第五章：直流斩波

第5章

直流变换器(DC-DC变换器)2023/2/61北京交通大学电气工程学院本章内容5.1

降压变换器（BUCK变换器）5.2

升压变换器（BOOST变换器）5.3

升降压变换器（BUCK--BOOST变换器）5.4

丘克变换器（CUK变换器）5.5多象限直流变换器5.6多相多重直直变换器5.7带隔离变压器的直—直变换器2023/2/62北京交通大学电气工程学院概述1、直流电压的调节方式（1）线性调节方式通过与负载相串联的线性元件来调节电压损耗大、效率低（2）开关调节方式通过电子开关的闭合/断开来调节电压2023/2/63北京交通大学电气工程学院2、直—直变换采用开关调节方式3、直—直变换技术的应用直流调速系统：如地铁动车、无轨电车、其它蓄电池供电的电动车辆等，在此领域称直流斩波技术开关电源：如通信电源、电脑、移动电话电源等，在此领域称直—直变换技术2023/2/64北京交通大学电气工程学院4、直—直变换器的分类：根据输入、输出电压大小分为：降压型U0<UiBuck型升压型U0>UiBoost型升－降压型Buck-Boost型

Cuk型根据输出电压、输出电流方向分为：第一象限Uo>0,Io>0第二象限Uo>0,Io<0两象限四象限2023/2/65北京交通大学电气工程学院根据是否带隔离变压器分为：不带隔离变压器型带隔离变压器型2023/2/66北京交通大学电气工程学院降压变换器的电路拓扑5、构成直—直变换器的三要素☆：三要素：开关管、储能电感、续流二极管。这三者可以有不同的连接方式，从而构成不同类型的直—直变换器，如降压、升压、升—降压等变换器。2023/2/67北京交通大学电气工程学院6、直—直变换器的控制方式☆基本控制方式：调节ton/T

定频调宽控制（PWM）T不变，调节ton

定宽调频控制（PFM）ton

不变，调节

T

toff

不变，调节ton

和

T

调频调宽混合控制BUCK变换器2023/2/68北京交通大学电气工程学院8、基础知识：电感、电容的工作特性。7、本章将讨论直—直变换器的工作原理和稳态工作特性，在分析过程中基于以下几点假设：电路中的开关管、二极管均为理想器件；电路中的电感、电容均为理想器件。2023/2/69北京交通大学电气工程学院5.1降压变换器（BUCK变换器）2、工作原理S闭合，Ud通过L向R供能，iL增大，L储能增加；S断开，iL通过D续流，L上的能量消耗在R上，iL下降；Uo=0~Ud

视iL是否连续，分为连续导电模式和不连续导电模式☆功率开关器件滤波电容储能电感续流二极管一、电路结构与工作原理1、电路结构2023/2/610北京交通大学电气工程学院二、连续导电模式☆1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=IL忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo分析波形的方法：①

开关元件状态；②

电感电压；③

电感电流；④

其它元件的电流。BUCK变换器is2023/2/611北京交通大学电气工程学院BUCK变换器isis2023/2/612北京交通大学电气工程学院2、电量计算稳态时，一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等 即 所以

得：由 得：BUCK变换器2023/2/613北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、如图所示电路，试分析若出现以下情况会造成什么后果？2、若Ｄ增大，负载平均电流Io、电感平均电流IL、开关管平均电流Id、二极管平均电流ID将如何变化？①Ｄ开路②Ｃ开路③R开路2023/2/614北京交通大学电气工程学院5.2升压变换器（BOOST变换器）2、工作原理S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电；S断开，iL通过D向C和R供电，

iL下降；Uo=Ud~∞视iL是否连续，分为连续导电模式和不连续导电模式☆储能电感滤波电容一、结构与工作原理1、电路结构2023/2/615北京交通大学电气工程学院二、连续导电模式☆1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=ID，Id=IL忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoBOOST变换器is2023/2/616北京交通大学电气工程学院2、电量计算稳态时，一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等BOOST变换器2023/2/617北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、如图所示电路，试分析若出现以下情况会造成什么后果？①Ｄ开路②Ｃ开路③R开路2、若Ｄ增大，负载平均电流Io、电感平均电流IL、开关管平均电流Is、二极管平均电流ID将如何变化？2023/2/618北京交通大学电气工程学院5.3升降压变换器

（BUCK--BOOST变换器）2、工作原理S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电；S断开，iL通过D向C和R供电，iL下降；Uo=0~∞

视iL是否连续，分为连续导电模式和不连续导电模式☆。一、电路结构与工作原理1、电路结构2023/2/619北京交通大学电气工程学院二、连续导电模式☆1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=ID=IL-Id忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoBUCK--BOOST变换器2023/2/620北京交通大学电气工程学院2、电量计算BUCK--BOOST变换器2023/2/621北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、如图所示电路，试分析若出现以下情况会造成什么后果？①Ｄ开路②Ｃ开路③R开路2、若Ｄ增大，负载平均电流Io、电感平均电流IL、开关管平均电流Is、二极管平均电流ID将如何变化？3、输入电流id是否连续？2023/2/622北京交通大学电气工程学院5.4丘克变换器（CUK变换器）一、电路结构与工作原理1、电路结构L1、C1为能量传递元件；L2、C2为滤波元件2023/2/623北京交通大学电气工程学院S闭合，D截止，Ud向L1充电→iL1增大；C1向L2

、C2和负载供电，iL2增大；S断开，D导通，Ud和L给C1充电，iL1减小；负载由L2和C2供电，iL2减小；Uo=0~∞CUK变换器视iL1是否连续，分为连续导电模式和不连续导电模式☆。2、工作原理2023/2/624北京交通大学电气工程学院二、连续导电模式1、波形分析稳态时，UC1

、Uo基本恒定，IC1=0，IC2=0，UL1=0，UL2=0忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoId=IL1，Io=IL2CUK变换器2023/2/625北京交通大学电气工程学院1、波形分析稳态时，UC1

、Uo基本恒定，IC1=0，IC2=0，UL1=0，UL2=0忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoId=IL1，Io=IL2CUK变换器2023/2/626北京交通大学电气工程学院2、电量计算CUK变换器2023/2/627北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、在BOOST电路中，若输入电压Ui=10.0V，占空比D=0.7，则输出电压Uo=

。

2、判断对错（1）Buck—BoostDC—DC变换器：①在连续工作状态下，输入电流是连续的②属于一象限DC—DC变换器③在连续工作状态下，若输入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈线性关系④是升降压DC—DC变换器⑤连续工作状态是指负载电流连续2023/2/628北京交通大学电气工程学院课堂思考

判断对错（2）DC-DC变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动分量越小。（3）在DC-DC变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动分量越小。（4）在DC-DC变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动分量越小。2023/2/629北京交通大学电气工程学院5.1~5.4小结1、直流—直流（DC—DC）变换器——把一种直流电变换成另一种直流电的电力电子装置。2、了解DC—DC变换器的分类、基本控制方法。3、理解DC—DC变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响。4、对于前三种基本DC—DC变换器，掌握以下要求：①能画电路图、并能叙述其工作原理；②能画各元件上的电压、电流波形（重点是uL、iL波形，难点是ic波形）；③会推导Uo/Ud=f(D)的关系式。④会计算电量2023/2/630北京交通大学电气工程学院5.5多象限直流变换器一、桥臂式两象限直流变换器（A型直流变换器）1、电动状态：T2始终关断，T1、D1交替导通，UL>E，iA>0。2、再生状态：

T1始终关断，T2、D2交替导通，UL<E

，iA<0。3、特点

UL>0，iA可正可负，位于第一、二象限

能量双向流动2023/2/631北京交通大学电气工程学院二、混合桥式两象限直流变换器（B型直流变换器）1、电动状态：T1始终导通，D1始终截止，T2、D2交替导通，UL>E>0，iA>0。2、再生状态：T1始终关断，D1始终导通，

T2、D2交替导通，

UL<0，E<0，[UL]<[E]，iA>0。3、特点：iA>0，UL可正可负，位于

第一、四象限。2023/2/632北京交通大学电气工程学院三、四象限直流变换器T1、D2＋T4、D3＝B型两象限斩波器

iA>0，VL可正可负，位于第一、四象限。T2、D1＋T3、D4＝B型两象限斩波器（左右翻转）

iA<0，VL可正可负，位于第二、三象限。组合后iA

、UL极性均可

变，电机可四象限运行。多种控制方法2023/2/633北京交通大学电气工程学院5.6多相多重直直变换器减小输入、输出脉动：提高开关频率f采用多相多重电路多相－－从电源侧看多重－－从负载侧看二相二重斩波器（图a）二相一重斩波器（图b）2023/2/634北京交通大学电气工程学院例：3相3重直直变换器1、电路结构由三个相同的BUCK变换器组成，Lo远大于L。2、工作原理在一个工作周期Ts中，T1、T2、T3运依次各通、断一次；导通时间的起点相差Ts/3导通时间（ton）、占空比D(D=ton/Ts)相同2023/2/635北京交通大学电气工程学院例：3相3重直直变换器（续）3、基本电量关系负载电流： io(t)=i1(t)+i2(t)+i3(t)负载平均电流：Io=3I1=3I2=3I3负载平均电压： Uo=U1=U2=U3=D*Ud输入电流： id(t)=iT1(t)+iT2(t)+iT3(t)id、io的脉动频率为

3fS，脉动频率提高，脉动分量减小4、波形分析2023/2/636北京交通大学电气工程学院课堂思考

1、设一直流电动机负载由斩波器供电，要求电动机可工作在电动状态和发电制动状态，下列哪些电路可满足要求?①BUCK斩波器 ②BOOST斩波器③BUCK—BOOST斩波器④CUK斩波器 ⑤A型两象限斩波器⑥B型两象限斩波器 ⑦四象限斩波器2023/2/637北京交通大学电气工程学院课堂思考

2、图示斩波电路，设晶闸管的开关频率为fs，则：①输入电流的脉动频率为？②输出电流的脉动频率为？3、多相多重斩波电路，“重”数越多，则：①输入电流的脉动频率？②负载电流的脉动频率？

③负载电流的脉动分量？

2023/2/638北京交通大学电气工程学院5.7带隔离变压器的直直变换器为什么要加隔离变压器？多路输出电源，各输出端需要用变压器隔离输入/输出电压差别很大，需要用变压器变压开关电源往往都有多路输出，因此带隔离变压器的直直变换器是开关电源的基础。2023/2/639北京交通大学电气工程学院由基本直直变换器派生而来由降压变换器派生的电路单端正激变换器混合桥式变换器电压型推挽变换器电压型半桥变换器电压型全桥变换器由升压变换器派生的电路：电流型推挽变换器由升-降压变换器派生的电路：单端反激变换器

2023/2/640北京交通大学电气工程学院一、单端正激式（Forward）变换器（一）理想单端正激式变换器不考虑变压器激磁电抗和漏抗2、工作原理

开关闭合：D1正偏导通，D2反偏截止，uL>0，iL线性增大；

开关断开：D2续流，uL<0，iL线性减小。1、电路结构2023/2/641北京交通大学电气工程学院电路达到稳态后：输出电压Uo与占空比D成正比，与降压变换器类似。2023/2/642北京交通大学电气工程学院实际上该电路不能使用，原因是：①

变压器有激磁电感Lm，开关断开过程中激磁能量无处泄放→变压器绕组产生很高的电压→击穿开关管②即使开关管没被击穿，变压器激磁能量的增加→变压器磁通饱和→变压器绕组短路→开关管过流损坏

☆单端变换器必须要有一个泄放变压器激磁能量的回路，使变压器磁通复位！2023/2/643北京交通大学电气工程学院理想单端正激式变换器（续）3、单端变换器必须遵循的原则——磁通复位（去磁）原则☆要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加，导致磁芯饱和，造成开关管损坏。2023/2/644北京交通大学电气工程学院（二）、实用单端正激式变换器1、电路结构N1：原边绕组N2：副边绕组N3：去磁绕组2023/2/645北京交通大学电气工程学院实用单端正激式变换器（续）S断开，去磁期间(ton~ton+tm)：D1截止，D2、D3导通，iL

、im线性减小，im经N3、D3反馈到电源Ud中2、工作原理/波形分析☆Ｓ断开，去磁以后(ton+tm~Ts)：D1、D3截止，D2导通，iL线性减小。S闭合(0~ton)：D1导通，D2、D3截止，iL、im线性增长假设iL连续，并且在每个周期内变压器中的激磁能量都能泄放完，变压器不饱和，激磁电感Lm不变。2023/2/646北京交通大学电气工程学院usuD2i1①S闭合(0~ton)：D1导通，D2、D3截止，iL、im线性增长。2023/2/647北京交通大学电气工程学院usuD2i1②S断开，去磁期间(ton~ton+tm)：D1截止，D2、D3导通，iL、im线性减小，im经N3、D3反馈到电源Ud中。2023/2/648北京交通大学电气工程学院usuD2i1②S断开，去磁期间(ton~ton+tm)：通常取：N3=N1，Dmax=0.52023/2/649北京交通大学电气工程学院usuD2i1③Ｓ断开，去磁以后(ton+tm~Ts)：D1、D3截止，D2导通，iL线性减小。2023/2/650北京交通大学电气工程学院实用单端正激式变换器（续）3、基本关系

Ｓ承受最大电压：

D1承受最大电压：

D2承受最大电压：

D3承受最大电压：通常取：N3=N12023/2/651北京交通大学电气工程学院实用单端正激式变换器（续）

☆如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-36）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo=(N2/N1)Ud。2023/2/652北京交通大学电气工程学院实用单端正激式变换器（续）4、单端正激式变换器实例2023/2/653北京交通大学电气工程学院（三）双管单端正激式变换器2023/2/654北京交通大学电气工程学院（四）脉冲变压器隔离驱动电路

（单端正激式变换器）TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E22023/2/655北京交通大学电气工程学院二、单端反激式（Flyback）变换器1、电路结构_+☆变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。2023/2/656北京交通大学电气工程学院2、工作原理_+（1）S导通：Ud加到原边绕组上，u1=Ud→副边感应出下+/上-的电压，u2=(N2/N1)Ud，D反偏截止→变压器储能（相当于一个储能电感，电感值等于绕组N1的电感值L1）→

i1线性增大，i1=(Ud/L1)t。2023/2/657北京交通大学电气工程学院2、工作原理_+（2）S截止：变压器绕组N1中储存的能量瞬间转移到绕组N2中，副边感应出下-

/上+的电压，u2=-Uo

→

D导通，变压器向负载释放能量→

i2线性下降，i2=I2max-(Ud/L2)t（这时变压器的电感值等于绕组N2的电感值L2）。2023/2/658北京交通大学电气工程学院反激式（Flyback）变换器（续）3、波形分析

根据i2在一周期结束前是否为零可分为断续工况、连续工况2023/2/659北京交通大学电气工程学院反激式（Flyback）变换器（续）Ｓ承受最大电压：D承受最大电压：4、基本关系

☆在断续工况下，输出电压高于式（5-53）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo→∞，因此该变换器的负载不能开路。2023/2/660北京交通大学电气工程学院反激式（Flyback）变换器（续）5、单端反激式变换器实例2023/2/661北京交通大学电气工程学院三、推挽式（Push-pull）变换器1、电路结构变压器原边电路：电压型推挽逆变电路。变压器副边电路：全波整流电路。两个Forward变换器的组合，开关管T1、T2轮流导通，变压器铁芯交变磁化。2023/2/662北京交通大学电气工程学院2、工作原理☆T1导通、T2截止：

u11=Ud，uoi=(N2/N1)Ud，uL=(N2/N1Ud)-Uo，D1正偏导通，iD1=iL线性增长，D2反偏截止，iD2=０。T1截止、T2导通：u12=-Ud，uoi=(N2/N1)Ud，uL=(N2/N1)Ud-Uo，D1反偏截止，iD１=０，D2正偏导通，iD2=iL线性增长。2023/2/663北京交通大学电气工程学院T1、T2都截止：uoi=0，D1、D2同时续流，若不考虑激磁电流，则iD1=iD2=iL/2。

uL=-Uo，iL线性下降。☆注：T1和T2同时导通，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！

☆根据iL是否连续可分为连续工况和断续工况。2023/2/664北京交通大学电气工程学院推挽式（Push-pull）变换器（续）4、特点分析☆

如果两个开关导通时间不对称，使会变压器中存在直流分量，因此容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。3、波形分析☆2023/2/665北京交通大学电气工程学院推挽式（Push-pull）变换器（续）5、基本关系

原边T承受最大电压：原边D承受最大电压：副边D承受最大电压：

☆如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-58）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo=(N2/N1)Ud。2023/2/666北京交通大学电气工程学院推挽式（Push-pull）变换器（续）6、推挽式变换器实例2023/2/667北京交通大学电气工程学院四、半桥式（Half-bridge）变换器1、电路结构变压器原边电路：电压型半桥逆变电路。变压器副边电路：全波整流电路。☆注：T1和T2同时导通将造成桥臂贯穿短路，因此应避免两个开关同时导通！2023/2/668北京交通大学电气工程学院T1与T2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ud/2的交流电压。改变开关的占空比，就可改变输出电压Uo。T1导通时，D1处于通态；T2导通时，D2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，D1和D2都处于通态，各分担一半的电流。T1或T2导通时电感L的电流逐渐上升，T1和T2都关断时，电感L的电流逐渐下降。2、工作原理（与推挽式类似）2023/2/669北京交通大学电气工程学院3、主要波形（与推挽式类似）4、特点分析☆

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。2023/2/670北京交通大学电气工程学院半桥式（Half-bridge）变换器（续）5、基本关系原边T承受最大电压：副边D承受最大电压：

☆如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-59）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo=(N2/N1)(Ud/2)。2023/2/671北京交通大学电气工程学院半桥式（Half-bridge）变换器（续）6、半桥式变换器实例2023/2/672北京交通大学电气工程学院五、全桥式（Full-bridge）变换器1、电路结构变压器原边电路：电压型全桥逆变电路。变压器副边电路：全波整流电路。☆注：T1和T2（或T1和T2

）同时导通将造成桥臂贯穿短路，因此应避免同一个桥臂上两个开关同时导通！2023/2/673北京交通大学电气工程学院2、工作原理（与推挽式类似）互为对角的两个开关同时导通，同一桥臂上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ud的交流电压，改变占空比就可以改变电压Uo。当T1与T4开通后，二极管D1处于通态；T2与T3开通后，D2处于通态。当4个开关都关断时，D1和D2都处于通态，各分担一半的电感电流。T1与T4开通或T2与T3开通时，电感L的电流逐渐上升，4个开关管都关断时，电感L的电流逐渐下降。2023/2/674北京交通大学电气工程学院3、主要波形（与推挽式类似）4、特点分析☆如果T1、T4与T2、T3的导通时间不对称，则交流电压u1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，也可以在一次侧回路串联一个电容（见实例中的Cb），以阻断直流电流。2023/2/675北京交通大学电气工程学院全桥式（Full-bridge）变换器（续）5、基本关系

原边T承受最大电压：副边D承受最大电压：☆如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-60）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo=(N2/N1)Ud。2023/2/676北京交通大学电气工程学院全桥式（Full-bridge）变换器（续）6、全桥式变换器实例2023/2/677北京交通大学电气工程学院五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较☆电路结构变压器利用率（单端、双端）激磁能量（去磁方法）开关器件电压应力功率等级（应用场合）驱动难易程度可靠性（短路、偏磁）2023/2/678北京交通大学电气工程学院五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较☆单端正激单端反激推挽半桥全桥电路结构简单←复杂←←变压器利用率低（单向激磁）←←高（双向激磁）←←←←开关器件所受应力大UTmax=（1+N1/N3)Ud←UTmax=Ud+（N1/N2)Uo←UTmax=2Ud小UTmax=Ud←UTmax=Ud激磁能量去向反馈到电源消耗于负载←←←2023/2/679北京交通大学电气工程学院五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较☆单端正激单端反激推挽半桥全桥功率等级较大几百W~几KW小几W~几十W较大几百W~几KW较大几百W~几KW最大几百W~几百KW驱动难易程度易←←难必须要隔离驱动←←可靠性（贯穿短路、偏磁）高←差有偏磁问题←有贯穿短路问题←有偏磁、贯穿短路问题2023/2/680北京交通大学电气工程学院五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较☆单端正激单端反激推挽半桥全桥占空比D<0.5D<1D<0.5D<0.5D<0.5Uo/Ud(N2/N1)D(N2/N1)(D/1-D)2(N2/N1)D(N2/N1)D2(N2/N1)D开关数量少（1）少（1）多（2）多（2）最多（4）2023/2/681北京