电力电子技术第六章开关模式的DCDC斩波器

1、6.1 概述概述 6.2直流斩波器的控制直流斩波器的控制 6.3 降压斩波器（降压斩波器（BUCK斩波器）斩波器） 6.4 升压斩波器（升压斩波器（BOOST斩波器）斩波器） 6.5升升/降压斩波器（降压斩波器（Buck-Boost斩波器）斩波器） 6.6 Ck 直流斩波器直流斩波器 6.7 全桥直流斩波器全桥直流斩波器 首首 页页6.8 直流斩波器的比较直流斩波器的比较 小结小结 下 页返回 6.1 直流直流输出输出直流直流输出输出（可控）（可控）直流输出直流输出uctr二极管二极管整流器整流器电容电容滤波滤波器器直流斩直流斩波器波器电电 池池负负 载载单相或三单相或三相交流电相交流电$开关

2、模式的直流斩波器广泛用于直流电机的驱动开关模式的直流斩波器广泛用于直流电机的驱动和直流供电系统之中。和直流供电系统之中。$斩波器的输入电压通常是未经调节的直流电压。斩波器的输入电压通常是未经调节的直流电压。 J降降压斩波器压斩波器Buck斩波电路斩波电路J升压斩波器升压斩波器Boost斩波电路斩波电路J降压降压/升压斩波器升压斩波器Buck-Boost斩波电路斩波电路JCk斩波器斩波器J全桥斩波器全桥斩波器下 页上 页返 回下 页上 页返 回 6.2 直直流流斩斩UdR+-+-U0开关模式的开关模式的DC-DC斩斩波器是利用一个或多个波器是利用一个或多个开关将某个直流电压等开关将某个直流电压等

3、级转换成另一个电压等级转换成另一个电压等级。级。直流输入电压是给定的，通过开关器件的导通和关直流输入电压是给定的，通过开关器件的导通和关断持续时间（断持续时间（ton和和toff）的控制实现输出电压平均值。）的控制实现输出电压平均值。 下 页上 页返 回 u00ttonU0UdtoffTs 输出电压输出电压u0的平均值的平均值U0取决于取决于ton和和toff。控制。控制输出电压的方法之一是输出电压的方法之一是保持开关频率为一个恒保持开关频率为一个恒定值，定值， l脉宽调脉宽调制技术制技术 开关周期保持不变，然后再调节开关周期保持不变，然后再调节开关导通的持续时间，以此控制开关导通的持续时间，

4、以此控制输出电压的平均值。输出电压的平均值。 下 页上 页返 回 l占空比占空比 开关在一个开关周期中的导通开关在一个开关周期中的导通时间与整个开关周期之比。时间与整个开关周期之比。 放大器放大器比较器比较器U0 整定值整定值U0 实际值实际值重复波形输入重复波形输入开关控开关控制信号制信号uctr&在恒频开关模式下，开关控制信号将电压控制信号在恒频开关模式下，开关控制信号将电压控制信号uctr与一个重复波形进行比较，然后将比较后的信号经与一个重复波形进行比较，然后将比较后的信号经放大后作为开关控制信号，控制开关的通断。放大后作为开关控制信号，控制开关的通断。 下 页上 页返 回 Ust.m开

5、关控开关控制信号制信号通通tonTs断断通通断断ustUctr ustuctrUctr0。当开关闭合。当开关闭合时，并假定闭合的持时，并假定闭合的持续时间为续时间为ton，则电感，则电感电流通过开关，并对电流通过开关，并对二极管形成反偏。二极管形成反偏。 下 页上 页返 回 R+Ud-+-U0+ uL -LiL CF电感上的电压电感上的电压uL=Ud -U0为正，这个电压使为正，这个电压使电感电流电感电流iL线性增加。线性增加。+Ud-+ uL -LiL CR+-U0E当开关处于断开状态时，当开关处于断开状态时，电感电流电感电流iL继续保持流动，继续保持流动，这个电流此时是经过二极管这个电流此

6、时是经过二极管形成通路，如图所示，此时形成通路，如图所示，此时的电感电压的电感电压uL=U0。 下 页上 页返 回 稳态运行波形每个周稳态运行波形每个周期的波形重复，电感期的波形重复，电感电压电压uL(t)在一个周期在一个周期内的积分为零。考虑内的积分为零。考虑到到Ts=ton+toff，该积分，该积分可表示为：可表示为： sonsonTtTtLLLdttudttudttu000)()()(ABt0Ud-U00tiLuLTsiL= I0tontoff-U0下 页上 页返 回 )()(00onsondtTUtUU或或DTtUUsond0ABt0Ud-U00tiLuLTsiL= I0tontoff

7、-U0 在电流连续模式下，在电流连续模式下，只要输入电压只要输入电压Ud保持不保持不变，输出电压变，输出电压U0与占空与占空比比D的关系即为线性关系，且与其它电路参数没有关的关系即为线性关系，且与其它电路参数没有关系。系。 下 页上 页返 回 u0itonU0UdtofftssfT1Ufsua的频谱的频谱fU0U2fsU3fsfs2fs3fs上式可由上式可由uoi的平均值的平均值推得。假设电感电压推得。假设电感电压的平均值为零，在稳的平均值为零，在稳定运行条件下的电感定运行条件下的电感电压平均值为：电压平均值为： DTtUUsond000UTttUsoffond下 页上 页返 回 00UTtt

8、Usoffond经移项后可得，经移项后可得，U0 /Ud =ton /Ts=D若所有的电路器件都不存在损耗，则若所有的电路器件都不存在损耗，则Pd=P0因此因此Ud Id=U0 I0，整理后得：，整理后得： DUUIIdd100 电流连续模式下的降压斩波器相当于一个直流变电流连续模式下的降压斩波器相当于一个直流变压器，匝数比可通过开关占空比的控制调节。压器，匝数比可通过开关占空比的控制调节。下 页上 页返 回 6.3.2 开关的连续与断续导通边界开关的连续与断续导通边界Ud U0uLtiL.miL.iLB i0BtofftonssfT1F当电感电流当电感电流iL(t)下下降到零时，正好对降到零

9、时，正好对应关断周期的结束。应关断周期的结束。则有：则有： BdsdonmLLBIUULDTUULtiI000.)(2)(221下 页上 页返 回 l断续断续 当当Ts、Ud、U0、L和和D的值给定的值给定时，如果输出电流，或平均电时，如果输出电流，或平均电感电流小于下式的感电流小于下式的ILB时，则时，则iL(t)将变得不连续。将变得不连续。BdsdonmLLBIUULDTUULtiI000.)(2)(221下 页上 页返 回 Ud保持不变时的断续导通模式保持不变时的断续导通模式6.3.3 电流断续导通模式电流断续导通模式 因因U0 =DUd，在式，在式表示的临界连续导通模式

10、下，平均电感电流为：表示的临界连续导通模式下，平均电感电流为： BdsdonmLLBIUULDTUULtiI000.)(2)(221)1 (2DDLUTIdsLB下 页上 页返 回 D00.51.0iLB=ioBUd为常数为常数LUTIdsB.maxL8由上式由上式 看出，在连续导通看出，在连续导通模式下，当模式下，当D=0.5处时，输处时，输出电流达到它的最大值：出电流达到它的最大值：)1 (2DDLUTIdsLBLUTIdsLB8max.由上两式导出：由上两式导出：)1 (4max.DDIILBLB下 页上 页返 回 Ud U0uLtiL.miL.iLB i0BtofftonssfT1F假

11、定斩波器在给定的假定斩波器在给定的Ts、Ud、L和和D一组参数下处一组参数下处于图中所示连续导通模式于图中所示连续导通模式的临界状态，且所有这些的临界状态，且所有这些参数均保持不变，则当输参数均保持不变，则当输出负载减小时平均电感电出负载减小时平均电感电流将下降。流将下降。F此时此时U0将增加，同时出将增加，同时出现电感电流的断续。现电感电流的断续。uLD DTsU0tiLiLmiLB= ioBD D1 1TsD D2 2TsTs下 页上 页返 回 F在在D D2Ts的时间段内，的时间段内，电感电流、电感电压均电感电流、电感电压均为零，负载电阻所需的为零，负载电阻所需的功率由滤波电容提供。功率

12、由滤波电容提供。此时有：此时有： 0)()(100DssdTUDTUU经整理后得：经整理后得：10DDDUUdD+D D11.0 uLD DTsU0tiLiLmiLB= ioBD D1 1TsD D2 2TsTs下 页上 页返 回 uLD DTsU0tiLiLmiLB= ioBD D1 1TsD D2 2TsTs由图可知：由图可知： smLTLUi10.D所以所以21.0DDiImL由上两式可得到：由上两式可得到：1100)(2DDDLTUIs下 页上 页返 回 考虑到式考虑到式 的关系有：的关系有：10DDDUUd102DDLTUIsd将式将式 带入上式后得：带入上式后得： LUTIdsLB

13、8max.1max.04DDIILB最后可得：最后可得：DIILB max.014D下 页上 页返 回 根据式根据式 和和 导出：导出：10DDDUUdDIILB max.014D)/(41max.0220LBdIIDDUU下 页上 页返 回 1.00.750.500.25000.51.01.52.0D=1.00.30.1dUU0LUTIdsLB.max8LB.maxII0断续运行区断续运行区Ud为常数为常数G Ud保持恒定时，降压斩波器在两种模式下的运保持恒定时，降压斩波器在两种模式下的运行特性。行特性。下 页上 页返 回 Ud保持为常数时的断续导通模式保持

14、为常数时的断续导通模式 因因Ud =U0 /D，在连续导通模式的边界处，平均电感，在连续导通模式的边界处，平均电感电流可由式电流可由式BdsdonmLLBIUULDTUULtiI000.)(2)(221推得：推得：)1 (20DLUTIsLB保持保持U0为常数，在为常数，在D=0时时ILB为：为： LUTIsLB20max.下 页上 页返 回 由式由式 和和)1 (20DLUTIsLBLUTIsLB20max.max.)1 (LBLBIDI推得：推得：当斩波器的输出电压当斩波器的输出电压U0保持不变时，由上式和保持不变时，由上式和10DDDUUd1100)(2DDDLTUIs及及得：得： 2/

15、10max.00/1/dLBdUUIIUUD下 页上 页返 回 为常数为常数D1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25FU0为常数、为常数、Ud /U0取不同值取不同值时，占空比时，占空比D随随I0 /ILB.max变化的变化的曲线。曲线。 连续运行模式和断续运行模式的边界则由式连续运行模式和断续运行模式的边界则由式ILB= (1-D)ILB.max确定。确定。下 页上 页返 回 6.3.4 输出电压的纹波输出电压的纹波 tttuL-U0000Ud u0D DQD DI1/2IL=I0Ts/2D DU0U0iLu0F设设iL中的所有纹波中的所有纹波分量都流经电容，

16、分量都流经电容，平均电流分量流经平均电流分量流经负载电阻。纹波电负载电阻。纹波电压的峰压的峰-峰值峰值DU0为：为：222110sLTICCQUDDD下 页上 页返 回 +Ud-+ uL -LiL CR+-U0sLTDLUI)1 (0DF借助图中在关断借助图中在关断时间段时间段toff内的关系内的关系表示表示DIL的值：的值：222110sLTICCQUDDD由上式和由上式和 得：得：ssTDLUCTU)1 (800D下 页上 页返 回 进一步推得：进一步推得： 22200)1 (2)1 (81DscsffDLCDTUU式中式中, fs=1/TsLCfc21 通过合适地选择输出端低通滤波器的转

17、折频率通过合适地选择输出端低通滤波器的转折频率fc就就可减小输出电压纹波，此处只要满足可减小输出电压纹波，此处只要满足fc0。电感电压在一个开关电感电压在一个开关周期内对时间的积分周期内对时间的积分应为零应为零: 0)(0offdondtUUtU下 页上 页返 回 假设电路不存在损耗，即假设电路不存在损耗，即Pd=P0，或，或Ud Id=U0 I0，由此可得：由此可得： )1 (0DIIdDtTUUoffsd110对式对式 等号两端同除以等号两端同除以Ts ，并经重新整理后得：并经重新整理后得：0)(0offdondtUUtU下 页上 页返 回 6.4.2 连续和断续导通模式的边界连续和断续导

18、通模式的边界 0toniLttoffuLTsIL=ILBiL.m临界状态下的关临界状态下的关断时间终点时刻，电断时间终点时刻，电流流iL降为零。临界状降为零。临界状态的电感电流平均值态的电感电流平均值为：为： ondmLLBtLUiI2121.下 页上 页返 回 DTTUUoffsd110因：因：所以所以 可表示为：可表示为：ondmLLBtLUiI2121.)1 (20DDLUTIsLB升压斩波器的电路中升压斩波器的电路中id=iL，根据上两式，临界导通，根据上两式，临界导通模式下的平均输出电流为：模式下的平均输出电流为：20)1 (2DDLUTIsoB下 页上 页返 回 U0为常数为常数D

19、0IoBLUTIsLB.max801/31.00.750.500.25ILBLUTIsoB.max0074. 0当当D=0.5时，时，ILB达到最大值达到最大值ILB.max： LUTIsLB80max.应用中，升压斩波应用中，升压斩波器的输出电压器的输出电压U0保持保持不变，占空比不变，占空比D不断不断变化，输入电压不断变化，输入电压不断改变。改变。下 页上 页返 回 当当D=1/3=0.333时时, IoB的最大值为：的最大值为： U0为常数为常数D0IoBLUTIsLB.max801/31.00.750.500.25ILBLUTIsoB.max0074. 0LUTLUTIssoB00ma

20、x.074. 0272IoB的最大值为：的最大值为： max.)1 (4LBLBIDDIILB的最大值为：的最大值为： max.2)1 (427oBoBIDDI下 页上 页返 回 6.4.3 升压斩波器的断续导通模式升压斩波器的断续导通模式 0toniLttoffuLTsUd-U0UdFUd和和D保持不变时连保持不变时连续导通边界处的波形续导通边界处的波形 0iLtuLDTsUd-U0UdD D1TsD D2TsTsEUd和和D保持不变时断保持不变时断续导通边界处的波形续导通边界处的波形 下 页上 页返 回 0iLtuLDTsUd-U0UdD D1TsD D2TsTs令电感电压在一个开关周期的

21、积分值为零：令电感电压在一个开关周期的积分值为零： 0)(10DsdsdTUUDTU移项整理后可得：移项整理后可得： 110DDDUUd因因Pd =P0，所以：，所以： DIIdDD110下 页上 页返 回 0iLtuLDTsUd-U0UdD D1TsD D2TsTs斩波器的平均输入电斩波器的平均输入电流等于电感电流，其流等于电感电流，其表达式为：表达式为： )(21DDDTLUIsdd将上式代入到式将上式代入到式 中得：中得： DIIdDD110102DDLUTIds下 页上 页返 回 LUTLUTIssoB00max.074. 0272110DDDUUd102DDLUTIds根据根据得：得

22、：2/1max.0001274oBddIIUUUUD下 页上 页返 回 U0为常数为常数D0LUTIsLB.max801/31.00.750.500.25LUTIsoB.max0074. 01.2500.750.500.251.025. 00UUd5 . 00UUd8 . 00UUd电流断电流断续工作续工作区区在电流断续模式下，在电流断续模式下，如果在每个开关周期如果在每个开关周期都不对都不对U0进行控制，进行控制，那么电感中的能量为那么电感中的能量为 ： )(22122.sWLDTULisdmL下 页上 页返 回 例例 在某一升压斩波器中，欲采用占空比来调在某一升压斩波器中，欲采用占空比来调

23、节输出电压节输出电压U0，并使之维持在，并使之维持在48V。设斩波器输入。设斩波器输入电压的波动较大，波动范围为电压的波动较大，波动范围为1236V，负载所需，负载所需的最大输出功率为的最大输出功率为120W。为保证系统的稳定性，要。为保证系统的稳定性，要求斩波器总是以电流断续的方式运行。已知开关频求斩波器总是以电流断续的方式运行。已知开关频率为率为50kHz，同时假设所有电路器件均为理想器件，同时假设所有电路器件均为理想器件，电容电容C可认为足够大。试根据以上条件计算电感可认为足够大。试根据以上条件计算电感L的的值最大能达到多少？值最大能达到多少？ 下 页上 页返 回 解解 由给定条件知：由

24、给定条件知：U0=48V，Ts=20ms，I0.max=120W/48V=2.5A。根据题意，所求的最大电感。根据题意，所求的最大电感值就是要保证电流为断续工作模式，为此，可先假值就是要保证电流为断续工作模式，为此，可先假设电感电流处于连续导通的临界状态。设电感电流处于连续导通的临界状态。 U0为常数为常数D0IoBLUTIsLB.max801/31.00.750.500.25ILBLUTIsoB.max0074. 0由于斩波器输入电压由于斩波器输入电压Ud的波动范围为的波动范围为1236V，在临界连续导通模式下，在临界连续导通模式下，要求占空比要求占空比D在在0.750.25之间变化。之间变

25、化。下 页上 页返 回 U0为常数为常数D0IoBLUTIsLB.max801/31.00.750.500.25ILBLUTIsoB.max0074. 0在在0.750.25之间变化范之间变化范围内，将围内，将IoB的最小值的最小值D=0.75代入下式：代入下式： 20)1 (2DDLUTIsoB令所得值为输出电流的最大临界值令所得值为输出电流的最大临界值IoB.max=2.5A，因此，因此，所求电感值为：所求电感值为： HL9)75. 01 (75. 05 . 2248102026下 页上 页返 回 6.4.4 器件的寄生效应器件的寄生效应 1.00dUU0D特特征征理理想想的的D11寄生效

26、应特征寄生效应特征 升压斩波器中，器件的升压斩波器中，器件的寄生效应与电路中电感、寄生效应与电路中电感、电容、开关以及二极管电容、开关以及二极管的损耗有关。的损耗有关。变化时，因当占空比的值较高时，开关利用率偏低，变化时，因当占空比的值较高时，开关利用率偏低，使得实际的使得实际的U0 /Ud逐渐下降。逐渐下降。当占空比逐渐向当占空比逐渐向“1”下 页上 页返 回 6.4.5 输出电压的纹波输出电压的纹波 tt(1-D)Tstoff00iDtonU0D DU0DTsD DQD DQID=I0设二极管电流设二极管电流iD的所有的所有纹波分量都从电容流过，纹波分量都从电容流过，平均电流从负载电阻通平

27、均电流从负载电阻通过，假设输出电流保持过，假设输出电流保持恒定，则电压纹波的峰恒定，则电压纹波的峰-峰值为：峰值为：CDTRUCDTICQUssDD000下 页上 页返 回 令时间常数令时间常数t t =RC，并将电压波动用输出电压为基，并将电压波动用输出电压为基数的标幺值来表示，则数的标幺值来表示，则CDTRUCDTICQUssDD000可写为：可写为：tssTDRCDTUUD00tt(1-D)Tstoff00iDtonU0D DU0DTsD DQD DQID=I0下 页上 页返 回 4Buck-Boost斩波器主要用于直流电源的调节，这斩波器主要用于直流电源的调节，这种斩波器具有负极性输出

28、端，其输出电压的幅值可种斩波器具有负极性输出端，其输出电压的幅值可以比输入电压高，也可以比输入电压低。以比输入电压高，也可以比输入电压低。4Buck-Boost斩波器可以由两个基本的降压和升压斩波器可以由两个基本的降压和升压斩波电路级联而成，若两个斩波器的占空比相同，斩波电路级联而成，若两个斩波器的占空比相同，则总的输出电压与输入电压之比即为这两个基本斩则总的输出电压与输入电压之比即为这两个基本斩波器输出与输入电压之比的乘积。波器输出与输入电压之比的乘积。 下 页上 页返 回 -U0+Ud-LidiLCRi0+uL-由式由式DTTUUoffsd110和和DTtUUsond0可知，级联后的输出电

29、压与输入电压之比为：可知，级联后的输出电压与输入电压之比为：DDUUd110 随着占空比随着占空比D的变化，输出电压可以高于输入电压，的变化，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压。也可以低于输入电压。 下 页上 页返 回 -U0+Ud-LidiLCRi0+uL-a当开关闭合时，电感当开关闭合时，电感从电源得到能量，此时从电源得到能量，此时二极管由于反偏而处于二极管由于反偏而处于截止状态；截止状态；在电感中的能量转移到输出负载之中，而电源此时并在电感中的能量转移到输出负载之中，而电源此时并不提供任何能量给负载。稳态分析时，一般均假设输不提供任何能量给负载。稳态分析时，一般均假设输出电容足

30、够大，能使输出电压出电容足够大，能使输出电压u0(t)维持在它的稳定值维持在它的稳定值U0附近，即可近似认为附近，即可近似认为u0(t) U0。a当开关断开时，储存当开关断开时，储存下 页上 页返 回 6.5.1 连续导通模式连续导通模式 UdDTs=ton00iLuL(1-D)Ts=toff-U0IL=Id+I0tt+Ud-+ uL -RLiLC-U0+Ud-+ uL -RLiLC-U0+电感电流在电感电流在连续导通模式连续导通模式下的关波形下的关波形 下 页上 页返 回 稳态运行条件下，电感电压在一个开关周期的积分稳态运行条件下，电感电压在一个开关周期的积分为零，因此有：为零，因此有：0)

31、1 ()(0ssdTDUDTU经移项整理后得：经移项整理后得：DDUUd10假定输入功率假定输入功率Pd等于输出功率等于输出功率P0，还可推导出：，还可推导出： DDIId10下 页上 页返 回 6.5.2 Buck-Boost斩波器的连续和斩波器的连续和断续导通边界断续导通边界 IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m开关关断时间结束时，开关关断时间结束时，电感电流电感电流iL(t)为零。为零。平均电流为：平均电流为：DLUTiIdsmLLB221.稳态运行时，电容电流的平均值为零稳态运行时，电容电流的平均值为零:dLIII0-U0+Ud-LidiLCRi0+uL-下 页上

32、 页返 回 平均电感电流为：平均电感电流为： )1 (20DLUTIsLB平均输出电流为：平均输出电流为： 20)1 (2DLUTIsoBD=0时时ILB的极大值为：的极大值为： LUTIsLB20max.D=0时时IoB的极大值为：的极大值为： LUTIsoB20max.下 页上 页返 回 )1 (20DLUTIsLB20)1 (2DLUTIsoBLUTIsLB20max.LUTIsoB20max.可得：可得：根据根据)1 (max.DIILBLB2max.)1 (DIIoBoB下 页上 页返 回 U0为常数为常数1.00.750.500.25000.51.00.750.25DILB /IL

33、B.maxIoB /Iob.maxLUTIIsOB.maxLB.max20输出电压输出电压U0保持恒保持恒定不变时，定不变时，ILB和和IoB随随D变化的曲线。变化的曲线。IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m下 页上 页返 回 6.5.3 断续导通模式断续导通模式uLiLUd0tDTsD D2Ts-UdD D1Ts令电感电压在一个开关令电感电压在一个开关周期的积分值为零：周期的积分值为零： 0)(10DssdTUDTU经整理后得：经整理后得：10DDUUd根据输入功率等于输入功率的概念：根据输入功率等于输入功率的概念： DIId10D下 页上 页返 回 uLiLUd0tD

34、TsD D2Ts-UdD D1Ts根据右图可推出：根据右图可推出： )(21DDDTLUIsdL因因U0为常数，根据前面为常数，根据前面各关系式，可得：各关系式，可得：max.00oBdIIUUD 下 页上 页返 回 1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25U0为常数为常数LUTIs0B.max200.33UUd01.0UUd00 .04UUdoB.maxII0电流断续工作区电流断续工作区F在不同在不同U0 /Ud下下占空比占空比D随电流比随电流比I0 /IoB.max变化的曲变化的曲线。线。 下 页上 页返 回 例例 已知某一已知某一Buck-Boost斩波器的

35、开关频率为斩波器的开关频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容足够大，输入电压输出电容足够大，输入电压Ud =15V。现欲将输出电压维持在。现欲将输出电压维持在10V，并给负载提供，并给负载提供10W的功率。试计算此时的占空比的功率。试计算此时的占空比D=? 根据已知条件可知，输出电流根据已知条件可知，输出电流I0=10/10=1A。由于导通模式还无法确定，可以先假定电流处于临由于导通模式还无法确定，可以先假定电流处于临DDUUd10界连续导通状态，因此，应用式界连续导通状态，因此，应用式可得：可得：151010dUUDD解解解得解得: D=0.4 下 页上 页返 回 将将D=0.4代入式

36、代入式 可得可得:LUTIsoB20max.ALUTIsoB505. 021005. 020max.将将D=0.4和和IoB.max=5A 代入式代入式IoB=IoB.max(1-D)2得：得： ADIIoBoB8 . 1)4 . 01 (5)1 (22max.因实际输出电流因实际输出电流I0=1A，它小于，它小于IoB=1.8A，实际运行电，实际运行电流为断续，以上临界初始估算值不符合实际情况。流为断续，以上临界初始估算值不符合实际情况。 下 页上 页返 回 max.00oBdIIUUD 在电流断续模式下，应用式在电流断续模式下，应用式 得实际所求的占空比为：得实际所求的占空比为：3 . 0

37、0 . 50 . 11510max.00oBdIIUUD下 页上 页返 回 6.5.4 断续导通模式断续导通模式0dUU0D特特征征理理想想的的D11寄生效应特征寄生效应特征器件的寄生特性对器件的寄生特性对斩波器的电压转换比斩波器的电压转换比和反馈调节的稳定性和反馈调节的稳定性有很大影响。有很大影响。生器件模型加到仿真程序中，以对斩波器有一个较生器件模型加到仿真程序中，以对斩波器有一个较为真实的稳态特性分析。为真实的稳态特性分析。在对斩波器进行设在对斩波器进行设计时，可将这样的寄计时，可将这样的寄下 页上 页返 回 6.5.5 输出电压的纹波输出电压的纹波 u0tt(1-D)Ts00iDU0D

38、 DU0DTsD DQD DQID=I0假设输出电流保持恒定，则纹波电压的峰假设输出电流保持恒定，则纹波电压的峰-峰值为：峰值为：CDTRUCDTICQUssDD000经移项和整理后得：经移项和整理后得：tssTDRCDTUUD00式中式中t t =RC为时间常数为时间常数 下 页上 页返 回 +Ud- uL2 +RL2iL2C2-U0+TiL1C1D+ uL1 -L1稳定运行条件下，由于电感电压稳定运行条件下，由于电感电压UL1和和UL2在一个在一个开关周期的积分值为零，因此有：开关周期的积分值为零，因此有：UC1=Ud +U0 下 页上 页返 回 断断断断通通通通Ud0tttt000iL2

39、uL2iL1uL1(1-D)Ts - toffDTs =tonIL1IL2Ud-UC1=-U0UC1 -U0-U0UC1的幅值比的幅值比Ud和和U0都要高。都要高。设设C1足够大，足够大，以至在稳态运以至在稳态运行下可忽略电行下可忽略电容电压的波动，容电压的波动，即认为即认为电容电压的瞬时值电容电压的瞬时值uC1(t)近似等于它的平均值近似等于它的平均值UC1。下 页上 页返 回 Ud+ uCL -RDiL1C-U0+L2L1iL2+ uL1 - uL2 +当开关处于断开位当开关处于断开位置时，电感电流置时，电感电流iL1和和iL2均经过二极管均经过二极管形成各自的闭合回形成各自的闭合回路，此

40、时电源和电路，此时电源和电感感L1经由二极管形成的闭合回路向电容经由二极管形成的闭合回路向电容C1充电。因充电。因UC1高于输入电压高于输入电压Ud，所以电流，所以电流iL1会逐渐减小。与此会逐渐减小。与此同时，储存在电感同时，储存在电感L2中的能量则会转移到负载上，中的能量则会转移到负载上，电感电流电感电流iL2也将逐渐衰减。也将逐渐衰减。下 页上 页返 回 Ud-uCL +RDiL1C-U0+L2L1iL2+ uL1 - uL2 +当开关处于闭合位当开关处于闭合位置时，置时，UC1使二极使二极管反偏而使其关断，管反偏而使其关断，此时的电感电流此时的电感电流iL1和和iL2都会流经都会流经开

41、关而形成各自的闭合回路。因开关而形成各自的闭合回路。因UC1U0，C1可通过可通过开关放电，将自身所储存的能量输出给负载和开关放电，将自身所储存的能量输出给负载和L2中。这样，中。这样，iL2得到增加，此时电源也给电感得到增加，此时电源也给电感L1补偿补偿能量，使能量，使iL1增加。增加。下 页上 页返 回 假设电容电压假设电容电压UC1稳定，根据电感稳定，根据电感L1、L2在一个开关在一个开关周期上的平均电压为零的概念，于是得到：周期上的平均电压为零的概念，于是得到： 0)1 ()(:11sCdsdTDUUDTUL经整理后有经整理后有:dCUDU1110)1 ()()(:0012ssCTDU

42、DTUUL经整理后有经整理后有:011UDUC解释解释Ck斩波器原理的第一种方式斩波器原理的第一种方式 下 页上 页返 回 和和dCUDU111011UDUC两式相等两式相等因此，因此，DDUUd10设设Pd=P0，用，用Id表示表示 IL1、I0表示表示IL2，因此有：，因此有：DDIId10下 页上 页返 回 假设电感电流假设电感电流iL1和和iL2均为平稳电流。当开关处于断均为平稳电流。当开关处于断开状态时，传递到开状态时，传递到C1中的电荷等于中的电荷等于IL1(1-D)Ts；当开；当开关处于闭合状态时，电容的放电量则为关处于闭合状态时，电容的放电量则为IL2DTs。稳。稳定运行条件下

43、，一个开关周期中流动的平均净电荷定运行条件下，一个开关周期中流动的平均净电荷为零，因此有：为零，因此有： 解释解释Ck斩波器原理的第二种方式斩波器原理的第二种方式 sLsLDTITDI21)1 (DDIIIIdLL1012下 页上 页返 回 由于输入功率等于输出功率，还可得由于输入功率等于输出功率，还可得:DDUUd10采用采用Ck电路的优点是输入电流和输出级的电流电路的优点是输入电流和输出级的电流中基本上不含有纹波，在中基本上不含有纹波，在Ck电路中就有可能完全电路中就有可能完全消除消除iL1和和iL2的纹波，从而能有效地降低外部滤波电的纹波，从而能有效地降低外部滤波电路的要求。路的要求。C

44、k电路的缺点是电容电路的缺点是电容C1要足够大，使之能完全要足够大，使之能完全吸收纹波电流的能量。吸收纹波电流的能量。下 页上 页返 回 例例 设某一设某一Ck电路的开关频率为电路的开关频率为50kHz，L1=L2=1mH，C1=5 F。已知输出电容已足够大，使。已知输出电容已足够大，使输出电压能维持恒定。现利用输出电压能维持恒定。现利用Ck电路将输入电压为电路将输入电压为Ud=10V调节到输出电压为调节到输出电压为U0=5V，负载功率为，负载功率为5W，同时假设电路中的所有器件均为理想器件。现分别同时假设电路中的所有器件均为理想器件。现分别假设假设C1两端电压为恒定值，或假设电感电流两端电压

45、为恒定值，或假设电感电流iL1和和iL2为恒定值时，试分别计算两种方法所得到的结果各为恒定值时，试分别计算两种方法所得到的结果各为多少？并计算它们的偏差。为多少？并计算它们的偏差。下 页上 页返 回 解解 设电容电压为恒定值，由式设电容电压为恒定值，由式UC1=Ud +U0有：有： uC1(t)=UC1=10+5=15V假设电流连续，根据式假设电流连续，根据式 可得：可得： DDUUd10333. 01051DDD下 页上 页返 回 根据式根据式 可得到在开关的断开时可得到在开关的断开时间段内电流的波动幅值分别为：间段内电流的波动幅值分别为： DTTUUoffsd110ATDLUUisdCL0

46、67. 01020)333. 01 (101015)1 (63111DATDLUisL067. 01020)333. 01 (105)1 (63202Dz由于由于UC1 Ud =U0，在，在L1=L2的条件下，会出现的条件下，会出现D DiL1=D DiL2的情况。的情况。 下 页上 页返 回 因因D DiL1Id(=IL1)，D DiL20导通器件：导通器件：i0I0tutrissf1T (TA+ ,TB-)(TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)(DA- ,DB+)(TA- ,TB+)I0 utri时，时，TA+和和TB-触发导通，否则触发导通，否则TA-和和TB+触发导通。触发导通。 下

47、 页上 页返 回 0t=0Utri.muctrtt1t1Ts /2utrissf1T F若任意选定一若任意选定一个图示的时间起点，个图示的时间起点，则对应的占空比可则对应的占空比可表示为：表示为：4/04/.ssmtritriTtTtUu式中，式中，Utri.m表示三角波的极值。在上图中，当表示三角波的极值。在上图中，当t=t1时，时，utri =uctr，根据上式可知：，根据上式可知： 4.1smtrictrTUut下 页上 页返 回 开关对开关对1（TA+、TB-）的导通持续时间的导通持续时间ton为：为： 2/21sonTtt根据上式可导出开关根据上式可导出开关对对1的占空比为：的占空比

48、为：mtrictrsonUuTtD.1121开关对开关对2（TB+、TA-）的占空比为：的占空比为： D2=1D1 (TA- ,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts /2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：工作器件：导通器件：导通器件：(TA- ,TB+)i0I0(DA- ,DB+)(DA+ ,DB-)tI00导通器件：导通器件：i0I0tutrissf1T (TA+ ,TB-)(TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)(DA- ,DB+)(TA- ,TB+)I00导通器件：导通器件：i0I0tutrissf1T (TA+ ,TB-)(

49、TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)(DA- ,DB+)(TA- ,TB+)I00导通器件：导通器件：i0I0tutrissf1T (TA+ ,TB-)(TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)(DA- ,DB+)(TA- ,TB+)I00i0I0tssf1T (TA+ ,TB-)(TA+ ,TB-)(TA- ,DB-)I0utri，触发，触发TA+ 若若-uctrutri，触发，触发TB+ 下 页上 页返 回 开关开关TA+的占空比的占空比D1由式由式 确定。确定。 mtrictrUuD.1121开关开关TB+的占空比的占空比D2由式由式D2=1D1确定。确定。ctrmtridduUUUDU

50、.10) 12(输出电压为：输出电压为： 在单极性在单极性PWM开关模式下，平均输出电压开关模式下，平均输出电压U0与双与双极性极性PWM开关模式的输出电压表达式是一样的，且开关模式的输出电压表达式是一样的，且都是与都是与uctr呈线性关系。呈线性关系。 下 页上 页返 回 例例 在全桥直流斩波器中，已知输出电压在全桥直流斩波器中，已知输出电压Ud为常为常数，现欲通过改变占空比来调节输出电压。若以平数，现欲通过改变占空比来调节输出电压。若以平均输出电压均输出电压U0为变量，在单极性和双极性为变量，在单极性和双极性PWM两种两种开关模式下，试计算输出电压中的纹波电压有效值开关模式下，试计算输出电

51、压中的纹波电压有效值Ur =?解解 双极性双极性PWM开关模式：开关模式：0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：工作器件：(TA- ,TB+)(TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)下 页上 页返 回 输出电压输出电压u0的波形不受的波形不受uctr /Utri.m比值的影响，输出比值的影响，输出电压的有效值为：电压的有效值为： U0.rms = Ud 0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：工作器件：(TA- ,TB+)(TA+ ,TB-)(TA- ,TB+)输出电压的平均值输出电压的平均值U0可直接由下式求得。可直接由下式求得。dddBNANUDUDUDUUU) 12

52、(1210下 页上 页返 回 根据有效值的定义和式根据有效值的定义和式U0.rms = Ud 、U0=(2D1-1)Ud的的关系，输出电压的纹波为：关系，输出电压的纹波为：21121202. 0.2) 12(1DDUDUUUUddrmsrmsrj 随着随着D1从从0逐渐逐渐增加到增加到1，U0也会由也会由-Ud逐渐过渡到逐渐过渡到Ud。00-0.5-1.01.0(b)0.51.00.750.500.25(a)dr.rmsUUd0UU下 页上 页返 回 单极性单极性PWM开关开关模式：模式：000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts /2uANUdtuBNtu0=uAN-uBNU0Ud

53、t工作器件：工作器件：(TA- ,TB-)i0I0(DA+ ,DB-)tI00i0I0tssf1T (TA+ ,TB-)(TA+ ,TB-)(TA- ,DB-)I00时输出电压时输出电压u0的波形和式的波形和式输出电压的有效值为：输出电压的有效值为：ddmtrictrsdrmsUDUUuTUtU) 12(412.21. 0下 页上 页返 回 可得单极性可得单极性PWM开关模式下输出电压中纹波电压开关模式下输出电压中纹波电压的有效值为：的有效值为： ctrmtridduUUUDU.10) 12(ddmtrictrsdrmsUDUUuTUtU) 12(412.21. 0根据根据drmsrmsrUD

54、DUUU246211202. 0.式中，式中，uctr 0，0.5D11下 页上 页返 回 W当当uctr /Utri.m比值由比值由0过渡到过渡到1时，时，D1由由0.5过渡到过渡到1.0。 W单极性单极性PWM的输出的输出电压中所含有的纹波电压中所含有的纹波分量要小于双极性分量要小于双极性PWM输出的纹波。输出的纹波。 00-0.5-1.01.0(b)0.51.00.750.500.25(a)dr.rmsUUd0UU下 页上 页返 回 6.8 直直流流斩斩 降压、升压、降压、升压、Buck-Boost和和Ck斩波器的基本结斩波器的基本结构都能保证在一个方向上的能量传递。构都能保证在一个方向

55、上的能量传递。 全桥斩波器在两个方向上传输能量，可用于直全桥斩波器在两个方向上传输能量，可用于直流流交流的转换，作为逆变器使用。交流的转换，作为逆变器使用。下 页上 页返 回 平均电流为额定电流值平均电流为额定电流值I0，即是最大设计值。电，即是最大设计值。电感中的纹波电流忽略不计，即感中的纹波电流忽略不计，即iL(t)=IL。输出电压输出电压u0已达到额定电压值已达到额定电压值U0，即是最大设计，即是最大设计值。输出电压中不含有纹波电压，因而可认为值。输出电压中不含有纹波电压，因而可认为u0(t)=U0m。允许输入电压允许输入电压Ud变化，因此，必须使用占空比的变化，因此，必须使用占空比的控制，以使输出电压控制，以使输出电压U0维持不变。维持不变。下 页上 页返 回 T 稳态运行条件下，稳态运行条件下，设开关器件的峰值电设开关器件的峰值电压和峰值