直流斩波电路

1、第4章 直流斩波电路,DC to DC Converters (DC Choppers),本章主要内容 非隔离型斩波电路 BUCK电路，BOOST电路，BUCK-BOOST电路，CUK电路。 隔离型斩波电路 正激变换电路，反激变换电路，推挽式变换电路，半桥变换电路，全桥逆变电路。,DC to DC Converters,按主电路器件：半控型 / 全控型,直流变换器的分类：,按输入输出电压：降压式 / 升压式 / 升降压式,按工作范围：单象限 / 双象限 / 四象限,按电路结构：单元电路 / 多元电路（单重、多重）,按输入输出电隔离：非隔离 / 隔离 (正激、反激、自激）,按输入滤波结构：电流源

2、 / 电压源,按器件开关方式：硬开关电路 / 软开关电路,DC to DC Converters,4.1 概述,DC/DC直流降压电路,4.1 .1 直流斩波的基本工作原理,直流直流变换方案一: 电阻降压,4.1 .1 直流斩波的基本工作原理,直流直流变换方案二: 串联晶体管,4.1 .1 直流斩波的基本工作原理,直流直流变换方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,4.1 .1 直流斩波的基本工作原理,4.1 .1 直流斩波的基本工作原理,直流直流变换方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,串联LC，滤出谐波,，滤波器的截止频率1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路,4.2.2

3、 升压斩波电路的结构及工作原理,电压升高的原因：电感L储能使电压泵升； 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 ： 升压斩波电路也可看作为直流变压器 注意：升压斩波电路输出电压不可能低于输入电压。占空比不要接近为1， 以免电路损耗。,4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理,电路结构,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,基本工作原理,V导通时，VD截止，电源向电感提供能量，电感储能；负载能量由电容提供。 电容电压极性下正上负，与电源极性相反。,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,基本工作原理,V关断时，电感释放能量，同时提供给负载

4、和向电容充电。 电容电压极性下正上负，与电源极性相反。,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,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,所以输出电压为：,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,结论,改变占空比，改变输出电压大小。 当0D1/2时为降压，当1/2D1时为升压，故称作降升压斩波电路，也称之为buck-boost 变换器。,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,设电源电流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：,其输出功率和输入功率相等，可看作为一升降压直流变压器。 电路特点：负载与电容并联，电容不是无穷大，则

5、电容电压有波动，负载电流也波动；输入电流断续。由于输入和输出电流波动，对电源和负载都产生电磁干扰。,4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理,电路结构 升压斩波电路和降压斩波电路串联而成。两个电感为储能电感，电容为传递能量的耦合电容。,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,V导通时，VD截止。电源向电感L1提供能量，负载能量由电容提供，电感L2储能。 负载电压极性下正上负。,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,V关断时，电感L1释放能量，VD导通。电源和电感L1同时向电容充电。负载由电感L2供电。 一周期中，V关断时，C吸收能量；V导通时，C释放能量，从而将能量从输入端传递到输出端，起

6、到了传递能量的作用。,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,数量关系,对电感L1，一周期内电压积分值为零，有,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,开关导通期间 开关关断期间,数量关系,对电感L2，一周期内电压积分值为零，有,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,开关导通期间 开关关断期间,又有,结论：Cuk电路输出与输入电压关系与升降压电路相同，也是反极性。但输入和输出电流均连续，且脉动小，减小了电路的电磁干扰。,4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理,4.3 隔离型斩波电路,概述,直交直电路。 电路特点： 输出与输入隔离。 需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压比远小于1或远大

7、于1。 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。,概述,分类： 单端电路 变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。 双端电路。 变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,电路结构：降压型斩波电路加变压器。,变压器有直流磁化问题，加磁芯复位电路。,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,工作过程 S开通，变压器感应电动势，VD1导通，电源向负载提供能量，电感上电流逐渐增大。,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,工作过程 S关断，VD1截止，VD2导通，电感释放能量，电感电流逐渐减小

8、。,变压器的磁心复位 S开通后，变压器激磁电流增大，直到S关断，下一周期则在上一周期结束时的电流值上增加，导致变压器激磁电感饱和，损坏开关器件。 须使激磁电流在S关断后到下一次再开通时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,变压器的磁心复位过程 W3与VD3组成磁心复位电路。 S关断后，W3绕组感应电势极性为上正下负，使VD3导通，磁场能量回馈给电源，回路电流逐渐减小为零。 S关断期间，开关承受的电压高于电源电压，为：,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,磁心复位所需的时间为,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,输出电压 输出滤波电感电

9、流连续时,4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理,结论：正激变换电路可看作为具有隔离变压器的降压斩波电路。,电路结构 与升降压电路比较，用变压器代替储能电感，所以变压器不仅起隔离作用，还起储能电感作用。,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理,稳态工作过程 S开通，VD截止，W1电流线性增长，电感储能增加。负载由电容供电。 S关断，W1电流被切断，变压器磁场能量通过W2和VD向输出端释放，提供负载能量，电容充电。 反激：电源能量是在开关关断期间传递到负载侧的。,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理,稳态工作过程 开关器件承受的电压为,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理,工作模式

10、S开通时，W2中电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式，输出输入电压关系为,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理,注意：电路一般工作在电流断续模式，否则会使变压器铁心利用率下降。但是负载为零的极限情况下， ，所以应该避免负载开路状态。,工作模式, S开通前，W2中电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式。,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理, 电路特点,结构简单，元器件数量少，成本低，小功率开关电源中应用。尤其是多电源输出时。 变压器利用率低，开关器件承受的电流峰值大，不适用于较大功率的开关电源。,4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理,电路结构特点 变压器有中心抽头。 二极管既

11、做整流，又做续流。 可看作为两个单端正激组合而成，常用于多端输出电路。,4.3.3 推挽型变换电路的结构及工作原理,工作过程 两个开关交替导通。 S1导通时，VD1也导通，L电流逐渐上升。 S2导通时，VD2处于通态，L电流也逐渐上升。,4.3.3 推挽型变换电路的结构及工作原理,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。 开关断开时，承受2倍电源电压。,S1和S2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50%，还要留有死区。 输出电压 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将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在

12、负载为零的极限情况下,4.3.3 推挽型变换电路的结构及工作原理,电路特点 输入回路只有一个开关，导通压降小。后面的半桥和全桥电路都是两个开关，所以通态损耗小，适合输入电压较低的电源。 开关器件承受2倍电源电压。 两个开关性能不完全相同，两个半周期工作情况不完全对称，有偏磁问题。,4.3.3 推挽型变换电路的结构及工作原理,4.3.4 半桥型变换电路的结构及工作原理,电路结构特点 电源侧两个大电容 两个开关与电源串接,4.3.4 半桥型变换电路的结构及工作原理,工作过程 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，改变开关占空比，可改变二次侧整流电压ud平均值，即改变了输出

13、电压Uo。 S1导通时，VD1导通；S2导通时，VD2导通。当两个开关都关断时，VD1和VD2都导通，各分担一半的电流。,S1或S2导通时L电流逐渐上升； 两个开关都关断时，L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。,4.3.4 半桥型变换电路的结构及工作原理,输出电压 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将高于连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,4.3.4 半桥型变换电路的结构及工作原理

14、,电路特点 变压器利用率高，无偏磁问题； 与全桥电路比，开关器件少，但器件承受电压高； 用于数百瓦至数千瓦的电源。,4.3.4 半桥型变换电路的结构及工作原理,4.3.5 全桥型变换电路的结构及工作原理,电路结构 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，变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。,4.3.5 全桥型变换电路的结构及工作原理,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，变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。,当S1与S4开通后，VD1和VD4导通，L电流逐渐上升。 当S2与S3开通后

15、，VD2和VD3导通，L电流也上升。 4个开关都关断时，4个二极管都导通，各分担一半电感电流，L电流逐渐下降。 S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,4.3.5 全桥型变换电路的结构及工作原理,如S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中含有直流分量，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，可在一次侧回路串一电容，阻断直流电流。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关占空比不能超过50%，还应留有裕量。,4.3.5 全桥型变换电路的结构及工作原理,输出电压 滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于电流连续时的计算值，并随