本斩波电路组合，电流可

2、逆斩波电路，桥式可逆路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路斩波电路多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构相同结构基本斩基本斩波电路组合波电路组合 电路结构电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，大多数情况为反电动势负载池负载，大多数情况为反电动势负载 t t=0=0时刻驱动时刻驱动V V导通，电导通，电源源E E向负载供电，负载向负载供电，负载电压电压u uo o= =E E，负载电流，负载电流i io o按指数曲线上升按指数曲线上升t t= =t t1 1时刻控制时刻控制V V关断，关断，二极管二极管VDVD续流，负载电续流，负载

3、电压压u uo o近似为零，负载电近似为零，负载电流呈指数曲线下降流呈指数曲线下降通常串接较大电感通常串接较大电感L L使使负载电流连续且脉动小负载电流连续且脉动小电路稳态时，负载电流在电路稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等一个周期的初值和终值相等负载电压平均值：负载电压平均值：EETtEtttUonoffonono（3-1）t tononV V导通的时间导通的时间 t toffoffV V断开的时间断开的时间 a-a-导通占空比导通占空比Duty cycle输出负载电压平均值最大输出负载电压平均值最大为为E E，改变占空比可改变输，改变占空比可改变输出电压大小，所以此电路出电压大小，

4、所以此电路为为降压斩波电路降压斩波电路REUIMoo（3-2） 电流断续，电流断续，U Uo o被抬被抬高，一般不希望出现高，一般不希望出现 负载电流平均值：负载电流平均值：此种方式应此种方式应用最多用最多 V V导通期间，有导通期间，有EERidtdiLM11初值为初值为10IRL /则则）（tMteREEeIi1101 V V关断期间，有关断期间，有022MERidtdiL初值为初值为20I则则）（ononttMtteREeIi1202电流连续时，有电流连续时，有）（2210tiI）（1120tiI根据前面两个方程，可根据前面两个方程，可求出求出V V导通状态和关断状导通状态和关断状态时电

5、流表达式态时电流表达式如果平波电抗器电感为如果平波电抗器电感为无穷大，则负载电流平直无穷大，则负载电流平直TIETRIoM2o 由于由于L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为Io不变不变 电源只在电源只在V V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为 在整个周期在整个周期T中，负载一直消耗能量，消耗的能量为中，负载一直消耗能量，消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率输出功率等于输入功率一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的能量相等能量相等TIETRItEIoMoono2ooon1IITtIooo1IUEIEIREE

6、IMo负载电流连续情况下，电源电流平均值为负载电流连续情况下，电源电流平均值为电源侧电流小于等于负载电流电源侧电流小于等于负载电流 I I1010=0=0，且，且t t= =t tx x时，时，i i2 2=0=0式（式（3-73-7）式（式（3-63-6）memt)1 (1lnxtx11，输出电压高于电源电压，故为，输出电压高于电源电压，故为升压比，调节升压比可改变输出电压大小升压比，调节升压比可改变输出电压大小升压比的倒数记作升压比的倒数记作 ，即，即 和和的关系为：的关系为：电路输出电压又可表示为电路输出电压又可表示为 off/tT1EEU111oTtoff如果忽略电路中的损耗，则由电源

7、提供的能量仅由如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载负载R消耗，即消耗，即 ： oo1IUEI 输出电流的平均值输出电流的平均值I Io o为：为：RERUI1oo电源电流的平均值电源电流的平均值I I1 1为：为：REIEUI2oo11降升压斩波电路降升压斩波电路(buck -boost Chopper) 电路结构电路结构S通时，电源经通时，电源经S向向L供电使其贮能，此时供电使其贮能，此时电流为电流为i1。同时，。同时，C维持输出电压恒定并向维持输出电压恒定并向负载负载R供电供电SVoRViL+C-VoRViL+C-图图3-4 3-4 降升压斩波电路及其波形降升压斩波电路及其波形

8、a a）电路图电路图 b b）波形）波形稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分对时间的积分为零，即为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态处于通态u uL L = = E EV处于断态处于断态u uL L = - = - u uo ooffoontUtE右图给出了电源电流右图给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设的波形，设两者的平均值分别为两者的平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小，当电流脉动足够小时，有：时，有：offon21ttII由上式得：由上式得：11onoff

9、21IIttI 结论结论当当0a 1/2时为降压，当时为降压，当1/21/2a a 11时为升压，故时为升压，故称作称作，也称之为，也称之为buck-boost buck-boost 变换器变换器其输出功率和输入功率相等，可看作其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器直流变压器2o1IUEI EU1oV通时，通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路有电流回路有电流V断时，断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有电流回路有电流输出电压的极性与电源电压极性相反输出电压的极性与电源电压极性相反电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换两点之间交替切换图图3-5 Cuk3-5 C

10、uk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路 a a）电路图）电路图 b b） 等效电路等效电路Tti00dCV处于通态的时间为处于通态的时间为ton，电容电流和时间的乘积为，电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间为处于断态的时间为toff，电容电流和时间的，电容电流和时间的乘积为乘积为I1toff, ,由此有：由此有：off1on2tItI1onononoff12ttTttIIEEtTtEttU1ononoffono 优点优点（与降升压斩波电路相比）：输入电源电流和（与降升压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输输出负载电流都是连续的，且脉动

11、很小，有利于对输入、输出进行滤波入、输出进行滤波当开关在当开关在B点时，点时，A，B点电压点电压为为CoffBUTtUE0BUCAuU当开关在当开关在A点时，点时，A，B点电压点电压为为CBuU0AUA A，B B点平均电压为点平均电压为ConAUTtU输出电压为输出电压为ConoUTtU工作原理工作原理 V V导通时，导通时，E EL L1 1V V回路和回路和C C1 1V VL L2 2回路同时导电，回路同时导电，L L1 1和和L L2 2贮能。贮能。 V V关断时，关断时，E EL L1 1C C1 1VDVD负载回路及负载回路及L L2 2VDVD负负载回路同时导电，此阶段载回路同

12、时导电，此阶段E E和和L L1 1既向负载供电，同时也既向负载供电，同时也向向C C1 1充电（充电（C C1 1贮存的能量在贮存的能量在V V处于通态时向处于通态时向L L2 2转移）。转移）。 输入输出关系输入输出关系 EEtTtEttUononoffono1工作原理工作原理V V导通时，电源导通时，电源E E经开关经开关V V向电感向电感L L1 1贮能。贮能。V V关断时，关断时，L L1 1VDVDC C1 1构成振荡回路，构成振荡回路， L L1 1的能量转的能量转移至移至C C1 1，能量全部转移至，能量全部转移至C C1 1上之后，上之后，VDVD关断，关断，C C1 1经经

13、L L2 2向向负载供电。负载供电。输入输出关系为输入输出关系为 EUo1讨论：讨论：两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，SepicSepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波；利于输入滤波；ZetaZeta电路的电源电流断续而负载电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压均为正极性。电流连续；两种电路输出电压均为正极性。 直直交交直电路直电路。 电路特点：电路特点： 输出与输入隔离。输出与输入隔离。 需要相互隔离的多路输出。需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压比远小于输出电压与输入电压比远小于1

14、 1或远大于或远大于1 1。 交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。波电感、滤波电容的体积和重量。分类：分类：l单端电路单端电路 变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。激电路。l双端电路。双端电路。 变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。桥和推挽电路属于双端电路。 工作过程工作过程S S开通开通，W W1 1电压为上正下负，电压为上正下负，W W2 2的电压也上正下负，的电压也上正下负，VDVD1 1导

15、通，导通，VDVD2 2截止，截止，L L电流逐渐增长。电流逐渐增长。 S S关断关断，L L通过通过VDVD2 2续流，续流，VDVD1 1关断。变压器励磁电流关断。变压器励磁电流经经N N3 3和和VDVD3 3流回电源。流回电源。工作过程工作过程S S关断后承受的电压为关断后承受的电压为 iSUNNu)1 (31SuSiLiSOttttUiOOOBRBSBHO变压器的磁心复位变压器的磁心复位S S开通后，变压器激磁电开通后，变压器激磁电流由零随时间线性增长，直流由零随时间线性增长，直到到S S关断，导致变压器激磁关断，导致变压器激磁电感饱和。电感饱和。须使激磁电流在须使激磁电流在S S关

16、断后关断后到下一次再开通时间内降回到下一次再开通时间内降回零，这一过程称为零，这一过程称为变压器的变压器的磁心复位磁心复位。磁心复位所需的时间为磁心复位所需的时间为on13rsttNNt输出电压输出电压输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io输出电感电流不连续、负载为零的极限输出电感电流不连续、负载为零的极限情况下情况下 i12oUNNU SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO工作过程工作过程S S开通开通，VDVD截止，截止，W W1 1电流线性电流线性增长，电感储能增加。增长，电感储能增加。S S关断关断，W W1 1电流被切断，变压电流被切断，变

17、压器磁场能量通过器磁场能量通过W W2 2和和VDVD向输出向输出端释放，电压为端释放，电压为uUNNUSio12SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO工作模式工作模式S S开通时，开通时，W W2 2中电流尚未下降中电流尚未下降到零，则称工作于到零，则称工作于电流连续模电流连续模式式，输出输入电压关系为，输出输入电压关系为offon12iottNNUU S S开通前，开通前，W W2 2中电流已经下中电流已经下降到零，则称工作于降到零，则称工作于电流断续电流断续模式模式。负载为零的极限情况下。负载为零的极限情况下， ，所以应该避免所以应该避免负载开路状态。负载开路状态。 Uo 工

18、作过程工作过程S S1 1与与S S2 2交替导通，使变压交替导通，使变压器一次侧形成幅值为器一次侧形成幅值为U Ui i/2/2的的交流电压，改变开关占空比，交流电压，改变开关占空比，可改变二次侧整流电压可改变二次侧整流电压u ud d平平均值，即改变了输出电压均值，即改变了输出电压U Uo o。S S1 1导通时，导通时，VDVD1 1导通；导通；S S2 2导导通时，通时，VDVD2 2导通。当两个开导通。当两个开关都关断时，关都关断时，N N1 1中电流为零，中电流为零，VDVD1 1和和VDVD2 2都导通，各分担一都导通，各分担一半的电流。半的电流。S S1 1或或S S2 2导通

19、时导通时L L电流逐渐上电流逐渐上升；升；两个开关都关断时，两个开关都关断时，L L电流电流逐渐下降；逐渐下降； S S1 1和和S S2 2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为U Ui i。 S S1 1或或S S2 2导通时导通时L L电流逐渐上电流逐渐上升；升；两个开关都关断时，两个开关都关断时，L L电流电流逐渐下降；逐渐下降； S S1 1和和S S2 2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为U Ui i。 TtNNUUon12io输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于连将高于连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载续时的计

20、算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下为零的极限情况下2i12oUNNU工作过程工作过程互为对角的两个开关同时导通互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下，同一侧半桥上下两开关两开关交替交替导通，变压器一次侧形成幅值为导通，变压器一次侧形成幅值为U Ui i的交的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。流电压，改变占空比就可以改变输出电压。S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO当当S S1 1与与S S4 4开通后，开通后，VDVD1 1和和VDVD4 4导通，导通，L L电流电流逐渐上升。逐渐上升。当当S S2 2

21、与与S S3 3开通后，开通后，VDVD2 2和和VDVD3 3导通，导通，L L电流电流也上升。也上升。4 4个开关都关断时，个开关都关断时，4 4个二极管都导通，各个二极管都导通，各分担一半电感电流，分担一半电感电流，L L电流逐渐下降。电流逐渐下降。lS S1 1和和S S2 2断态时承受的断态时承受的峰值电压均为峰值电压均为U Ui i。如如S S1 1、S S4 4与与S S2 2、S S3 3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压u uT T中含有中含有直流分量直流分量，在变压器一次侧产生很大的直流，在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注

22、意避免电分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，可在一次侧回路串一电容，阻压直流分量的产生，可在一次侧回路串一电容，阻断直流电流。断直流电流。为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关占空比不能超过开关占空比不能超过50%50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。 输出电压输出电压 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io2输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于电流连将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况

23、下零的极限情况下 UNNUoi21S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO工作过程工作过程S S1 1和和S S2 2交替导通，交替导通，N N1 1和和N N1 1分分别形成相位相反的交流电压。别形成相位相反的交流电压。S S1 1导通时，导通时，VDVD1 1也导通，也导通，L L电电流逐渐上升；流逐渐上升；S S2 2导通时，导通时，VDVD2 2处于通态，处于通态，L L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VDVD1 1和和VDVD2 2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电流。

24、半的电流。 S S1 1和和S S2 2断态时承受的断态时承受的峰值电峰值电压压均为均为2 2倍倍U Ui i。 S S1 1和和S S2 2同时导通，相当于变压器一次绕组短路，同时导通，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免，每个开关占空比不能超过因此应避免，每个开关占空比不能超过50%50%，还要，还要留有死区。留有死区。 输出电压输出电压当滤波电感当滤波电感L L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io2输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于电流连将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零

25、的极限情况下零的极限情况下 UNNUoi21电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简可靠性高，驱动电路简单单变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几百几百WW几几kWkW各种中、小功率电各种中、小功率电源源反激反激电路非常简单，成本很电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电低，可靠性高，驱动电路简单路简单难以达到较大的功率，难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几几WW几十几十W W小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消费计算机设备、消费电子设备电源。电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易变压器双向励磁，容易达到大功率达到大功率结构复杂，成本高，有直通问结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路组隔离驱动电路几百几百WW几百几百kWkW大功率工业用电源、大功率工业用电源、焊接电源、电解电焊接电源、电解电源等源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，压器偏磁