第5章 直流斩波

1、第五章 直流斩波电路本章主要内容本章主要内容l基本斩波电路基本斩波电路l复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路l带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路DC to DC Converters基本斩波电路基本斩波电路l降压降压斩波电路斩波电路 Buck converter (Step-down converter)l升压斩波电路升压斩波电路 Boost converter (Step-up converter)l降升压斩波电路和降升压斩波电路和Cuk电路电路 Buck-Boost converter (Step-down/step-up converter) and

2、 Cuk converterDC to DC Converters直流斩波电路直流斩波电路（DC Chopper）v将恒定的直流电变为另一固定电压或将恒定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电可调电压的直流电v也称为直流也称为直流-直流变换器直流变换器（DC/DC Converter）v一般指直接将一种直流电变为另一直一般指直接将一种直流电变为另一直流电，不包括直流流电，不包括直流交流交流直流变换直流变换电路电路概概 述述 直流斩波电路的种类直流斩波电路的种类v6 6种基本斩波电路：种基本斩波电路：降压斩波电路、升降压斩波电路、升压斩波电路压斩波电路、降升压斩波电路、降升压斩波电路、Cuk

3、斩波电路、斩波电路、Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩斩波电路波电路v复合斩波电路复合斩波电路不同结构不同结构基本斩波电基本斩波电路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路斩波电路v多相多重斩波电路多相多重斩波电路相同结构相同结构基本斩基本斩波电路组合波电路组合概概 述述 电路结构电路结构典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，大多数情况为反电动势负载池负载，大多数情况为反电动势负载 降压斩波电路Buck Chopper工作原理工作原理vt t=0=0时刻驱动时刻驱动V V导通，电导通，电源源E E向负载供

4、电，负载向负载供电，负载电压电压u uo o= =E E，负载电流，负载电流i io o按指数曲线上升按指数曲线上升vt t= =t t1 1时刻控制时刻控制V V关断，关断，二极管二极管VDVD续流，负载电续流，负载电压压u uo o近似为零，负载电近似为零，负载电流呈指数曲线下降流呈指数曲线下降v通常串接较大电感通常串接较大电感L L使使负载电流连续且脉动小负载电流连续且脉动小降压斩波电路Buck Chopper降压斩波电路Buck Chopperv电路稳态时，负载电流在电路稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等一个周期的初值和终值相等负载电压平均值：负载电压平均值：EETtEtttU

5、onoffonono（3-1）t tononVV导通的时间导通的时间 t toffoffVV断开的时间断开的时间 a-a-导通占空比导通占空比Duty cycle输出负载电压平均值最大输出负载电压平均值最大为为E E，改变占空比可改变输，改变占空比可改变输出电压大小，所以此电路出电压大小，所以此电路为为降压斩波电路降压斩波电路REUIMoo（3-2）v 电流断续，电流断续，U Uo o被抬被抬高，一般不希望出现高，一般不希望出现 负载电流平均值：负载电流平均值：降压斩波电路Buck Chopper 斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式开关周期开关周期T不变，改变导通时间不变，改变导通时间t

6、on 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 （Pulse Width Modulation）导通时间导通时间ton不变，改变开关周期不变，改变开关周期T T 频率调制频率调制ton和和T T都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型混合型此种方式应此种方式应用最多用最多降压斩波电路Buck Chopper降压斩波电路Buck Chopperv V V导通期间，有导通期间，有EERidtdiLM11初值为初值为10IRL /则则）（tMteREEeIi1101v V V关断期间，有关断期间，有022MERidtdiL初值为初值为20I则则）（ononttMtteREeIi1202降压斩波电路Buck Cho

7、pperv电流连续时，有电流连续时，有）（2210tiI）（1120tiIv根据前面两个方程，可根据前面两个方程，可求出求出V V导通状态和关断状导通状态和关断状态时电流表达式态时电流表达式v如果平波电抗器电感为如果平波电抗器电感为无穷大，则负载电流平直无穷大，则负载电流平直TIETRIoM2ov 由于由于L为无穷大，故负载电流维持为为无穷大，故负载电流维持为Io不变不变v 电源只在电源只在V V处于通态时提供能量，为处于通态时提供能量，为v 在整个周期在整个周期T中，负载一直消耗能量，消耗的能量为中，负载一直消耗能量，消耗的能量为onotEI降压斩波电路Buck Chopper输出功率等于输

8、入功率输出功率等于输入功率一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的一周期中，忽略损耗，电源提供的能量与负载消耗的能量相等能量相等TIETRItEIoMoono2ooon1IITtIooo1IUEIEI降压斩波电路Buck ChopperREEIMo负载电流连续情况下，电源电流平均值为负载电流连续情况下，电源电流平均值为电源侧电流小于等于负载电流电源侧电流小于等于负载电流 I I1010=0=0，且，且t t= =t tx x时，时，i i2 2=0=0式（式（3-73-7）式（式（3-63-6）memt)1 (1lnxtx11，输出电压高于电源电压，故为，输出电压高于电源电压，故为升压斩

9、波电路Boost Chopper电路数量关系电路数量关系升压比，调节升压比可改变输出电压大小升压比，调节升压比可改变输出电压大小升压比的倒数记作升压比的倒数记作 ，即，即 和和的关系为：的关系为：电路输出电压又可表示为电路输出电压又可表示为 off/tT1EEU111oTtoff升压斩波电路Boost Chopper电压升高的原因：电感电压升高的原因：电感L储能使储能使电压泵升电压泵升 电容电容C可将输出电压可将输出电压保持保持住住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载负载R消耗，即消耗，即 ： oo1IUEI 输出电流的平均值输出电流的平

10、均值I Io o为：为：RERUI1oo电源电流的平均值电源电流的平均值I I1 1为：为：REIEUI2oo11升压斩波电路Boost Chopper降升压斩波电路降升压斩波电路(buck -boost Chopper) 电路结构电路结构降升压斩波电路和Cuk电路基本工作原理基本工作原理vS通时，电源经通时，电源经S向向L供电使其贮能，此时供电使其贮能，此时电流为电流为i1。同时，。同时，C维持输出电压恒定并向维持输出电压恒定并向负载负载R供电供电降升压斩波电路和Cuk电路SVoRViL+C-基本工作原理基本工作原理降升压斩波电路和Cuk电路VoRViL+C-图图3-4 3-4 降升压斩波电

11、路及其波形降升压斩波电路及其波形a a）电路图电路图 b b）波形）波形降升压斩波电路和Cuk电路数量关系数量关系稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电压两端电压uL对时间的积分对时间的积分为零，即为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态处于通态u uL L = = E EV处于断态处于断态u uL L = - = - u uo ooffoontUtE降升压斩波电路和Cuk电路v右图给出了电源电流右图给出了电源电流i1和负载电流和负载电流i2的波形，设的波形，设两者的平均值分别为两者的平均值分别为I1和和I2，当电

12、流脉动足够小，当电流脉动足够小时，有：时，有：offon21ttII由上式得：由上式得：11onoff21IIttI 结论结论v当当0 1/2时为降压，当时为降压，当1/21/2 11时为升压，时为升压，故称作故称作，也称之为，也称之为buck-boost buck-boost 变换变换器器v其输出功率和输入功率相等，可看作其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器直流变压器2o1IUEI 降升压斩波电路和Cuk电路EU1oCuk斩波电路斩波电路V通时，通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路有电流回路有电流V断时，断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路有电流回路有电流输出电压的极性与电

13、源电压极性相反输出电压的极性与电源电压极性相反电路相当于开关电路相当于开关S在在A、B两点之间交替切换两点之间交替切换图图3-5 Cuk3-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路 a a）电路图）电路图 b b） 等效电路等效电路降升压斩波电路和Cuk电路v稳态时电容上的电流一周期内平均值为零稳态时电容上的电流一周期内平均值为零Tti00dCvV处于通态的时间为处于通态的时间为ton，电容电流和时间的乘积为，电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间为处于断态的时间为toff，电容电流和时间的，电容电流和时间的乘积为乘积为I1toff, ,由此有：由此有：off1on2tI

14、tI1onononoff12ttTttII降升压斩波电路和Cuk电路EEtTtEttU1ononoffono 优点优点（与降升压斩波电路相比）：输入电源电流和（与降升压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波入、输出进行滤波降升压斩波电路和Cuk电路v当开关在当开关在B点时，点时，A，B点电压点电压为为CoffBUTtUE0BUCAuUv当开关在当开关在A点时，点时，A，B点电压点电压为为CBuU0AUvA A，B B点平均电压为点平均电压为ConAUTtUv输出电压为输出电压为ConoUTtUS

15、eptic斩波电路工作原理工作原理 V V导通时，导通时，ELEL1 1V V回路和回路和C C1 1V VLL2 2回路同时导电，回路同时导电，L L1 1和和L L2 2贮能。贮能。 V V关断时，关断时，ELEL1 1CC1 1VDVD负载回路及负载回路及L L2 2VDVD负负载回路同时导电，此阶段载回路同时导电，此阶段E E和和L L1 1既向负载供电，同时也既向负载供电，同时也向向C C1 1充电（充电（C C1 1贮存的能量在贮存的能量在V V处于通态时向处于通态时向L L2 2转移）。转移）。 Septic斩波电路和Zeta斩波电路输入输出关系输入输出关系 EEtTtEttUo

16、nonoffono1Zeta斩波电路工作原理工作原理V V导通时，电源导通时，电源E E经开关经开关V V向电感向电感L L1 1贮能。贮能。V V关断时，关断时，L L1 1VDVDC C1 1构成振荡回路，构成振荡回路， L L1 1的能量转的能量转移至移至C C1 1，能量全部转移至，能量全部转移至C C1 1上之后，上之后，VDVD关断，关断，C C1 1经经L L2 2向向负载供电。负载供电。Zeta斩波电路输入输出关系为输入输出关系为 EUo1Zeta斩波电路讨论：讨论：两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，SepicSepic电路中，电源电流连续但负载电

17、流断续，有电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波；利于输入滤波；ZetaZeta电路的电源电流断续而负载电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压均为正极性。电流连续；两种电路输出电压均为正极性。 带隔离的直流直流变流电路l正激电路正激电路l反激电路反激电路 l半桥电路半桥电路l全桥电路全桥电路l推挽电路推挽电路l全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流l开关电源开关电源带隔离的直流直流变流电路直直交交直电路直电路。 电路特点：电路特点： 输出与输入隔离。输出与输入隔离。 需要相互隔离的多路输出。需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压比远小于输出电压与输入电压比远小于1

18、1或远大于或远大于1 1。 交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤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。波电感、滤波电容的体积和重量。带隔离的直流直流变流电路分类：分类：l单端电路单端电路 变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反激电路。激电路。l双端电路。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。桥和推挽电路属于双端电路。 正激电路(Forward)工作过程工作过程S S开通开通，W W1 1电压为上正下负，电压为上正下负，W W2 2的电

19、压也上正下负，的电压也上正下负，VDVD1 1导通，导通，VDVD2 2截止，截止，L L电流逐渐增长。电流逐渐增长。 S S关断关断，L L通过通过VDVD2 2续流，续流，VDVD1 1关断。变压器励磁电流关断。变压器励磁电流经经N N3 3和和VDVD3 3流回电源。流回电源。正激电路(Forward)工作过程工作过程S S关断后承受的电压为关断后承受的电压为 iSUNNu)1 (31SuSiLiSOttttUiOOO正激电路(Forward)BRBSBHO变压器的磁心复位变压器的磁心复位S S开通后，变压器激磁电开通后，变压器激磁电流由零随时间线性增长，直流由零随时间线性增长，直到到S

20、 S关断，导致变压器激磁关断，导致变压器激磁电感饱和。电感饱和。须使激磁电流在须使激磁电流在S S关断后关断后到下一次再开通时间内降回到下一次再开通时间内降回零，这一过程称为零，这一过程称为变压器的变压器的磁心复位磁心复位。磁心复位所需的时间为磁心复位所需的时间为on13rsttNNt正激电路(Forward)输出电压输出电压输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io输出电感电流不连续、负载为零的极限输出电感电流不连续、负载为零的极限情况下情况下 i12oUNNU 反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO工作过程工作过程S S开通开通，VDVD截止

21、，截止，W W1 1电流线性电流线性增长，电感储能增加。增长，电感储能增加。S S关断关断，W W1 1电流被切断，变压电流被切断，变压器磁场能量通过器磁场能量通过W W2 2和和VDVD向输出向输出端释放，电压为端释放，电压为uUNNUSio12反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO工作模式工作模式S S开通时，开通时，W W2 2中电流尚未下降中电流尚未下降到零，则称工作于到零，则称工作于电流连续模电流连续模式式，输出输入电压关系为，输出输入电压关系为offon12iottNNUU S S开通前，开通前，W W2 2中电流已经下中电流已经下降到零，则称工作于降到零，则称

22、工作于电流断续电流断续模式模式。负载为零的极限情况下。负载为零的极限情况下， ，所以应该避免，所以应该避免负载开路状态。负载开路状态。 Uo 半桥电路工作过程工作过程S S1 1与与S S2 2交替导通，使变压交替导通，使变压器一次侧形成幅值为器一次侧形成幅值为U Ui i/2/2的的交流电压，改变开关占空比，交流电压，改变开关占空比，可改变二次侧整流电压可改变二次侧整流电压u ud d平平均值，即改变了输出电压均值，即改变了输出电压U Uo o。S S1 1导通时，导通时，VDVD1 1导通；导通；S S2 2导导通时，通时，VDVD2 2导通。当两个开导通。当两个开关都关断时，关都关断时，

23、N N1 1中电流为零，中电流为零，VDVD1 1和和VDVD2 2都导通，各分担一都导通，各分担一半的电流。半的电流。半桥电路S S1 1或或S S2 2导通时导通时L L电流逐渐上电流逐渐上升；升；两个开关都关断时，两个开关都关断时，L L电流电流逐渐下降；逐渐下降； S S1 1和和S S2 2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为U Ui i。 由于由于电容电容的的隔直作用隔直作用，半，半桥电路对由于两个开关导桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此量有自动平衡作用，因此不容易发生变压

24、器的不容易发生变压器的偏磁偏磁和和直流磁饱和直流磁饱和。半桥电路S S1 1或或S S2 2导通时导通时L L电流逐渐上电流逐渐上升；升；两个开关都关断时，两个开关都关断时，L L电流电流逐渐下降；逐渐下降； S S1 1和和S S2 2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为U Ui i。 由于由于电容电容的的隔直作用隔直作用，半，半桥电路对由于两个开关导桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的不容易发生变压器的偏磁偏磁和和直流磁饱和直流磁饱和。半桥电路

25、输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于连将高于连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下为零的极限情况下2i12oUNNU全桥电路工作过程工作过程互为对角的两个开关同时导通互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下，同一侧半桥上下两开关两开关交替交替导通，变压器一次侧形成幅值为导通，变压器一次侧形成幅值为U Ui i的交的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。流电压，改变占空比就可以改变输出电压。全桥电路S1S2

26、uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO当当S S1 1与与S S4 4开通后，开通后，VDVD1 1和和VDVD4 4导通，导通，L L电流电流逐渐上升。逐渐上升。当当S S2 2与与S S3 3开通后，开通后，VDVD2 2和和VDVD3 3导通，导通，L L电流电流也上升。也上升。4 4个开关都关断时，个开关都关断时，4 4个二极管都导通，各个二极管都导通，各分担一半电感电流，分担一半电感电流，L L电流逐渐下降。电流逐渐下降。lS S1 1和和S S2 2断态时承受的断态时承受的峰值电压均为峰值电压均为U Ui i。全桥电路如如S

27、 S1 1、S S4 4与与S S2 2、S S3 3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压u uT T中含有中含有直流分量直流分量，在变压器一次侧产生很大的直流，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。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开关占空比不能超过50%50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。 全桥电路输出电压输出电压

28、 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io2输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于电流连将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下零的极限情况下 UNNUoi21S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO工作过程工作过程S S1 1和和S S2 2交替导通，交替导通，N N1 1和和N N1 1分分别形成相位相反的交流电压。别形成相位相反的交流电压。S S1 1导通时，导通时，VDVD1 1也导通，也导通，L

29、 L电电流逐渐上升；流逐渐上升；S S2 2导通时，导通时，VDVD2 2处于通态，处于通态，L L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VDVD1 1和和VDVD2 2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电流。半的电流。 S S1 1和和S S2 2断态时承受的断态时承受的峰值电峰值电压压均为均为2 2倍倍U Ui i。 推挽电路推挽电路S S1 1和和S S2 2同时导通，相当于变压器一次绕组短路，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因此应避免，每个开关占空比不能超过50%50%，还要，还要留有死区。留有死区。 输

30、出电压输出电压当滤波电感当滤波电感L L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io2输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压U Uo o将高于电流连将高于电流连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下零的极限情况下 UNNUoi21电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简可靠性高，驱动电路简单单变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几百几百WW几几kWkW各种中、小功率电各种中、小功率电源源反激反激电路非常简单，成本很电

31、路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电低，可靠性高，驱动电路简单路简单难以达到较大的功率，难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用变压器单向激磁，利用率低率低几几WW几十几十W W小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消费计算机设备、消费电子设备电源。电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易变压器双向励磁，容易达到大功率达到大功率结构复杂，成本高，有直通问结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路组隔离驱动电路几百几百WW几百几百kWkW大功率工业用电源、大功率工业用电源、焊接电源、电解电焊接电源、电解电源等源等半桥半桥变压器双向励磁，

32、没有变变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，压器偏磁问题，开关较少，成本低成本低有直通问题，可靠性低，有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电需要复杂的隔离驱动电路路几百几百WW几几kWkW各种工业用电源，计各种工业用电源，计算机电源等算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简关，通态损耗较小，驱动简单单有偏磁问题有偏磁问题几百几百WW几几kWkW低输入电压的电源低输入电压的电源各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较全波整流双端电路双端电路常用常用全波整流电路全波整流电路和和全桥整流电路全桥整流电路。优点：优点：L L的电流回路只有的电流回路只有一个二极管压降一个二极管压降，损耗，损耗小，且整流电路只需小，且整流电路只需2 2个二极管个二极管，元件数较少。，元件数较少。缺点：二极管断态时承受反压较高，对器件耐缺点：二