第5章 直流斩波电路

3-1第5章直流斩波电路5.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）5.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）5.3直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*5.4两象限、四象限直流/直流变换器*5.5多相、多重直流/直流变换器5.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.2

复合斩波电路和多相多重斩波电路

本章小结（C）3-2第5章直流斩波电路·

引言

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-直流变换。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。（C）电路种类直流斩波电路（DCChopper）3-35.1.1降压斩波电路

电路结构

全控型器件。若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势

典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，或作为串联开关型稳压电路。功率器件

V

的驱动和保护电路见第1章有关内容。

降压斩波电路(BuckChopper)（B）注：如何检测电流i0？3-4例：降压斩波电路的分析 基本电路如图a)，开关器件V

在开通

(ON)和关断

(OFF)两种状态下的等效电路分别见图b)和c)(

只考虑电流连续的情况

)。如图可见，在开关器件V的状态确定后，两个等效电路均可按线性电路进行分析，前面课程中学过的知识可得到利用。 实际应用电路会比该电路复杂得多，但基本的分析方法是一致的。a)b)c)（A）5.1.1降压斩波电路3-55.1.1降压斩波电路工作原理tttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa)电路图c)

电流断续时的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图3-1

降压斩波电路的原理图及波形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。（C）通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示3-65.1.1降压斩波电路数量关系

电流连续（设电感很大，电流脉动较小）（3-1）（3-2）ton

—V通的时间toff—V断的时间

T—开关周期a—导通占空比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。（B）

负载电压平均值：按照电感上伏秒积分平衡或能量平衡

负载电流平均值：3-75.1.1降压斩波电路数量关系

电流不连续（3-3）ton

—V通的时间tx

—电感电流断的时间T—开关周期（B）

负载电压平均值：不成立换成电容：电流连续情况下：3-85.1.1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(

PWM)。ton

不变，变T——

脉冲频率调制(

PFM)。ton

和T都可调，改变占空比——混合型。此种方式应用最多第2

章2.1节和本章前均介绍过：电力电子电路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。（B）

分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续3-95.1.2升压斩波电路工作原理

假设L和C值很大。(L：储存电能；C：保持输出电压。) 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。

注意：电路不能空载工作?

动态演示0uGE0ioI1图5-2升压斩波电路及工作波形a)

电路图b)

波形（B）此斩波电路亦称作并联开关型稳压电路。(BoostChopper)

3-105.1.2升压斩波电路数量关系V通态时间ton

，此阶段L上积蓄的能量为：。

V断态时间toff

，此期间电感L释放能量为：。稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：（5-21）（5-20）化简得：T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

T/toff——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系：a+b=1因此，式（3-21）可表示为：（5-23）（5-22）（C）3-11

设：1.

相对于开关周期T

而言，

L、C

的值足够大(或

T

足够小)。

2.

一周期中，i1=I1、u0=U0

保持不变。

ton

期间：uL=E；toff

期间：uL=E-U0。一周期内L中的能量变化为零，即： 得： 由此得出：将代入上式，进一步解得： ，即式(5-23)。5.1.2升压斩波电路例：式（5-23）的详细推导（A）图3-2a）3-125.1.2升压斩波电路电压升高的原因：电感

L

储能起电压泵升的作用；

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：。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：(5-25)

电源电流的平均值I1为：阻抗变换器：(5-26)（B）（5-24）3-135.1.2升压斩波电路

例：带馈能式缓冲电路的升压斩波电路 一般C1=C2。

C1

中储存的能量为

C1UO2/2。注：

1、缓冲电路由哪些元件组成？

2、缓冲电路的工作原理？

3、缓冲电路对斩波电路正常工作的作用和影响？

4、VT导通瞬间，流过VT的电流是否就是i1？

5、要使UO更接近理想直流应采取哪些措施？（A）3-145.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路

1)升降压斩波电路

(buck-boostChopper)

电路结构（B）图3-4a）注：该电路能否空载工作？

注意：电源和负载压降定义的方向（极性）不同。3-155.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形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，该电路也被称作反极性斩波电路。注意：电路不能空载工作。动态演示b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：开关器件承受的电压是多少？3-165.1.3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。（5-39）所以输出电压为：（5-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo（5-40）（C）即：3-175.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-4b)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：（3-42）由上式得：（3-43）

结论当0<α

<1/

2时为降压，当1/

2<α

<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。

其输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。（3-44）ototi1i2tontoffILIL（B）图3-4b）3-185.1.3升降压斩波电路和Cuk

斩波电路2)Cuk

(Cuk、丘克、库克

)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5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路（B）／注：1、开关器件承受的电压是多少？

2、该电路能否空载工作？3-195.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：（5-45）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：（5-46）（5-47）（5-48）

其输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。优点

(与升降压斩波电路相比)： 输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。（B）

缺点：电容C

的电流波动大，电流冲击严重。3-20

分析时的注意点：

1

.

能量守恒关系；

2.合理假设。设：1

.L1、L2、C

足够大，

T足够小；

2.一周期中i1=I1、i2=I2、uc=Uc

保持不变。一周期内C中的能量变化为零，即：得：由及

得： 即式(5-47)。同理，可照此对L1、L2

进行分析。例：式

(5-47)的详细推导（A）5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-5a）3-21+uc－

5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路例：有一输入电压E=10V，开关频率为50kHz的Cuk斩波电路(如图)，输出端接足够大的电容使输出电压UO=5V不变，求：1).占空比a

；2).电容C两端的平均电压Uc

；3).开关器件的ton和toff。解：1).由，得：2).由E=uL1+uC+uL2+(-UO)，且稳态时电感上的平均 电压UL1=UL2=0，得：UC=E–(-UO)=15V*3).由a=ton/T=(T–toff)/T，得：ton=aT=6.67μS，

toff=T–ton=13.33μS。

*uc

瞬时值可能会波动较大，具体数值可通过列方程求解或通过仿真得出。（A）3-225.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

Sepic电路的结构和原理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)。输入输出关系：（3-49）（B）注：1、该电路能否空载工作？

2、试推导该电路输出电流IO

的表达式。a)Sepic斩波电路图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路3-23

设：1

.L1、L2、C1、C2的值足够大，T足够小。

2.一周期中，i1=I1、

i2=I2、

uC1=UC1、u0=U0

保持不变。

ton期间：uL1=E、uL2=UC1；

toff期间：uL1=E-U0-UC1、uL2=-U0。

稳态时，一周期内L1、L2

中的能量变化为零，即：由上二式和，得：，即式(3-49)。5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路例：式（5-49）的详细推导（A）图5-6a）Zeta斩波电路的分析方法与此相同。3-245.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路的结构和原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能，同时E和C1共同向R和C2供电。V关断后，L1经VD将储存的能量转移到

C1，同时C2向R供电，L2

的电流经

C2、R

和VD续流。输入输出关系：图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路（3-50）b)Zeta斩波电路（B）注：1、该电路能否空载工作？

2、试按上页方法验证式(3-50)。3-255.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

两电路有相同的输入输出关系。在一定的条件下，Sepic电路的电源电流连续，Zeta电路的输入电流是断续的；两电路的输出电流是否连续取决于T

、ton、C

、L诸参数值。两电路输出电压均为正极性。两电路的输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。（B）图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路b)Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路注：若希望u0更接近理想的直流电压，可采取那些措施？两种斩波电路的比较3-265.1 基本斩波电路·小结

各种基本斩波电路的电压比、器件承受的最高电压及应用领域归纳于下表电路电压比公式开关和二极管承受的最高电压应用领域降压型各种降压型开关稳压器升压型升压型开关稳压器，升压型功率因数校正（PFC）电路升降压型反向开关稳压器Cuk对输入输出纹波要求高的反相型开关稳压器Sepic升降压型功率因数校正（PFC）电路Zeta对输出纹波要求高的升降压型开关稳压器（A）3-273.1基本斩波电路·小结降压型：只能降压不能升压，输出与输入同相，输入电流 脉动大，输出电流脉动小，结构简单。升压型：只能升压不能降压，输出与输入同相，输入电流 脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。升降压型：能降压能升压，输出与输入反相，输入输出电 流脉动大，不能空载工作，结构简单。Cuk型：能降压能升压，输出与输入反相，输入输出电流 脉动小，不能空载工作，结构相对复杂。Sepic型：能降压能升压，输出与输入同相，输入电流脉动 小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构相对复杂。Zeta型：能降压能升压，输出与输入同相，输入电流脉动 大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构相对复杂。注：1、试述斩波电路可以作为阻抗变换器(或称可变电阻)。

2、验证上述各斩波电路的特点。（A）各种基本斩波电路的特点3-28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。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。此电路中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。

电流可逆斩波电路（C）5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路3-295.2.1

电流可逆斩波电路

电路结构a)电路