第5章 直流斬波電路

3-1第5章直流斬波電路5.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）5.2直流/直流升壓變換器（BoostDC/DC變換器）5.3直流升壓－降壓變換器（Boost-Buck變換器或Cuk變換器）*5.4兩象限、四象限直流/直流變換器*5.5多相、多重直流/直流變換器5.6帶隔離變壓器的直流/直流變換器3.2

復合斬波電路和多相多重斬波電路

本章小結（C）3-2第5章直流斬波電路·

引言

將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流

-

直流變換器(DC/DCConverter)。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直?交流-直流變換。6

種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta波電路。復合斬波電路——不同結構基本斬波電路組合。多相多重斬波電路——相同結構基本斬波電路組合。（C）電路種類直流斬波電路（DCChopper）3-35.1.1降壓斬波電路

電路結構

全控型器件。若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢

典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，或作為串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路。功率器件

V

的驅(qū)動和保護電路見第1章有關內(nèi)容。

降壓斬波電路(BuckChopper)（B）注：如何檢測電流i0？3-4例：降壓斬波電路的分析 基本電路如圖a)，開關器件V

在開通

(ON)和關斷

(OFF)兩種狀態(tài)下的等效電路分別見圖b)和c)(

只考慮電流連續(xù)的情況

)。如圖可見，在開關器件V的狀態(tài)確定后，兩個等效電路均可按線性電路進行分析，前面課程中學過的知識可得到利用。 實際應用電路會比該電路復雜得多，但基本的分析方法是一致的。a)b)c)（A）5.1.1降壓斬波電路3-55.1.1降壓斬波電路工作原理tttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa)電路圖c)

電流斷續(xù)時的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM圖3-1

降壓斬波電路的原理圖及波形t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。（C）通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。動畫演示3-65.1.1降壓斬波電路數(shù)量關系

電流連續(xù)（設電感很大，電流脈動較?。?-1）（3-2）ton

—V通的時間toff—V斷的時間

T—開關周期a—導通占空比輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。（B）

負載電壓平均值：按照電感上伏秒積分平衡或能量平衡

負載電流平均值：3-75.1.1降壓斬波電路數(shù)量關系

電流不連續(xù)（3-3）ton

—V通的時間tx

—電感電流斷的時間T—開關周期（B）

負載電壓平均值：不成立換成電容：電流連續(xù)情況下：3-85.1.1降壓斬波電路斬波電路三種控制方式T不變，變ton——脈沖寬度調(diào)制(

PWM)。ton

不變，變T——

脈沖頻率調(diào)制(

PFM)。ton

和T都可調(diào)，改變占空比——混合型。此種方式應用最多第2

章2.1節(jié)和本章前均介紹過：電力電子電路實質(zhì)上是分時段線性電路的思想?；诜侄尉€性的思想，對降壓斬波電路進行解析。（B）

分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)3-95.1.2升壓斬波電路工作原理

假設L和C值很大。(L：儲存電能；C：保持輸出電壓。) V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。

V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。

注意：電路不能空載工作?

動態(tài)演示0uGE0ioI1圖5-2升壓斬波電路及工作波形a)

電路圖b)

波形（B）此斬波電路亦稱作并聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路。(BoostChopper)

3-105.1.2升壓斬波電路數(shù)量關系V通態(tài)時間ton

，此階段L上積蓄的能量為：。

V斷態(tài)時間toff

，此期間電感L釋放能量為：。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（5-21）（5-20）化簡得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

T/toff——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b，即。b和a的關系：a+b=1因此，式（3-21）可表示為：（5-23）（5-22）（C）3-11

設：1.

相對于開關周期T

而言，

L、C

的值足夠大(或

T

足夠小)。

2.

一周期中，i1=I1、u0=U0

保持不變。

ton

期間：uL=E；toff

期間：uL=E-U0。一周期內(nèi)L中的能量變化為零，即： 得： 由此得出：將代入上式，進一步解得： ，即式(5-23)。5.1.2升壓斬波電路例：式（5-23）的詳細推導（A）圖3-2a）3-125.1.2升壓斬波電路電壓升高的原因：電感

L

儲能起電壓泵升的作用；

電容C

可將輸出電壓保持住。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即：。與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。

輸出電流的平均值Io為：(5-25)

電源電流的平均值I1為：阻抗變換器：(5-26)（B）（5-24）3-135.1.2升壓斬波電路

例：帶饋能式緩沖電路的升壓斬波電路 一般C1=C2。

C1

中儲存的能量為

C1UO2/2。注：

1、緩沖電路由哪些元件組成？

2、緩沖電路的工作原理？

3、緩沖電路對斬波電路正常工作的作用和影響？

4、VT導通瞬間，流過VT的電流是否就是i1？

5、要使UO更接近理想直流應采取哪些措施？（A）3-145.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路

1)升降壓斬波電路

(buck-boostChopper)

電路結構（B）圖3-4a）注：該電路能否空載工作？

注意：電源和負載壓降定義的方向（極性）不同。3-155.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路基本工作原理a)圖3-4升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也被稱作反極性斬波電路。注意：電路不能空載工作。動態(tài)演示b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：開關器件承受的電壓是多少？3-165.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零。（5-39）所以輸出電壓為：（5-41）V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo（5-40）（C）即：3-175.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-4b)中給出了電源電流i1

和負載電流i2

的波形，設兩者的平均值分別為I1

和I2，當電流脈動足夠小時，有：（3-42）由上式得：（3-43）

結論當0<α

<1/

2時為降壓，當1/

2<α

<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。

其輸出功率等于輸入功率，可看作直流變壓器。（3-44）ototi1i2tontoffILIL（B）圖3-4b）3-185.1.3升降壓斬波電路和Cuk

斬波電路2)Cuk

(Cuk、丘克、庫克

)斬波電路V通時，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有電流。

V斷時，E

-

L1

-

C

-

VD回路和R

-

L2

-VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。圖5-5Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路（B）／注：1、開關器件承受的電壓是多少？

2、該電路能否空載工作？3-195.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路同理：（5-45）V處于通態(tài)的時間ton

，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間toff

，則電容電流和時間的乘積為I1toff。由此可得：（5-46）（5-47）（5-48）

其輸出功率等于輸入功率，可看作直流變壓器。優(yōu)點

(與升降壓斬波電路相比)： 輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。（B）

缺點：電容C

的電流波動大，電流沖擊嚴重。3-20

分析時的注意點：

1

.

能量守恒關系；

2.合理假設。設：1

.L1、L2、C

足夠大，

T足夠?。?/p>

2.一周期中i1=I1、i2=I2、uc=Uc

保持不變。一周期內(nèi)C中的能量變化為零，即：得：由及

得： 即式(5-47)。同理，可照此對L1、L2

進行分析。例：式

(5-47)的詳細推導（A）5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路圖5-5a）3-21+uc－

5.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路例：有一輸入電壓E=10V，開關頻率為50kHz的Cuk斬波電路(如圖)，輸出端接足夠大的電容使輸出電壓UO=5V不變，求：1).占空比a

；2).電容C兩端的平均電壓Uc

；3).開關器件的ton和toff。解：1).由，得：2).由E=uL1+uC+uL2+(-UO)，且穩(wěn)態(tài)時電感上的平均 電壓UL1=UL2=0，得：UC=E–(-UO)=15V*3).由a=ton/T=(T–toff)/T，得：ton=aT=6.67μS，

toff=T–ton=13.33μS。

*uc

瞬時值可能會波動較大，具體數(shù)值可通過列方程求解或通過仿真得出。（A）3-225.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

Sepic電路的結構和原理V通態(tài)，E

-

L1

-

V回路和C1

-

V

-

L2回路同時導電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，E

-

L1

-C1

-

VD

-負載回路及L2

-

VD

-

負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電(C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移)。輸入輸出關系：（3-49）（B）注：1、該電路能否空載工作？

2、試推導該電路輸出電流IO

的表達式。a)Sepic斬波電路圖3-6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路3-23

設：1

.L1、L2、C1、C2的值足夠大，T足夠小。

2.一周期中，i1=I1、

i2=I2、

uC1=UC1、u0=U0

保持不變。

ton期間：uL1=E、uL2=UC1；

toff期間：uL1=E-U0-UC1、uL2=-U0。

穩(wěn)態(tài)時，一周期內(nèi)L1、L2

中的能量變化為零，即：由上二式和，得：，即式(3-49)。5.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路例：式（5-49）的詳細推導（A）圖5-6a）Zeta斬波電路的分析方法與此相同。3-245.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路Zeta斬波電路的結構和原理V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關V向電感L1貯能，同時E和C1共同向R和C2供電。V關斷后，L1經(jīng)VD將儲存的能量轉(zhuǎn)移到

C1，同時C2向R供電，L2

的電流經(jīng)

C2、R

和VD續(xù)流。輸入輸出關系：圖3-6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路（3-50）b)Zeta斬波電路（B）注：1、該電路能否空載工作？

2、試按上頁方法驗證式(3-50)。3-255.1.4Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

兩電路有相同的輸入輸出關系。在一定的條件下，Sepic電路的電源電流連續(xù)，Zeta電路的輸入電流是斷續(xù)的；兩電路的輸出電流是否連續(xù)取決于T

、ton、C

、L諸參數(shù)值。兩電路輸出電壓均為正極性。兩電路的輸出功率等于輸入功率，可看作直流變壓器。（B）圖3-6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路b)Zeta斬波電路a)Sepic斬波電路注：若希望u0更接近理想的直流電壓，可采取那些措施？兩種斬波電路的比較3-265.1 基本斬波電路·小結

各種基本斬波電路的電壓比、器件承受的最高電壓及應用領域歸納于下表電路電壓比公式開關和二極管承受的最高電壓應用領域降壓型各種降壓型開關穩(wěn)壓器升壓型升壓型開關穩(wěn)壓器，升壓型功率因數(shù)校正（PFC）電路升降壓型反向開關穩(wěn)壓器Cuk對輸入輸出紋波要求高的反相型開關穩(wěn)壓器Sepic升降壓型功率因數(shù)校正（PFC）電路Zeta對輸出紋波要求高的升降壓型開關穩(wěn)壓器（A）3-273.1基本斬波電路·小結降壓型：只能降壓不能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流 脈動大，輸出電流脈動小，結構簡單。升壓型：只能升壓不能降壓，輸出與輸入同相，輸入電流 脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結構簡單。升降壓型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電 流脈動大，不能空載工作，結構簡單。Cuk型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電流 脈動小，不能空載工作，結構相對復雜。Sepic型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動 小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結構相對復雜。Zeta型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動 大，輸出電流脈動小，不能空載工作，結構相對復雜。注：1、試述斬波電路可以作為阻抗變換器(或稱可變電阻)。

2、驗證上述各斬波電路的特點。（A）各種基本斬波電路的特點3-28復合斬波電路——降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成。

多相多重斬波電路——相同結構的基本斬波電路組合構成。斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路中電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第

1

象限和第

2

象限。

電流可逆斬波電路（C）5.2復合斬波電路和多相多重斬波電路3-295.2.1

電流可逆斬波電路

電路結構a)電路