直流斩波电路工作原理分析.pdf

1 直流斩波电路工作原理分析 直流斩波电路的主要是实现直流电能的变换， 对直流电的电压或电流进行控制。 按照 输入电压与输出电压之间的关系，可以分为六种不同的形式，分别为降压斩波电路 （BUCK） 、 升压斩波电路 （BOOST） 、 升降压斩波电路 （BUCK-BOOST） 、 Cuk 斩波电路、 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。下面分别对它们的工作原理进行简单的介绍。 一降压斩波电路 降压斩波（BUCK）电路的拓扑结构图如 1-1 所示。 Ui + - S D L C RUo Ii Io 图 1-1 BUCK 电路拓扑结构 分析在开关器件导通和关断时，电路的动态工作过程。图 1-1 中实线部分表示开关器 件导通时的回路，虚线部分表示器件关断时的续流回路。在续流过程中，根据电感中的电 流的不同分为，电感电流连续（CCM）和断续（DCM）两种情况。由此可以得到降压斩 波电路的动态工作过程如图 1-2 所示。 Ui + - L C RUo Ii Io a) S 导通时等效电路 L C RUo Io C RUo Io b) S 关断，iL0 时等效电路 c) S 关断，iL=0 时等效电路 图 1-2 BUCK 电路动态工作过程 2 在工作过程中，驱动信号以及电感上的电压和电流波形如图 1-2 所示。 uS uL Ui-Uo -Uo ton toff iL ton toff iL Ui-Uo -Uo 1 a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 1-3 BUCK 电路的工作原理图 由电感器件的伏秒平衡原理， 可以得出在电流连续和断续两种情况下， BUCK 斩波电 路的输出电压。 a) 电感电流连续时，有 ()(1)0 ioo UUD UD （1-1） 化简可得 oi UDU （1-2） b) 电感电流断续时，有 1 ()0 ioo UUD U （1-3） 化简可得 1 oi D UU D （1-4） 由此可以看出，电感电流断续情况下的输出电压更高。 二升压斩波电路 升压斩波（BOOST）电路的拓扑结构如图 2-1 所示。 3 Ui + - S D L C RUo Ii Io 图 2-1 BOOST 电路拓扑结构 在图 2-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的 回路，由此可以得到升压斩波电路的动态工作过程如图 2-2 所示。其中，也分为电感电流 连续和不连续两种状态。 Ui + - L CR Ii Io a) S 导通时等效电路 Ui + - L C RUo Ii Io C RUo Io b) S 关断，iL0 时等效电路 c) S 关断，iL=0 时等效电路 图 2-2 BOOST 电路动态工作过程 分析升压斩波电路的动态工作过程， 可以得到电路中电感两端的电压和流过电感的电 流波形如图 2-3 所示。同样类似于 BUCK 电路，可分为连续和断续两种情况。 4 uS uL Ui-Uo Ui ton toff iL uS uL ton toff iL Ui-Uo 1 Ui a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 2-3 BOOST 电路的工作原理图 同样地根据电感器件的伏秒平衡原理， 可以分别得到在电感电流断续和连续的情况下， BOOST 电路的输出电压。 a) 电感电流连续时，有 ()(1)0 iio U DUUD （2-1） 化简可得 1 1 oi UU D （2-2） b) 电感电流断续时，有 1 ()0 iio U DUU （2-3） 化简可得 1 1 1 oi UU D D （2-4） 由此可以看出，电感电流断续时，BOOST 电路的输出电压也增大。 三升降压斩波电路 升降压斩波电路的拓扑结构如图 3-1 所示。 5 Ui + - SD LCRUo Ii Io 图 3-1 BUCK-BOOST 电路拓扑结构 图 3-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回 路，由此可以得到升压斩波电路的动态工作过程如图 3-2 所示。其中，也分为电感电流连 续和不连续两种状态。 Ui + - L CR Uo Ii Io a) S 导通时等效电路 L CR Uo Io IL CR Uo Io b) S 关断，iL0 时等效电路 c) S 关断，iL=0 时等效电路 图 3-2 BUCK-BOOST 电路动态工作过程 同样地分析 BUCK-BOOST 斩波电路的工作过程， 可以得到电感上的电压和电流波形 如图 3-3 所示。 6 uS uL -Uo Ui ton toff iL uS uL ton toff iL -Uo 1 Ui a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 3-3 BUCK-BOOST 电路的工作原理图 由伏秒平衡原理可得电感电流连续和断续的输出电压，且其极性与输入相反。 a) 电感电流连续时，有 (1)0 io U D UD （3-1） 化简可得 1 oi D UU D （3-2） b) 电感电流断续时，有 1 0 io U D U （3-3） 化简可得 1 oi D UU （3-4） 由此可以看出，电感电流断续时，BUCK-BOOST 斩波电路的输出电压也增大。 四Cuk 斩波电路 Cuk 斩波电路的拓扑结构如图 4-1 所示。 7 Ui + - SD L1 C2RUo Io L2 C1 UC1 IL1 IL2 图 4-1 Cuk 电路拓扑结构 图 4-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回 路， 由此可以得到升压斩波电路的动态工作过程。 这里重点分析电感电流连续时的等效电 路，如图 4-2 所示。 Ui + - L1 C2 R Uo Io L2 C1 IL1 IL2 Ui + - L1 C2 R Uo Io L2 C1 IL1 IL2 a) S 导通时等效电路 b) S 关断时等效电路 图 4-2 电感电流连续时 Cuk 电路动态工作过程 当电容 C1足够大，uC1的脉动很小，可以认为 uC1UC1，由此可以得到电路工作时， 电感两端的电压和流过电感的电流的波形如图 4-3 所示。 8 uS uL1 Ui ton toff iL1 uL2 -Uo Ui-UC1 iL2 UC1- Uo uS uL2 ton toff iL2 2 iL1 uL1 1 Ui Ui-UC1 UC1- Uo -Uo a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 4-3 Cuk 电路的工作原理图 由电感器件的伏秒平衡原理， 可得电感电流断续和连续情况下， Cuk 斩波电路的输出 电压，而且输出与输入的极性相反。 a) 电感电流连续时，有 1 1 ()(1)0 ()(1)0 iiC Coo U DUUD UUDUD （4-1） 化简可得 1 oi D UU D （4-2） b) 电感电流断续时，有 11 12 ()0 ()0 iiC Coo U DUU UUDU （4-3） 化简可得 9 2 1 1 1 oi D UU D D D （4-4） 由此可以看出，电感电流断续时，Cuk 斩波电路的输出电压也增大。一般的情况下， 取两个电感 L1和 L2的值相等，而且电感工作在电流连续状态。 五Sepic 斩波电路 Sepic 斩波电路的拓扑结构如图 5-1 所示。 Ui + - S DL1 C2RUo Io L2 C1 UC1 IL1 IL2 图 5-1 Sepic 电路拓扑结构 图 5-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回 路， 由此可以得到升压斩波电路的动态工作过程。 这里重点分析电感电流连续时的等效电 路，如图 5-2 所示。 Ui + - L1 C2 R Uo Io L2 C1 IL1 IL2 Ui + - L1 C2 R Uo Io L2 C1 IL1 IL2 a) S 导通时等效电路 b) S 关断时等效电路 图 5-2 电感电流连续时 Sepic 电路动态工作过程 类似于 Cuk 斩波电路，当电容 C1足够大，uC1的脉动很小，可以认为 uC1UC1，由 此可以得到 Sepic 电路工作时，电感两端的电压和流过电感的电流的波形如图 5-3 所示。 10 uL1 Ui toff iL1 uL2 Uo Ui-UC1-Uo iL2 -UC1 ton uL2 iL2 2 iL1 uL1 1 Ui -UC1 Uo Ui-UC1-Uo toff a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 5-3 Sepic 电路的工作原理图 由电感器件的伏秒平衡原理，可得电路的输出电压，而且输出与输入极性相同。 a) 电感电流连续时，有 1 1 ()(1)0 (1)0 iiCo Co U DUUUD U DUD （5-1） 化简可得 1 oi D UU D （5-2） b) 电感电流断续时，有 11 12 ()0 0 iiCo Co U DUUU U DU （5-3） 化简可得 2 1 1 1 oi D UU D D D （5-4） 由此可以看出，电感电流断续时，Sepic 斩波电路的输出电压也增大。 11 六Zeta 斩波电路 Zeta 斩波电路的拓扑结构如图 6-1 所示。 Ui + - S D L1 C2 RUo Io C1 UC1 IL1 L2 IL2 图 6-1 Zeta 电路拓扑结构 图 6-1 中，实线部分表示开关器件导通时的回路，虚线部分表示开关器件关断时的回 路， 由此可以得到升压斩波电路的动态工作过程。 这里重点分析电感电流连续时的等效电 路，如图 6-2 所示。 L1 C2 R Uo Io L2 C1 IL1 IL2 Ui + - C2 R Uo Io L2 C1 IL2 L1 IL1 a) S 导通时等效电路 b) S 关断时等效电路 图 6-2 电感电流连续时 Zeta 电路动态工作过程 类似于 Cuk 斩波电路，当电容 C1足够大，uC1的脉动很小，可以认为 uC1UC1，由 此可以得到 Zeta 电路工作时，电感两端的电压和流过电感的电流的波形如图 6-3 所示。 12 uL1 Ui toff iL1 uL2 UC1 iL2 -Uo Ui-UC1-Uo ton uL2 iL2 2 iL1 uL1 1 Ui toff UC1 Ui-UC1-Uo -Uo a) 电感电流连续时波形 b) 电感电流断续时波形 图 6-3 Zeta 电路的工作原理图 由电感器件的伏秒平衡原理，可得电路的输出电压，且输出和输入极性相同。 a) 电感电流连续时，有 1 1 (1)0 ()(1)0 iC iCoo U DUD UUUDUD （5-1） 化简可得 1 oi D UU D （5-2） b) 电感电流断续时，有 11 12 0 ()0 iC iCoo U DU UUUDU （5-3） 化简可得 2 1 1 1 oi D UU D D D （5-4） 由此可以看出，电感电流断续时，Zeta 斩波电路的