第4章 DC-DC变换电路 (1).

1、第五节 Cuk斩波电路第四节 升降压斩波电路第三节 升压斩波电路第二节 降压斩波电路第一节 直流斩波电路的工作原理内容提要与目的要求 了解直流斩波器的工作原理及控制方式。了解直流斩波器的工作原理及控制方式。掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电路参数计算。路参数计算。重点：掌握各种斩波电路的波形分析及工作重点：掌握各种斩波电路的波形分析及工作原理。原理。 一、直流斩一、直流斩波的概念及波的概念及分类分类二、基本斩二、基本斩波电路的工波电路的工作原理作原理概念：概念：将一个固定电压的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电称之为DCDC变换，而实现这种功能的

2、电路称之为直流直流斩波电路斩波电路(DC Chopper )或称直流一直流变换器直流一直流变换器（DCDC Converter）。优点：优点：直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等。应用：应用：用于直流牵引变速拖动中，如无轨电车、地铁列车、电动汽车的控制；用于直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、电子笔记本，计算器等。分类：分类：包括6种基本斩波电路：降压斩波电路（Buck Chopper）升压斩波电路（Boost Chopper）升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）Cuk斩波电路Sepic斩波电路Zeta斩波电路其中前两种是最基本的电路，本章将对这两种电路作重

3、点介绍，并在此基础上介绍升降压斩波电路和Cuk斩波电路。最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直流电压加到负载R上，并持续ton时间。当开关（S）断开（即电力电子器件关断）时，负载上的电压为零，并持续toff时间，Tton+ toff为斩波电路的工作周期，其输出波形如图4-1所示。 由波形图可得输出电压平均值为 ton为S闭合（导通）时间；toff为S断开（关断）时间；Tton+toff为斩波电路的工作周期；为导通占空比，简称占空比或导通比，ton/T 当从0变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，输入电流的平均值将是输出电流平均值的倍。可以看出，输出到

4、负载的电压平均值UO与Ud及有关，可以通过改变来调节UO。其输出电压有效值为 （4-1）（4-2）dTdTUdtUTdtuTU0202011ddontdTdUUTtdtUTdtUTUon00011若认为斩波器（S）是无损耗的，则输入功率应与输出功率相等，即 （4-3）从直流电源侧看的等效电阻为 （4-4）RUdtRuTidtuTPdToToi202011RRUUIURddodi据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以有三种控制方式。保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）或脉冲调宽型。保持开关导通时间t

5、on不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型 ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中脉宽调制方式应用最多，因为采用频率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。一、降一、降压斩波压斩波电路工电路工作原理作原理二、主二、主要数量要数量关系关系降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如图所示。该电路使用一个全控型器件V，图中所用为IGBT，也可以是其它器件。若采用晶闸管，则需设置使晶闸管关断的辅助电路。图中VD为续流二极管，其作用是在V关断时给负载中的电感电流提供通道。作为降压电路，其输出电压平均值Uo小于输入电压Ud。通过电感中的电流可以连续，也可以不连续，取决于开

6、关频率、滤波电感L和负载电流Io的大小。t=0时刻驱动V管导通，电源电压Ud向负载供电，负载电压u0=Ud ，负载电流i0按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制V管关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且波动较小，通常要求串联比较大的平波电抗器L。至一个周期T结束，再驱动V管导通，重复上述过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期内的初值和终值相等。 负载电压平均值：ddondoffononoffondonUUTtUtttttUtU0为斩波波形的占空比，且1，所以U0 Ud ，且改变占空比时，负载电压随之改变，故称之为降压斩波电路，或直

7、接用英文Buck Chopper在电路的输入端加电压后，需经过一段比较短的时间，才进入稳定工作状态。暂态过程比较复杂，下面只分析稳态过程。图示给出了该电路的两种不同的工作模式，一个周期中其工作过程按时间分成两段，分别对应两个模式。动画动画设t=0时刻，V管被驱动导通，VD管要承受反压，故电流iVD迅速下降，而V管电流迅速上升。此过程开关时间很短，可认为瞬间完成。此时电路工作于模式1。在V管接通的t1时间内，V管流过的电流就是电感电流，若假定这期间Uo不变，则电感L中的电流近似直线上升，能量储存于电感中。则有odUULIt1动画动画ondtILtILtIILUUU1112000)(UULItdo

8、nton=toff=设t =t1时刻，控制V关断，电感电流经二极管VD续流，此时VD导通，电路工作于模式2，如图所示。假设此时电感电流iL近似按直线规律下降，电感释放能量。则有：动画动画offtILtILttIILU2122100)(ULItoffton=toff=若电路中L值较小或负载很轻或开关频率很低时，会发生电感电流iL在一个周期结束前就下降到零的情况。这样，每个周期开始时，iL必然从零开始上升。这种情况就是不连续导电模式。在电流断续情况下，一个周期分三个时间段。其三个时段的等效电路如图4-4所示。电流不连续时工作波形如图4-5所示。 动画动画1.输入输入/输出电压电压的关系输出电压电压

9、的关系由式（4-5）可得电感上的峰-峰脉动电流为由式（4-7）又可得 两者相等，故有将ton=T，toff=（1-）T代入上式，整理得 doUU (4-11) (4-10) (4-9) (4-8) ondtLUUI0offtLUI0offondtLUtLUU00输入功率：diiUIP 输出功率：RUUIP20000假设斩波器是无损耗的，则有：0PPi)(000ddiUIUIUI化简得到：000)(IIUUIdd由输入/输出电压、电流的关系可见，降压斩波器可看成是降压变压器由式（4-9）和式（4-10）可得：0)(UULItdon0)(ULItoff因此开关周期T可表示为：)()()()(100

10、00UUULUIULIUULIttfTdddoffon于是可得到电感纹波电流表达式为：ddfLUUUUI)(00或：fLUfLUUUUfLUUUUIddddddd)1 ()()(00电感电流包含直流分量I和峰值iL 的线性纹波，直流成分I均流过负载电阻R，交流开关纹波分负载电阻R和滤波电容C两部分。若选择电容C足够大，以使开关频率时的电容阻抗远小于负载电阻R。从而几乎所有的电感电流纹波流经电容，而流经电阻的纹波非常少可以忽略。所以电容电流波形ic等于电感电流波形去掉直流成分后的交流部分。电流纹波是线性的，峰值为iL。)2(cuCQ根据电荷量与电压的关系，得到：28)1 (8LCfUfCICQu

11、dc又电荷量实际是电容电流波形过零点之间的积分，即三角形阴影区域的面积，于是有：电容电流为正时，电荷积累再电容极板上，电容电压uc(t)上升。因此，在电容电流波形的两个过零点之间，电容电压输出峰峰值为2 uc。 221TiQL5.保证电感电流连续的最小电感量保证电感电流连续的最小电感量从波形图可以看出，要使电感电流不出现断续，电流峰-峰脉动值I必须大于输出电流的一半。令I=I0/2，可的电感电流连续式电感量临界值：ddfLUUUUI)(00ddddddddITUUITUUUUfIUUUUIfUUUL)1 (2)(2)(2)()(200000000显然，当输入输出电压确定时，负载电流I0越大，维

12、持电流连续所需电感量L就越小；开关频率 f 越高，电感量L也可取得小。当发生电感电流不连续时，输出电压的公式将与上面分析的结果大不相同。 1一、升压斩一、升压斩波电路的工波电路的工作原理作原理2二、主要数二、主要数量关系量关系应用场合举例：应用场合举例：在有些便携式设备中，如笔记本电脑，内部不同元器件的工作电压可有多种，而供电电池电压只能是一种规格，这就需要直流电压变换，包括升压变换，以满足各元器件的工作电压要求。升压斩波电路（Boost Chopper）如下所示，电路中V为全控型MOSFET电力电子器件，也可是其它全控型器件。一般假设电感L很大，电容C也很大。在电感电流连续时，该电路也有两种

13、模式或者说每个周期有两个时段，如图4-6（b）所示。其工作波形如图4-6（c）所示。本节将只讨论电感电流连续式的工作波形和数量关系。设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向电感充电，电感中的电流近似按线性规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uc减小，电容上电流ic=-I0（假设负载上的电流基本恒定），工作波形如图所示，则有：ondtILtIILU0112donULIt)(设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，Ud和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。若假定在此期间的电感电流仍近似按线性规律从I2下降到I1，则电容上电压uc增加，电容上

14、电流ic=iL-I0，工作波形如图所示，则有：offdtILttIILttIILUU121212210doffUULIt0)(2、工作模式、工作模式2（t1=TtT）1.输入输入/输出电压的关系输出电压的关系由式（4-21）和（4-23）可得：将ton=T，toff=（1-）T代入上式，整理得：LtUIondLtUUIoffd)(0LtUULtUIoffdond)(01)1 ()(0ddoffdoffonUTTUtUttU仿照占空比的定义，将toff/T定义为升压比，且 1。于是上式可写为：dUU 0因1- 1，所以输出电压大于输入电压，故称为升压斩波器（Boost Chopper）。升压斩波

15、电路之所以输入电压大于输出电压，其原因主要有：电感L储能后具有使电压泵升的作用；电容C可将输出电压保持住。输入功率：diiUIP 输出功率：RUUIP20000假设斩波器是无损耗的，则有：0PPidddiUIUIUIUI00001化简得到：iiIII)1 (0由输入/输出电压、电流的关系可见，降压斩波器可看成是降压变压器。donULIt)(由式（4-22）和式（4-24）可得：因此开关周期T可表示为：)()()()(1000ddddoffonUUULUIUULIULIttfT于是可得到电感纹波电流表达式为：00)(fLUUUUIdd或：fLUfLUUUUIddd00)(doffUULIt0)(

16、3.电感的纹波电流电感的纹波电流若假定负载电流i0的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容上电压峰-峰脉动值，即：CtICtIdtICdtiCUonttcc01000011112由式（4-26)可得：fUUUttdon001代入上式可得：RCfUUCfUUUIUddc2)(2)(0000或：CfIUc20由上可见，负载电流越大，输出电压纹波越大（即电压降落越大）；电容C越大，输出电压纹波越小（可见电容的作用）。一、电路一、电路工作原理工作原理二、主要数二、主要数量关系量关系升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）主要用于：主要用于：特殊的可调直流

17、电源，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压，此输出电压可以高于或低于输入电压 升降压斩波电路原理图如图4-7（a）所示。在电感电流连续时，升降压斩波电路工作于如图4-7（b）所示的两种模式，同样指每个周期由两个时段。 设t=0时刻，V导通，VD反向偏置而关断，电源Ud经V向电感L供电使其贮存能量，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uc减小，电容上电流ic=-I0 。ondtILtIILU0112donULIt)(t=t1时刻，V关断，VD导通，L向电容C充电，并向负载R提供能量。因为此时电感电压等于负载电压，而极性为负，电感电流仍

18、按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uc增加，电容上电流ic=iL-I0。由于负载电压极性与电源电压极性相反，故这种电路也称作反极性斩波电路。offofftILtIILttIILU12122100LUItoff）（LtULtUIoffond01.输入输入/输出电压关系输出电压关系将ton =T，toff=（1-）T代入上式，整理得:由两种工作模式时I相等，可以得到：ddondondoffonUUTtUTtUttU)1 ()1 ()1 (0上式可以看出：当0.5时，输出电压高于输入电压。所以此电路是一个升降压电路，也称为Boost-Buck变换器（Boost-Buck Converter）。

19、 输出电压与输入电压的极性相反。2.输入输入/输出电流关系：输出电流关系：输入功率：diiUIP 输出功率：RUUIP20000假设斩波器是无损耗的，则有：0PPi1000ddiUIUIUI化简得到：iII)1 (00ff)(ULIto由式（4-37）和式（4-39）可得：因此开关周期T可表示为：dddoffonUUUULIULIULIttfT000)()()()(1于是可得到电感纹波电流表达式为：)(00ddUUfLUUI或：fLUIddonULIt)(3.电感的纹波电流电感的纹波电流若假定负载电流i0的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容上电压峰-峰脉动

20、值，即：CtICtIdtICdtiCUonttcc01000011112由式（4-21)可得：fUUUttdon)(001代入上式可得：)(2)(2020000ddcUURCfUUUCfUIU或：CfIUc20由上可见，负载电流越大，输出电压纹波越大（即电压降落越大）；电容C越大，输出电压纹波越小（可见电容的作用）。一、一、Cuk斩波电路斩波电路工作原理工作原理二、主要数量关系二、主要数量关系CukCuk电路也是一种升降压混合电路，其输出电压极性与输入电压极性相反，电路如图4-8所示。电路的稳定工作可按图4-8（b）所式的两种模式进行分析，其工作波形如图4-8（c）所示。 t=0时刻，导通V时，VD反向偏置而关断，此时输入电压加在电感L1两端，电感储能，其电流从IL11 线性增长到IL12 ，即有。onLLdtILtIILU111111210donULIt11）（1、工作模式、工作模式1（0tt1=T）同时，在此期间，电容C1上的电压使VD管反偏置，并且通过负载和电感L2释放能量，负载获得反极性电压。有电路可知，在这种电路结构中，V管和二极管VD是同步工作的，即V管导通，VD截止；V管截止，VD则导通。t=t1时刻，关断V时，VD导通，L1释放能量，向电容C1充电，电容两端平均电压大于输入电压，所以电感L1电流iL1下降，并仍按直线规律从IL12下降