降压、升压斩波电力电子

42基本直流斩波电路基本直流斩波电路是指降压BUCK斩波电路、升压BOOST斩波电路、升降压BUCKBOOST斩波电路和丘克CUK斩波电路。本节将对SEPIC斩波电路和ZETA斩波电路一并给予介绍。421降压斩波电路降压斩波电路又称BUCK斩波电路，该电路的特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则高于输入电流。也就是通过该电路的变换可以将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压，并实现电能的转换。降压斩波电路的拓扑结构如图42A所示。图中S是开关器件，可根据应用需要选取不同的电力电子器件，如IGBT、MOSFET、GTR等。L、C为滤波电感和电容，组成低通滤波器，R为负载，VD为续流二极管。当S断开时，VD为提供续流通路。E为输入直LI流电压，为输出电压平均值。当选用IGBT作为开关器件时，降压斩波电路如图42BOU所示。SLERVDUDEILIDIULOICCIOUUCLERVDUDEILIDIULOICCIOUUCTGAS为开关器件BIGBT为开关器件图42降压斩波电路的拓扑结构图根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式。4211电感电流连续导电模式连续导电模式对应电感电流恒大于零的情形。设开关器件T的控制信号为（的GU波形如图44所示）。当为高电平时T导通，为低电平时T关断。T导通与关断时GUGU的等效电路分别如图43A、B所示。电路的工作原理是设电路已处于稳定工作状态，在时，使T导通，因二极管0TVD反向偏置，电感两端电压为，且为正。此时，电源E通过电感L向负载传OLEU递能量，电感中的电流从线性增长至，储能增加。在时刻，使T关断，而I1I2IONT不能突变，故将通过二极管VD续流，L储能消耗在负载R上，线性衰减，储能减LILLI少。此时。由于VD的单向导电性，只能向一个方向流动，即总有0，从OUULILI而在负载R上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值，并控制T周期性地开关，可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然T导通时间愈长，传递到负载的能量愈多，输出电压也就愈高。T导通和关断时各电量的工作波形如图44所示。LCERUOLICIUCULOIEILCERUOLIDIUCULOIEI0CIAT导通VD截止BVD导通T截止图43连续导电模式降压斩波电路等效电路图00T0T0TILI2I1I2IOI1IOIOIOUOUO,UGULTICUCUC0TEUOUOTONTOFF0TTSILIO图44降压斩波电路的工作波形图在期间，T导通，根据等效电路43A，可得出电感L上的电压为ONT（43）DTILU由于电感和电容无损耗，电流从导通时的电流初值线性增长至终值为，因此上式LI1I2I可写成ONLONLOTITIDTIUE12则（44）OLONEIT式中为电感电流的变化量，为输出电压的平均值。12IILU在期间，T关断，VD导通续流，根据图43B的等效电路，电流从线性衰减OFTLI2I至，因此有1IOFLOFLOTITIDTI21即（45）OFU从式（44）和式（45）消去，可得LIOFONTTE即DETTTSONOFN（46）事实上，由于稳态工况下的电感电压波形周期性地重复，又根据假设电感为理想器LU件，故电感电压的平均值在一个周期内必为零。即0DTTDTSONONSTLT0LT0L这就意味着T导通和关断的电压波形面积相等，即ONSOFONTUTTE所以有DETTUSON（47）当输入的直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化，与其它电路参数无关。由于占空比总是小于等于1，所以输出电压总是小于或等于输入电压E。因此，这种DOU斩波电路称为降压斩波电路。由于不考虑电路元件的损耗，则输入功率与输出功率相等，或，OEPOEIU因此输入电流和负载电流之间的关系为EIOIEOIDUI1（48）由图42可知，开关器件T和二极管VD承受的最大电压均为电源电压E。4212电感电流断续导电模式在电感电流连续导电模式下的整个开关周期TS中，电感电流都大于0，且介于与LI1I之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件T关断的期间内，电感电流已2IOFTLI降为零，且保持一定时间，电路有三种工作状态，即T导通，VD截止；T截止，VD导通；T、VD都截止，电感电流为零。电路的工作原理是在时，使T导通，情况与电流0T连续导电模式相同，电感中的电流线性增长至，储能增加。在时刻，使TLIMAXLIONT关断，通过二极管VD续流。但在T的下一个导通周期到来之前，已衰减到零，此时LILI续流二极管VD也截止，T和VD都截止时的等效电路如图45A所示，电感电流断续导电模式的电压电流波形如图45B所示。LCERUOLIUCULEI0OICI0ILUGULT0TEUOUOTON0TTSILIOTOFFTOFFILMAXA等效电路B电压电流波形图45断续状态的等效电路和电压电流波形图LI根据图45的波形可以求得，当T导通时，电感电压为（49）ONLOTIDTIUEMAX电流的大小与T的导通时间有关。MAXLINT当T关断时，电感电压为（410）MAXOFLOTIDIU设，则由式（49）和式（410）可求得SOFTTOSOSUTEDT即EDUO（411）所以O（412）在电感电流断续导电模式下，负载电流平均值为OI211MAXMAXSLSLSOTDITI即21MAXDILO（413）将式（49）和式（412）代人式（413）有（414）12OSOUEDLTI而当等于时，负载电流处于临界连续状态，电感电流临界连续状态的电压电OFTOFTLI流波形如图46所示。0ILULTTONTOFF0TTSEUOUOILBILMAX图46临界状态的电压电流波形图LI4213输出电压纹波在降压斩波电路中，当滤波电容C的容量足够大时，输出电压基本不变，近似为OU恒值。然而电容C的容量总是有限值的，因此输出电压含有纹波分量。在连续导电模式下，假定中所有纹波分量都流过电容，而其直流分量流过负载电阻。在图44的波形中，LILI当时，电容C对负载放电；在时，由电源为C提供充电电流。由于流过电ILII容C的电流在一周期内的平均值为零，那么在TS/2时间内电容充电或放电的电荷量可用图44中阴影面积来表示，即（415）LSLSLOFNIIITQ821221因此，电压纹波的峰峰值为OU（416）LSICT8根据式44和式45可求出开关周期TS为（417）1OOLFONSSUEITFT同时考虑式416和式417，可求出（418）222818SOSSOOLCFDFLCFU由式（418）可以根据电路的技术数据来选择滤波电容的参数。电流连续时的输出电压纹波系数为（419）2218SCSOFDLCFU式中是BUCK电路的开关频率；为LC低通滤波器的固有频率。SSTF1LCFC式（419）说明可以通过选择合适的L、C的值，使，来限制输出纹波电压的CFS大小，而且纹波电压的大小与负载无关。对电流断续方式也可以进行类似的分析。4214临界电感平均电流与临界电感电感电流在一个周期内的平均值与负载电流相等，在电流连续时，可表示为OI（420）21ILO由式（417）可求得电感电流连续工况时电流纹波的峰峰值，即（421）FDEFUISSOOL将式（420）和式（421）代入关系式，可得12IIL（422）121DLETISO当电路处于临界工况时，电感电流在斩波周期结束时，恰好等于零。由图46知，此时，参考式（44），则临界电感电流平均值为01IMAX2LI（423）12221DLETULTESOSONB由式（423）可求得临界电感值为（424）1DITLBS在时，电感电流最大，也即输出电流最大，即50D（425）LEISLBMAX8那么，可以根据电流的临界值来选择电流连续时的最小电感值，其大小为（426）LBMAXSINIT需要指出的是流过开关器件T和二极管VD的电流最大值就是电感电流的最大值，据此可以选择器件的电流参数。由于降压BUCK斩波电路电源的输入电流为断续方式，而负载侧因电感L的存在，所以在电流连续工作情况下，输入电流脉动较大，输出电流脉动相对较小，因此其应用受到一定的限制。但由于电路结构简单，常用在要求不高的场合，如需要降压的直流开关稳压电源和小功率直流电动机的调速。例41斩波电路如图42所示。输人电压为27V10，保持输出电压为15V不变，电路的最大输出功率为120W，最小功率为10W。IGBT饱和导通电阻RT02，轻载时关断时间为5S，忽略开通时间，若工作频率为30KHZ。1求占空比D变化范围；2保证整个工作范围内电感电流连续时的电感L值；3当输出纹波电压时，求滤波电容C值；MVUO104如电感临界电流的平均值ILB4A，求电感LB值，并求在最小输出功率时的占空比；5如电感的等效电阻RL0025，在最低输出电压最大输出功率时，求最大占空比和效率。解1电源电压最大值，最小值，7291027MAXE3241072MINE所以占空比D的变化范围为和。50729/1MIN6170324/15MAXD2由式（47）和式（424）可求得临界电感222DFPUITEUITIETLSOOLBSOLBSBS式中，为电路的输出功率，此处应取最小值10W；为开关频率30KHZ；D应取最小值OPSF0505，则（此处计算结果有误）MHDFULSOB1680510325122）（3由式（418）可求得FFCSO45103168832）（式中，D应取最小值0505。4由式（47）和式（424）可求得ILB4A时的临界电感MHDFIUIETLSLBOBS0315103421212）（当电感值为0031MH时，若输出功率只有10W，此时电路工作在断续状态。设断续状态下的输出电压与输入电压之比为M，则。由式（413）得/EOSOLLOTDLUIIRU22121MAX由式（49）解出得，带入上式并在等式两边同时除以E整理可得MAX1DRTEOSO解得/2UMLO式中。与比较，可知，解得SLRT/DL1822DL（所以2EUMLO进而求得DL1根据已知数据得041310523SLRT当E243V时，M取最大值67EUMO所求占空比250142012DL5设电路工作在连续状态，此时根据有功功率恒定的原理有，2ETOLEIRPI而，则。解得，AUPIOO815/20/285234EIAI3所以4293524/10/）EOIP422升压斩波电路升压斩波电路又称BOOST斩波电路，用于将直流电源电压变换为高于其值的直流输出电压，实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递。采用IGBT作为开关器件的电路拓扑结构如图47所示。LERUOTGBAUTLUDOIDILICUCCI图47升压型斩波电路的拓扑结构图4221电感电流连续导电模式设开关器件T的控制信号为（的波形如图49所示）。当为高电平时T导通，GUGU为低电平时T关断。T导通与关断时的等效电路分别如图48A、B所示。GU电路工作原理是设电路已处于稳定工作状态，在时，使T导通，二极管VD承0T受反压而截止，电源电压E全部加到电感L上，电感中的电流从线性增长至，储LI1I2I能增加；同时由电容C为负载R提供能量，对应的等效电路如图48A所示。在时刻，使为低电平，T关断，因电感电流不能突变，通过VD将存储的ONTGULI能量提供给电容和负载，即电感储能传递到电容、负载侧。电感中的电流从线性减少2I至，储能减少，产生的感应电势阻止电流减少，感应电势，故，对应的1I0LUEO等效电路如图48B所示。T导通和关断工况下各电量的工作波形如图49所示。LRUOLIOIECLUUCLCROILIEUOLUUCAT导通VD截止BVD导通T截止图48连续导电模式升压斩波电路等效电路图由上分析可知，在T导通期间，即期间，因此有ONTEUL（427）ONLONLTITIDTIEU12或（428）ITLON式中为电感L中电流的变化量。而在关断期间，即期间，12IILOFT，有OUEUOFLOFLOTITIDTIUEU21即OFLTIEU（429）所以LOFIT（430）从式（428）和式（430）消去，整理可得LI（431）EDUO1式中占空比，因，所以输出电压总是大于或等于输入电压。当输入SONTTD0直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化，与其它电路参数无关。在理想的情况下，电路的输入功率等于输出功率，即或。因此输EPOOEIU入电流和负载电流之间的关系为EIOI（432）EEOIDIU100T0T0TILI2I1UOUGULTICUC0TEUOTON0TTSILIETOFFEIOIOUO,UCI2IOIO图49升压斩波电路的工作波形图由图47可知，开关器件T和二极管VD承受的最大电压均为输出电压。OU4222电感电流断续导电模式与BUCK电路类似，BOOST电路的工作模式也分连续和断续两种工作状态。当电路处于断续工作状态时，在开关管T关断的期间内，输出电感电流已降为零，且保持到下OFTLI一个周期开始。电路同样有三种工作状态，即T导通，VD截止；T截止，VD导通；T、VD都截止。电路的工作原理是电路的工作原理是在时，使T导通，情况与0T电流连续导电模式相同，电感中的电流线性增长至，储能增加。在时刻，LIMAXLIONT使T关断，通过二极管VD同时给电容C充电和为负载R提供能量。但在T下一个导通LI周期到来之前，已衰减到零，从而出现电流的断续现象，此时T、VD都截止。T、VD都截止时的等效电路如图410A所示，电感电流断续模式下的电压电流波形如图410B所示。RLEUTLI0LUUOOIC0ILUGULT0TEUOETON0TTSILIOTOFFTOFFILMAXA等效电路B电压电流波形图410断续状态的等效电路和电压电流波形图LI当T导通时，电感电压为（433）ONLLTIDTIEUMAX式中电流为电感电流最大值，也是电感电流的增量。MAXLI当T关断时，电感电压为（434）MAXOFLOLTIDTIUEU设，则由式（433）和式（434）可求得SOFT（435）DO而电源E的输出平均电流就等于电感的平均电流，通过图410B用三角形的原理得到，即（436）211MAXAXSLONLSELTITITI又有由式（433）得（437）DTISONLMAX由式（437）和式（436）整理得（438）2TEISL式（438）包含两个部分，第一部分为T导通时，电感从电源E获取的电流平均值，L即为；第二部分则为T关断时，流过二极管VD的平均电流，即为。STDLE2STDL2由于在一个斩波周期TS内，流过电容的电流平均值为零，所以在电感电流断续导电模式下，流过负载R的平均电流就是流过二极管VD的平均电流。因此，电路输出的平均电流为（439）DLETISO2事实上，由图410B的电流波形可以看出，负载电流平均值为，将2/MAXLOI式（437）代入同样可得到式（439）。在断续导电模式下，如果不能在每一个开关周期里对进行控制，则从电源端供给电OU容和负载的能量至少为。而当负载不能吸收这些能量时，2/2/MAXLEDTLIS电容电压将会升高，直到能量平衡为止。因此在轻负载时，的上升可能导致电容器的击O穿或出现危害性的高电压，可见这种电路不能工作于轻载或空载情况下。当图410B中的等于时，电感电流处于临界连续状态，其电压电流波形如图OFTOFTLI411所示。0ILULTTONTOFF0TTSEU0ILBILMAXE图411临界状态的电压电流波形图LI4223输出电压纹波由图49可知，升压斩波电路在连续工作状态时输出电压的纹波为三角波，假设流过二极管VD的纹波电流分量全部流过电容C，而平均电流流过负载电阻R，图中阴影部分表示电荷，输出电压纹波的峰峰电压为QONONTTCCODIIQU001（440）DTRITSOSON所以（441）CSOTU式中，为时间常数。根据电路的技术数据的要求，由式（441）可选择滤波电容RC的参数。4224临界电感平均电流与临界电感从式（428）和式（430）可得（442）LOOFNSSIEUTFT1则（443）FDLFEISOS式中是电感电流连续工况时电流纹波的峰峰值。电感电流在一个斩波周12IL期内的平均值与电源电流相等，其大小为EI（444）21IL当电路处于临界工况时，则临界电感电流平均值为01ILLIMAX（445）FEDIISLMAXEBL由式（445）可求得电感电流临界连续时的电感值，为（446）LBSBIF2根据式（432），输出电流的连续临界值可表示为，即OIOBI（447）121DFEIDISBOB当时，有最大值，可表示为50D（448）LTISOBMAX8由此，可以根据负载电流的临界值来选择负载电流临界连续时的最小电感值，为（449）LBMAXSOINIE以上讨论是基于电路在输出功率减少时电源电压和占空比均保持不变的假设条件，D常用于直流调速系统中，在这样的系统中，通常要求电源电压不变，而输出电压则随电OU动机转速变化要求在大范围调整（通过改变占空比）。相反在常用的直流开关电源设备中，其输出电压为恒值，对于这种情况，为了维持维持恒定不变，在发生变化时，OUOUE占空比必须随之调整。D在式（447）中，由于电源电压不变，所以输出电流的连续临界值只与占空比EOI有关。如考虑维持恒定不变，并将式（447）中的替换为表示，则在临界连续DOUEU条件下，将式（431）代入式（447）并将输出临界连续电流用表示，可得BEOI（450）212DLFISOOBE当D1/3时，有最大值并可表示为（451）UTIOSOBEMAX27在输出电流断续时，将式（435）代入式（439）并参考式（451），整理OI可得（452）21/274OBEMAXOOIUED由式（452）可见，在断续状态下，若保持为定值，占空比必须随的变DOI化而调整。同样由工作波形可知，不论在电流连续还是断续的情况下，流过开关器件T和二极管VD电流的最大值和最小值与电感电流相同。在升压BOOST斩波电路中，由于电感L的存在，输入电流连续。但在开关器件T导通时，负载由电容C提供电源。因此输入电流脉动较小，而输出电流脉动相对较大，通常被应用于电池供电设备中的升压开关稳压电源和功率因数校正PFC电路等场合。例42升压斩波电路如图47所示。设输人电压为27V10，输出电压为45V，输出功率为750W，效率为95，若电感的等效电阻RL005，IGBT为理想开关器件。1求最大占空比；2如要求输出电压为60V是否可能为什么解1输入电流的平均值为，设恒定不变，则,EPIO/I1/DRIEUO所以OOOEPRUID/11当E取最小值时，D为最大值，即243V072MIN5059/345AX2如果要求输出电压为60V，此时占空比D为620603495/732460/OMAXUERPD理论上说明此电路是可以输出60V电压的。