第5章斩波电路2016

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5.1基本斩波电路

5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路

5.3带隔离的直流直流变流电路

第5章直流-直流斩波电路2直流－直流变换器作用：固定直流－可控直流。变换器中的功率器件工作于开关状态。应用：直流开关电源，直流电机驱动。直流－直流变换器的系统组成第5章直流-直流斩波电路3■间接直流变流电路

◆在直流变流电路中增加了交流环节。◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

第5章直流-直流斩波电路■直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。■直接直流变流电路◆也称斩波电路（DCChopper）。◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。输入与输出之间不隔离。隔离，能量变换？4第5章直流-直流斩波电路直流－直流变换器的主要种类：基本结构：降压变换器（Buckconverter)

升压变换器（Boostconverter)复合结构：升降压变换器（Buck－Boostconverter)

全桥变换器（fullbridgeconverter)

5控制输出电压vo

平均值的方法：控制开关通断时间。直流－直流变换器又称斩波器，开关器件应为全控型。5.1.1降压斩波电路6直流－直流变换器的三种控制方式

（改变占空比的方式）脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）周期不变，通过导通时间的改变，控制输出电压。脉冲频率调制PFM（PulseFrequencyModulation）导通时间不变，改变导通的周期来改变输出电压。混合型调制：ton和Ts都可调，以改变占空比。

PWM（脉冲宽度调制）是直流－直流变换器中最常用的控制方法。5.1.1降压斩波电路7脉冲宽度调制电路5.1.1降压斩波电路8平均输出电压1.基本的降压变换电路假定：恒定的输入电压、理想的开关、纯电阻负载5.1.1降压斩波电路9基本电路的缺陷实际的负载应为感性。即使是阻性负载，负载回路中仍会存在分布电感。开关断开时，必须有吸收电感储能的回路，否则开关会因过压而损坏。输出电压波动太大（0或Vd）解决方法增加二极管，形成续流回路，吸收电感储能。负载侧接入低通滤波器（由电感和电容构成），减小输出电压的波动。5.1.1降压斩波电路10低通

滤波器续流二极管滤波器输入电压2.实用的降压变换电路变换器输出电压11

低通滤波器的作用滤波器输入电压包含直流分量Vo和谐波分量谐波分量直流分量Vo滤波器输入电压谐波分量的频率为开关频率的整数倍滤波器的转折频率fc远小于开关频率fs，可滤除输出电压中的谐波开关频率fs转折频率开关频率fs输出电压12

续流二极管的作用续流二极管开关闭合时，二极管反向截止，Vd通过电感向负载提供电流。开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负载释放电感中的储能。采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？13稳态的含义：电压、电流为重复的周期波。电感电流稳态时电感电流稳态时电感电压在一个周期内的平均值为零。面积A＝面积B3.稳态电路中电感上电压、电流的特点L伏秒平衡原则14电容电压稳态时电容电压稳态时电容电流在一个周期内的平均值为零。面积A＝面积B4.稳态电路中电容上电压、电流的特点C安秒平衡原则15电感中的平均电流等于平均输出电流Io。（因为稳态时电容上的平均电流是零）假设滤波电容非常大，则近似认为输出电压恒定。电感电流连续和断续时电路的工作特性不同。5.稳态时降压变换电路的特点166.连续导通的工作模式连续导通模式：电感电流连续，

即iL(t)>0开关闭合时,

二极管反向截止开关断开时，iL

通过二极管续流17求取连续导通模式下输出电压平均值

方法1：利用电感上的伏秒平衡原则18方法2：从滤波器输入电压平均值入手19输出电功率忽略电路元件上的损耗，可得输入功率Pd等于输出功率Po连续导通模式下的降压变换器可等效为直流降压变压器，变压比可通过占空比D在0～1之间连续调节。尽管电流Id也符合变压器的关系，但电流波形在一个周期中是跳变的，含有大量谐波。20iL断续

仅依靠电容向负载供电vL=0断续导通时的情况(负载较轻时，IL减小，将不连续）7断续导通工作模式临界点-电流是否连续?218输出电压的脉动率（连续导通模式）实际上，电容值有限，输出电压存在脉动。前面的分析中，滤波电容足够大，使得求解电压脉动时，假设IL中的脉动分量流向电容，而平均值分量流向电阻。思想22求解电压脉动电压脉动率23合理选择转折频率可有效减小电压脉动率连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。在开关型直流电源中，输出电压的脉动率一般小于1％，所以前面采取的假设是合理的。249电机负载斩波电路降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形◆电路分析负载中出现反电动势---Em，R≠0◆工作原理

☞t=0，V导通---供电---负载电压uo=E---io---指数曲线上升。

☞

t=t1，V关断----VD续流---uo=0---io指数曲线下降；通常电感L较大使负载电流连续且脉动小。

25降压斩波电路的原理图及波形a）电路图c）电流断续时的波形26√负载电压的平均值√负载电流平均值为☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

◆斩波电路有三种控制方式

☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。

☞频率调制：ton不变，改变T。

☞混合型：ton和T都可调，改变占空比9电机负载斩波电路◆基本的数量关系☞电流连续时9电机负载斩波电路■对电路进行解析基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析

V通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：

按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。（5-3）27设电流初值为I10，=L/R，解上式得

V断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：（5-5）

设此阶段电流初值为I20，解上式得：

当电流连续时，有：图5-1降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形9电机负载斩波电路2829式中，，，，，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。

把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得

平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

(5-9)(5-10)(5-11)9电机负载斩波电路即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。可得出：30◆(5-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即

则假设电源电流平均值为I1，则有

其值小于等于负载电流Io，由上式得

即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。9电机负载斩波电路负载电流断续的情况：

I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（5-4）和式（5-6）可求出tx为：（5-16）电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为：（5-17）对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为：（5-18）Uo不仅和占空比a有关，也和反电动势EM有关。此时负载电流平均值为 （5-19）9电机负载斩波电路32■例5-1在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。输出电流平均值为解：L值极大---负载电流连续，于是输出电压平均值为9电机负载斩波电路33■例5-2在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。解：由题目已知条件可得：当ton=5s时，有

由于

所以输出电流连续。9电机负载斩波电路34++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+110VRSV+-oV220V+-升压变换电路的设计思路:泵升原理5.1.2升压（BOOST）变换器1电路结构和基本原理1）需串联电势才能升压2）利用电感储能3）电感储能释放储能4）二极管隔离输出电压35升压变换器的电路结构保持输出电压储存电能规定电能传递的方向稳态分析时，假设滤波电容非常大升压变换器特点：输出电压高于输入电压362连续导通的工作模式连续导通模式：电感电流连续，

即iL(t)>0开关闭合时：二极管反偏截止，输出被隔离；输入电源向电感中储能开关断开时：输入电源及电感共同向输出侧提供电能。37变压比利用电感上的伏秒平衡原则电流比连续导通模式下的升压变换器可等效为直流升压变压器，变压比可通过占空比D在大于1的范围内连续调节。380uGE0ioI1a)b)图5-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形

☞当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

393断续导通工作模式电感电流临界连续的情况电感电流iL在关断阶段（toff）结束时恰好为零。电感电流临界连续电感电流断续40每个开关周期，电感储能都要传递给输出端。如果负载较轻，不能消耗该能量，将导致电容电压上升Vo过高导致负载侧出现过压或击穿电容。所以

升压变换器不能空载工作。升压变换器工作在断续导通模式时的特殊要求414寄生元件的影响电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际的变压比有所下降。应用时，一般要限制占空比D，使寄生效应不明显。425输出电压的脉动率实际上，电容值有限，

输出电压存在脉动。连续导通模式下，

输出电压脉动率43■例5-4在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：

输出电流平均值为：图5-2a44升压斩波电路的典型应用图5-3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【1】用于直流电动机传动【2】用作单相功率因数校正（PFC）电路【3】用于其他交直流电源中直流电动机传动时，实际电感L值不可能为无穷大，电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态电机的反电动势相当于图5-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图5-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。45V→on时，电枢电流为i1，

i1的初值为I10，得:

V→off时，电枢电流为i2i2的初值为I20，得：

升压斩波电路的典型应用

电路分析46电流连续时，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10

求得：

升压斩波电路的典型应用47用泰勒级数线性近似，得

表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，

以电动机一侧为基准看，可将直流电源看作是被降低到了。

升压斩波电路的典型应用48电枢电流断续时

当t=0时刻i1=I10=0，可求出I20，可写出i2的表达式。当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即

当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态，tx<t0ff是电流断续的条件，即

根据此式可对电路的工作状态作出判断。升压斩波电路的典型应用495.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路a)图5-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形■升降压斩波电路

◆工作原理

☞V导通时，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关断时，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。

50◆基本的数量关系☞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

On---uL=E；Off---uL=-uo51当0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压-----升降压斩波电路。☞电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有

输出功率和输入功率相等

52图5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路

☞V导通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。

☞V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。

☞输出电压的极性与电源电压极性相反。■Cuk斩波电路◆工作原理53◆基本的数量关系☞C的电流在一周期内的平均值应为零☞由L1和L2的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压E的关系

◆明显的优点:其输入电流和输出电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。545.2

复合斩波电路和多相多重斩波电路

5.2.1电流可逆斩波电路

5.2.2桥式可逆斩波电路

5.2.3多相多重斩波电路55■概念

◆复合斩波电路：降压斩波电路+升压斩波电路。

◆多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合■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。5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路56a)图5-7电流可逆斩波电路及其波形a）电路图b）波形

5.2.1电流可逆斩波电路◆电路结构☞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。57☞第3种工作方式下，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。

☞一个周期内，电流不断，响应很快。

◆工作过程☞两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。☞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。585.2.2桥式可逆斩波电路图5-8桥式可逆斩波电路

■桥式可逆斩波电路

◆将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，使电动机可以4象限运行。

◆工作过程

☞V4导通时，等效为图5-7a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。

☞V2导通时，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。595.2.3全桥DC－DC变换器的基本工作原理全桥变换器包括两个桥臂，A和B。每个桥臂由两个开关及其反并联的二极管组成。开关代表某种全控型电力电子器件，所以是单向导电。60每桥臂中两个开关的控制规律互补开关方式：一个开关闭合，另一个开关断开。互补开关方式的优点是：同一桥臂的上下两个开关不会同时断开，这样可保证负载电流是连续的。当电流连续时，变换器的

输出电压仅由开关状态所决定。

TA+闭合，TA-断开时

TA-闭合，TA+断开时61

闭合与导通的概念区分开关闭合时，是否能够导通与负载电流方向有关。当负载电流与开关导电方向相同时，开关闭合后即导通。当负载电流与开关导电方向相反时，则反并联的二极管导通，而开关虽闭合却不导通。死区时间理想情况下，两个开关不会同时断开。而实际应用中，在两个开关切换的瞬间，它们均断开，以避免因桥臂直通而造成直流电源瞬间短路。这段同时断开的时间称为空白时间或死区时间。62

变换器的输出电压

桥臂A的平均输出电压同理，桥臂B的平均输出电压所以，变换器总的输出电压63

变换器的控制方式

双极性PWM控制：在每个开关周期内，负载电压极性正负变化。

单极性PWM控制：在每个开关周期内，负载电压极性不变化。645.2.4双极性PWM控制方式双极性PWM控制方式下，器件的控制规律开关分成两对：P1（TA+,

TB-）和P2（TB+,

TA-）一对中的两个开关同时闭合或断开。两对开关总是一对闭合，另一对断开。（互补）65

开关控制信号

的产生方法（控制信号与三角波比较）P1vANP2vBN66

平均输出电压VoP1P2P1占空比D1P2占空比D2＝1－D1

Vo在＋Vd和－Vd之间跳变，故称双极性控制vAB闭合器件675.2.5单极性PWM控制方式单极性PWM控制方式倍频单极性PWM控制方式685.2.6多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图5-9多相多重斩波电路及其波形a）电路图b）波形

■多相多重斩波电路

◆是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。

◆相数:电源侧的电流脉波数。

◆重数：负载电流脉波数。■3相3重降压斩波电路

◆电路及波形分析

☞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。695.2.6多相多重斩波电路☞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，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。

☞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，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。☞电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。■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，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。70

5.3.1正激电路

5.3.2反激电路

5.3.3半桥电路

5.3.4全桥电路

5.3.5推挽电路

5.3.6全波整流和全桥整流

5.3.7开关电源5.3带隔离的直流直流变流电路715.3带隔离的直流直流变流电路图5-10间接直流变流电路的结构■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节----直—交—直电路。■采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因

◆输出端与输入端需要隔离。

◆某些应用中需要相互隔离的多路输出。

◆输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。◆交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。72正激电路和反激电路属于单端电路半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。■间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大类单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，73SuSiLiSOttttUiOOO图5-11正激电路的原理图图5-12正激电路的理想化波形■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负，因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长。

☞S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为5.3.1正激电路7475BRBSBHO图5-13磁心复位过程

☞开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断，

☞必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。否则导致变压器的激磁电感饱和。◆输出电压

☞输出滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下

◆变压器的磁心复位☞磁心复位所需的时间76SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图5-14反激电路原理图图5-15反激电路的理想化波形☞当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为5.3.2反激电路◆工作过程☞S开通，W1绕组的电流线性增长---电感储能增加。☞S关断，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放，

◆工作模式77☞S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下，所以应该避免负载开路状态78图5-16半桥电路原理图图5-17半桥电路的理想化波形5.3.3半桥电路79

☞S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。◆工作过程80☞S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。

☞S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。☞由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。81

☞滤波电感L的电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下(5-54)◆输出电压82S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图5-18全桥电路原理图

图5-19全桥电路的理想化波形5.3.4全桥电路83S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图5-18全桥电路原理图

图5-19全桥电路的理想化波形☞S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。☞当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。

☞当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。5.3.4全桥电路

◆工作过程☞互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，变占空比可改变输出电压。84☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。磁偏☞如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。防直通85☞滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

(5-55)◆输出电压86S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图5-20推挽电路原理图图5-21推挽电路的理想化波形5.3.5推挽电路87☞当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。

◆工作过程☞推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N’1两端分别形成相位相反的交流电压。☞S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。88☞当滤波电感L的电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-56）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

(5-56)☞如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。◆输出电压89电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功