电力电子技术第六章开关模式的DC-DC斩波器

6.1概述

6.2直流斩波器的控制

6.3降压斩波器（BUCK斩波器）

6.4升压斩波器（BOOST斩波器）

6.5升/降压斩波器（Buck-Boost斩波器）

第六章开关模式的直流斩波器

6.6

Cúk

直流斩波器

6.7全桥直流斩波器

首页6.8

直流斩波器的比较

小结

下页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.1概述

直流输出直流输出（可控）直流输出uctr二极管整流器电容滤波器直流斩波器电池负载单相或三相交流电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。斩波器的输入电压通常是未经调节的直流电压。第六章开关模式的直流斩波器

降压斩波器―Buck斩波电路升压斩波器―Boost斩波电路降压/升压斩波器―Buck-Boost斩波电路Cúk斩波器全桥斩波器下页上页返回下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.2直流斩波器的控制UdR+-+-U0开关模式的DC-DC斩波器是利用一个或多个开关将某个直流电压等级转换成另一个电压等级。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（ton和toff）的控制实现输出电压平均值。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

u00ttonU0UdtoffTs

输出电压u0的平均值U0取决于ton和toff。控制输出电压的方法之一是保持开关频率为一个恒定值，脉宽调制技术开关周期保持不变，然后再调节开关导通的持续时间，以此控制输出电压的平均值。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

占空比开关在一个开关周期中的导通时间与整个开关周期之比。放大器比较器U0整定值U0实际值重复波形输入开关控制信号uctr在恒频开关模式下，开关控制信号将电压控制信号uctr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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ust.m开关控制信号通tonTs断通断ustUctr>ustuctrUctr<usttoff根据图中uctr和锯齿波的峰值Ust.m可知，开关占空比为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.3降压斩波器（BUCK斩波器）

降压斩波电路的平均输出电压比它的输入电压Ud低，它主要用于调节直流电源的输出，或调节直流电动机的转速。UdR+-+-U0u00ttonU0UdtoffTs下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据开关的占空比计算降压斩波器基本电路的平均输出电压：将式带入到上式得：k=Ud/Ust.m

只要改变占空比ton/Ts，就能够改变输出电压U0。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

降压斩波器存在两点问题实际负载可能是感性的。即使在纯电阻负载情况下，连接线路中总会有杂散电感存在，这表明电路中的开关应能吸收或耗散掉感性能量，这样有可能会损坏开关。输出电压在0～Ud之间波动。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

通过图中的二极管解决储存的感性能量，通过一个电感和电容构成的低通滤波器来解决大部分输出电压的波动问题。LUd+-+-u0iidiL+-uLu0=U0+-Ri0C低通滤波器下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

没有低通滤波器时斩波器的输出电压波形除了有一个直流电压U0外，还含有随开关频率fs波动的谐波，以及它的倍数次谐波，低通滤波器带有衰减特性。u0itonU0UdtofftUfsua的频谱fU0U2fsU3fsfs2fs3fs下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

低通滤波器带有衰减特性，是由于图中的负载电阻R所造成的。在选择低通滤波器的转折频率fc时，总是使它比开关频率低得多，这样就可将输出电压中含有开关频率分量的纹波基本上消除。0-40dB-80dBfc(log坐标)10fc100fcf下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

u0itonU0UdtofftUfsua的频谱fU0U2fsU3fsfs2fs3fs在开关闭合期间，图中的二极管变为反向偏置，此时，输入电源将能量送到负载和电感中。在开关断开时，电感中的电流则经过二极管将它所储存的能量转移到负载中。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

u0itonU0UdtofftUfsua的频谱fU0U2fsU3fsfs2fs3fs在降压斩波电路中，电感中的平均电流等于平均输出电流I0，因在稳定运行状态下，流过电容的平均电流为零。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.3.1

连续导通模式ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0连续导通模式电感中的电流连续，即iL(t)>0。当开关闭合时，并假定闭合的持续时间为ton，则电感电流通过开关，并对二极管形成反偏。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

R+Ud-+-U0+uL

-LiL

C电感上的电压uL=Ud-U0为正，这个电压使电感电流iL线性增加。+Ud-+uL

-LiL

CR+-U0当开关处于断开状态时，电感电流iL继续保持流动，这个电流此时是经过二极管形成通路，如图所示，此时的电感电压uL=﹣U0。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

稳态运行波形每个周期的波形重复，电感电压uL(t)在一个周期内的积分为零。考虑到Ts=ton+toff，该积分可表示为：ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

或ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0

在电流连续模式下，只要输入电压Ud保持不变，输出电压U0与占空比D的关系即为线性关系，且与其它电路参数没有关系。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

u0itonU0UdtofftUfsua的频谱fU0U2fsU3fsfs2fs3fs上式可由uoi的平均值推得。假设电感电压的平均值为零，在稳定运行条件下的电感电压平均值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

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Pd=P0因此UdId=U0I0，整理后得：

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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.3.2开关的连续与断续导通边界Ud–U0uLtiL.miL.iLB

–i0Btoffton当电感电流iL(t)下降到零时，正好对应关断周期的结束。则有：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

断续当Ts、Ud、U0、L和D的值给定时，如果输出电流，或平均电感电流小于下式的ILB时，则iL(t)将变得不连续。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ud保持不变时的断续导通模式6.3.3电流断续导通模式因U0

=DUd，在式表示的临界连续导通模式下，平均电感电流为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

D00.51.0iLB=ioBUd为常数由上式看出，在连续导通模式下，当D=0.5处时，输出电流达到它的最大值：由上两式导出：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ud–U0uLtiL.miL.iLB

–i0Btoffton假定斩波器在给定的Ts、Ud、L和D一组参数下处于图中所示连续导通模式的临界状态，且所有这些参数均保持不变，则当输出负载减小时平均电感电流将下降。此时U0将增加，同时出现电感电流的断续。uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

在D2Ts的时间段内，电感电流、电感电压均为零，负载电阻所需的功率由滤波电容提供。此时有：经整理后得：D+D1<1.0

uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs由图可知：所以由上两式可得到：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

考虑到式的关系有：将式带入上式后得：最后可得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据式和导出：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

1.00.750.500.25000.51.01.52.0D=1.00.30.1断续运行区Ud为常数Ud保持恒定时，降压斩波器在两种模式下的运行特性。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ud保持为常数时的断续导通模式因Ud=U0/D，在连续导通模式的边界处，平均电感电流可由式推得：保持U0为常数，在D=0时ILB为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

由式和推得：当斩波器的输出电压U0保持不变时，由上式和及得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

为常数D1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25U0为常数、Ud/U0取不同值时，占空比D随I0/ILB.max变化的曲线。

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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.3.4输出电压的纹波tttuL-U0000Ud–u0DQDI1/2IL=I0Ts/2DU0U0iLu0设iL中的所有纹波分量都流经电容，平均电流分量流经负载电阻。纹波电压的峰-峰值DU0为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

+Ud-+uL

-LiL

CR+-U0借助图中在关断时间段toff内的关系表示DIL的值：由上式和得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

进一步推得：式中,fs=1/Ts

通过合适地选择输出端低通滤波器的转折频率fc就可减小输出电压纹波，此处只要满足fc<<fs即可。只要斩波器是在连续导通模式下运行，则输出纹波的大小就与输出负载的容量无关。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4升压斩波器（BOOST斩波器）

+Ud-+uL

-RLiLCi0升压斩波器对直流电源进行调节，以及直流电动机的再生制动。升压斩波器的输出电压高于它的输入电压。当开关器件处于导通状态时，电源将能量传送到电感中；当开关器件处于断开状态时，电源和电感同时都向输出部分提供能量。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4.1升压斩波器的连续导通模式tttuLUd00Ud–u0ILTsiLtontoff升压斩波器连续导通模式下iL(t)>0。电感电压在一个开关周期内对时间的积分应为零:下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

假设电路不存在损耗，即Pd=P0，或UdId=U0

I0，由此可得：对式等号两端同除以Ts，并经重新整理后得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4.2连续和断续导通模式的边界0toniLttoffuLTsIL=ILBiL.m临界状态下的关断时间终点时刻，电流iL降为零。临界状态的电感电流平均值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

因：所以可表示为：升压斩波器的电路中id=iL，根据上两式，临界导通模式下的平均输出电流为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

U0为常数D0IoB1/31.00.750.500.25ILB当D=0.5时，ILB达到最大值ILB.max：应用中，升压斩波器的输出电压U0保持不变，占空比D不断变化，输入电压不断改变。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

当D=1/3=0.333时,IoB的最大值为：U0为常数D0IoB1/31.00.750.500.25ILBIoB的最大值为：ILB的最大值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4.3升压斩波器的断续导通模式0toniLttoffuLTsUd-U0UdUd和D保持不变时连续导通边界处的波形0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTsUd和D保持不变时断续导通边界处的波形下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTs令电感电压在一个开关周期的积分值为零：移项整理后可得：因Pd

=P0，所以：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTs斩波器的平均输入电流等于电感电流，其表达式为：将上式代入到式中得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

U0为常数D01/31.00.750.500.251.2500.750.500.251.0电流断续工作区在电流断续模式下，如果在每个开关周期都不对U0进行控制，那么电感中的能量为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

例

在某一升压斩波器中，欲采用占空比来调节输出电压U0，并使之维持在48V。设斩波器输入电压的波动较大，波动范围为12～36V，负载所需的最大输出功率为120W。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。已知开关频率为50kHz，同时假设所有电路器件均为理想器件，电容C可认为足够大。试根据以上条件计算电感L的值最大能达到多少？下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

解

由给定条件知：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。U0为常数D0IoB1/31.00.750.500.25ILB由于斩波器输入电压Ud的波动范围为12～36V，在临界连续导通模式下，要求占空比D在0.75～0.25之间变化。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

U0为常数D0IoB1/31.00.750.500.25ILB在0.75～0.25之间变化范围内，将IoB的最小值D=0.75代入下式：令所得值为输出电流的最大临界值IoB.max=2.5A，因此，所求电感值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4.4器件的寄生效应1.00D寄生效应特征

升压斩波器中，器件的寄生效应与电路中电感、电容、开关以及二极管的损耗有关。变化时，因当占空比的值较高时，开关利用率偏低，使得实际的U0/Ud逐渐下降。当占空比逐渐向“1”下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.4.5输出电压的纹波tt(1-D)Tstoff00iDtonU0DU0DTsDQDQID=I0设二极管电流iD的所有纹波分量都从电容流过，平均电流从负载电阻通过，假设输出电流保持恒定，则电压纹波的峰-峰值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

令时间常数t=RC，并将电压波动用输出电压为基数的标幺值来表示，则可写为：tt(1-D)Tstoff00iDtonU0DU0DTsDQDQID=I0下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5升/降压斩波器

（Buck-Boost斩波器）

Buck-Boost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。Buck-Boost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，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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-由式和可知，级联后的输出电压与输入电压之比为：

随着占空比D的变化，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-当开关闭合时，电感从电源得到能量，此时二极管由于反偏而处于截止状态；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够大，能使输出电压u0(t)维持在它的稳定值U0附近，即可近似认为u0(t)U0。当开关断开时，储存下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5.1连续导通模式UdDTs=ton00iLuL(1-D)Ts=toff-U0IL=Id+I0tt+Ud-+uL

-RLiLC-U0++Ud-+uL

-RLiLC-U0+电感电流在连续导通模式下的关波形下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

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：经移项整理后得：假定输入功率Pd等于输出功率P0，还可推导出：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5.2Buck-Boost斩波器的连续和断续导通边界IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m开关关断时间结束时，电感电流iL(t)为零。平均电流为：稳态运行时，电容电流的平均值为零:-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

平均电感电流为：平均输出电流为：D=0时ILB的极大值为：D=0时IoB的极大值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

可得：根据下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

U0为常数1.00.750.500.25000.51.00.750.25DILB/ILB.maxIoB

/Iob.max输出电压U0保持恒定不变时，ILB和IoB随D变化的曲线。IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5.3断续导通模式uLiLUd0tDTsD2Ts-UdD1Ts令电感电压在一个开关周期的积分值为零：经整理后得：根据输入功率等于输入功率的概念：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

uLiLUd0tDTsD2Ts-UdD1Ts根据右图可推出：因U0为常数，根据前面各关系式，可得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25U0为常数电流断续工作区在不同U0/Ud下占空比D随电流比I0/IoB.max变化的曲线。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

例

已知某一Buck-Boost斩波器的开关频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容足够大，输入电压Ud=15V。现欲将输出电压维持在10V，并给负载提供10W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界连续导通状态，因此，应用式可得：解解得:D=0.4

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将D=0.4代入式可得:将D=0.4和IoB.max=5A代入式IoB=IoB.max(1-D)2

得：因实际输出电流I0=1A，它小于IoB=1.8A，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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

在电流断续模式下，应用式得实际所求的占空比为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5.4断续导通模式0D寄生效应特征器件的寄生特性对斩波器的电压转换比和反馈调节的稳定性有很大影响。生器件模型加到仿真程序中，以对斩波器有一个较为真实的稳态特性分析。在对斩波器进行设计时，可将这样的寄下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.5.5输出电压的纹波u0tt(1-D)Ts00iDU0DU0DTsDQDQID=I0假设输出电流保持恒定，则纹波电压的峰-峰值为：经移项和整理后得：式中t=RC为时间常数下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

+Ud--uL2+RL2iL2C2-U0+TiL1C1D+uL1-L1稳定运行条件下，由于电感电压UL1和UL2在一个开关周期的积分值为零，因此有：UC1=Ud

+U0

6.6Cúk

直流斩波器下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

断断通通Ud0tttt000iL2uL2iL1uL1(1-D)Ts-toffDTs=tonIL1IL2Ud-UC1=-U0UC1-U0-U0UC1的幅值比Ud和U0都要高。设C1足够大，以至在稳态运行下可忽略电容电压的波动，即认为电容电压的瞬时值uC1(t)近似等于它的平均值UC1。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ud+uCL

-RDiL1C-U0+L2L1iL2+uL1--uL2+当开关处于断开位置时，电感电流iL1和iL2均经过二极管形成各自的闭合回路，此时电源和电感L1经由二极管形成的闭合回路向电容C1充电。因UC1高于输入电压Ud，所以电流iL1会逐渐减小。与此同时，储存在电感L2中的能量则会转移到负载上，电感电流iL2也将逐渐衰减。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

Ud-uCL

+RDiL1C-U0+L2L1iL2+uL1--uL2+当开关处于闭合位置时，UC1使二极管反偏而使其关断，此时的电感电流iL1和iL2都会流经开关而形成各自的闭合回路。因UC1>U0，C1可通过开关放电，将自身所储存的能量输出给负载和L2中。这样，iL2得到增加，此时电源也给电感L1补偿能量，使iL1增加。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

假设电容电压UC1稳定，根据电感L1、L2在一个开关周期上的平均电压为零的概念，于是得到：经整理后有:经整理后有:解释Cúk斩波器原理的第一种方式下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

和两式相等因此，设Pd=P0，用Id表示

IL1、I0表示IL2，因此有：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

假设电感电流iL1和iL2均为平稳电流。当开关处于断开状态时，传递到C1中的电荷等于IL1(1-D)Ts；当开关处于闭合状态时，电容的放电量则为IL2DTs。稳定运行条件下，一个开关周期中流动的平均净电荷为零，因此有：解释Cúk斩波器原理的第二种方式下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

由于输入功率等于输出功率，还可得:采用Cúk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Cúk电路中就有可能完全消除iL1和iL2的纹波，从而能有效地降低外部滤波电路的要求。Cúk电路的缺点是电容C1要足够大，使之能完全吸收纹波电流的能量。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

例

设某一Cúk电路的开关频率为50kHz，L1=L2=1mH，C1=5mF。已知输出电容已足够大，使输出电压能维持恒定。现利用Cúk电路将输入电压为Ud=10V调节到输出电压为U0=5V，负载功率为5W，同时假设电路中的所有器件均为理想器件。现分别假设C1两端电压为恒定值，或假设电感电流iL1和iL2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。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

解

设电容电压为恒定值，由式UC1=Ud+U0有：

uC1(t)=UC1=10+5=15V假设电流连续，根据式可得：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据式可得到在开关的断开时间段内电流的波动幅值分别为：由于UC1–Ud=U0，在L1=L2的条件下，会出现DiL1=DiL2的情况。

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因DiL1<Id(=IL1)，DiL2<I0(=IL2)，所以，斩波器工作在连续导通状态。IL1和IL2为恒定值的假设条件下所产生的偏差分别为：因负载功率为5W，根据式求得：I0=1A，Id=0.5A下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

设iL1和iL2为恒定值。根据上图可知，在开关断开期间有：断断通通Ud0tttt000iL2uL2iL1uL1(1-D)Ts-toffDTs=tonIL1IL2Ud-UC1=-U0UC1-U0-U0下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据iL1=IL1=0.5A的假设，可推得：根据题意，折算到百分数后的值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.7全桥直流斩波器全桥斩波器开关模式直流电机驱动在单相不间断电源UPS中的直流到正弦交流的转换在变压器隔离的开关模式直流电源中，由直流到中高频交流电的转换下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

全桥直流斩波器+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

通态当给全桥斩波电路中开关一个触发信号时，这个开关的导通或不导通，取决于输出电流i0的方向。导通状态当给全桥斩波电路中开关一个触发信号时，这个开关经触发后有电流流过。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

封锁时间全桥斩波器同一桥臂的两个开关短时地同时处于断态的时间段。

封锁时间就可避免出现桥臂直通的短路现象。如果斩波器中任一桥臂的两个开关不是同时处于断态，则全桥直流斩波器的输出电流i0就应连续，因此，输出电压完全由开关状态所决定的。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

当TA+为通态、TA-为断态时：uAN=Ud

+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

当TA-为通态、TA+为断态时：uAN=0

+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

桥臂A的输出电压与输入电压Ud和TA+的占空比有关，平均值表达式可写为：DTA+：TA+的占空比ton：TA+的导通时间toff

：TA+的断开时间下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

桥臂B的输出电压与Ud和TB+的占空比有关，与该桥臂的输出电流无关：DTB+：TB+的占空比

斩波器的输出电压幅值U0(=UAN–UBN)可通过控制开关占空比来实现，且它与输出电流i0的幅值和方向无关。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

双极性PWM开关模式将（TA+、TB-）和（TA-、TB+）看成是两个开关对，而每对开关的导通和关断是同时发生的。单极性PWM开关模式将单极性的PWM看成是双PWM开关信号，此时，逆变器每个桥臂上两个开关的控制与其它桥臂的控制无关。桥式斩波器PWM调制方式下页上页返回(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：导通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0导通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)6.7.1双极性PWM开关

假设开关信号由具有开关频率的三角波utri与电压控制波uctr经比较后形成，当uctr

>utri时，TA+和TB-触发导通，否则TA-和TB+触发导通。第六章开关模式的直流斩波器

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0t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2utri若任意选定一个图示的时间起点，则对应的占空比可表示为：式中，Utri.m表示三角波的极值。在上图中，当t=t1时，utri=uctr，根据上式可知：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

开关对1（TA+、TB-）的导通持续时间ton为：根据上式可导出开关对1的占空比为：开关对2（TB+、TA-）的占空比为：D2=1﹣D1

(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：导通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0导通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据已求占空比和式可得UAN和UBN以及对应的输出电压：(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：导通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0导通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

将代入到式得：式中，k=Ud/Utri.m

（常数）

开关模式的斩波器与单个开关的斩波器平均输出电压均与输入控制信号成线性关系，相当于是一个线性放大器。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：导通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0导通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)输出电压u0的波形在+Ud和-Ud之间跳变。D1在0～1之间变化，主要是由控制电压信号uctr的幅值和极性决定。根据式下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

同时忽略封锁时间，由此可以得出：根据双极性PWM全桥斩波器的输出电压U0可在-Ud～Ud之间连续变化，且该输出电压与输出电流i0无关。双极性PWM全桥斩波器，平均输出电流I0既可以为正，也可以为负。当I0的值比较小时，i0在一个周期的值可能会出现有正有负的情况。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

6.7.2单极性PWM开关模式当TA+和TB+同时处于通态，则无论电流i0的方向如何，输出电压u0为零。当TA-和TB-同时处于通态时，输出电压为零。+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNtu0=uAN-uBNU0Udt工作器件：(TA-,TB-)i0I0(DA+,DB-)tI0>0i0I0t(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)Utri.At1t1t1t12t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)(DA-,TB-)(DA-,TB-)Tsuctr与utri的比较结果用于桥臂A的控制。-uctr与utri的比较结果用于桥臂B的控制。输出方式为：若uctr>utri，触发TA+

若-uctr>utri，触发TB+

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开关TA+的占空比D1由式确定。开关TB+的占空比D2由式D2=1﹣D1确定。输出电压为：

在单极性PWM开关模式下，平均输出电压U0与双极性PWM开关模式的输出电压表达式是一样的，且都是与uctr呈线性关系。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

例

在全桥直流斩波器中，已知输出电压Ud为常数，现欲通过改变占空比来调节输出电压。若以平均输出电压U0为变量，在单极性和双极性PWM两种开关模式下，试计算输出电压中的纹波电压有效值Ur=?解

双极性PWM开关模式：0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：(TA-,TB+)(TA+,TB-)(TA-,TB+)下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

输出电压u0的波形不受uctr/Utri.m比值的影响，输出电压的有效值为：U0.rms=Ud

0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：(TA-,TB+)(TA+,TB-)(TA-,TB+)输出电压的平均值U0可直接由下式求得。下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

根据有效值的定义和式U0.rms=Ud

、U0=(2D1-1)Ud的关系，输出电压的纹波为：

随着D1从0逐渐增加到1，U0也会由-Ud逐渐过渡到Ud。00-0.5-1.01.0(b)0.51.00.750.500.25(a)下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

单极性PWM开关模式：000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNtu0=uAN-uBNU0Udt工作器件：(TA-,TB-)i0I0(DA+,DB-)tI0>0i0I0t(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)Utri.At1t1t1t12t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)(DA-,TB-)(DA-,TB-)Ts图中的时间间隔为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

u0=uAN-uBN0U0Udt工作器件：(TA-,TB-)(TA+,TB-)(TA+,TB-)2t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)根据上图uctr>0时输出电压u0的波形和式输出电压的有效值为：下页上页返回第六章开关模式的直流斩波器

可得单极性PWM开关模式下输出电压中纹波电压的有效值为：根