直流斩波电路工作原理分析

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+-SDLCRUoIiIo图1-1BUCK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+-LCRUoIiIoa)S导通时等效电路LCRUoIoCRUoIob)S关断，iL≠0时等效电路c)S关断，iL=0时等效电路图1-2BUCK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。uSuLUi-Uo-UotontoffiLtontoffiLUi-Uo-Uo△1a)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图1-3BUCK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)0iooUUDUD（1-1）化简可得oiUDU（1-2）b)电感电流断续时，有1()0iooUUDU（1-3）化简可得1oiDUUD（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。3Ui+-SDLCRUoIiIo图2-1BOOST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+-LCRIiIoa)S导通时等效电路Ui+-LCRUoIiIoCRUoIob)S关断，iL≠0时等效电路c)S关断，iL=0时等效电路图2-2BOOST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。4uSuLUi-UoUitontoffiLuSuLtontoffiLUi-Uo△1Uia)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图2-3BOOST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)0iioUDUUD（2-1）化简可得11oiUUD（2-2）b)电感电流断续时，有1()0iioUDUU（2-3）化简可得111oiUUDD（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。5Ui+-SDLCRUoIiIo图3-1BUCK-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+-LCRUoIiIoa)S导通时等效电路LCRUoIoILCRUoIob)S关断，iL≠0时等效电路c)S关断，iL=0时等效电路图3-2BUCK-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。6uSuL-UoUitontoffiLuSuLtontoffiL-Uo△1Uia)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图3-3BUCK-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)0ioUDUD（3-1）化简可得1oiDUUD（3-2）b)电感电流断续时，有10ioUDU（3-3）化简可得1oiDUU（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。7Ui+-SDL1C2RUoIoL2C1UC1IL1IL2图4-1Cuk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+-L1C2RUoIoL2C1IL1IL2Ui+-L1C2RUoIoL2C1IL1IL2a)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uC1≈UC1，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。8uSuL1UitontoffiL1uL2-UoUi-UC1iL2UC1-UouSuL2tontoffiL2△2iL1uL1△1UiUi-UC1UC1-Uo-Uoa)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图4-3Cuk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11()(1)0()(1)0iiCCooUDUUDUUDUD（4-1）化简可得1oiDUUD（4-2）b)电感电流断续时，有1112()0()0iiCCooUDUUUUDU（4-3）化简可得9211·1oiDUUDDD（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+-SDL1C2RUoIoL2C1UC1IL1IL2图5-1Sepic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+-L1C2RUoIoL2C1IL1IL2Ui+-L1C2RUoIoL2C1IL1IL2a)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uC1≈UC1，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。10uL1UitoffiL1uL2UoUi-UC1-UoiL2-UC1tonuL2iL2△2iL1uL1△1Ui-UC1UoUi-UC1-Uotoffa)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图5-3Sepic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11()(1)0(1)0iiCoCoUDUUUDUDUD（5-1）化简可得1oiDUUD（5-2）b)电感电流断续时，有1112()00iiCoCoUDUUUUDU（5-3）化简可得211·1oiDUUDDD（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+-SDL1C2RUoIoC1UC1IL1L2IL2图6-1Zeta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。L1C2RUoIoL2C1IL1IL2Ui+-C2RUoIoL2C1IL2L1IL1a)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uC1≈UC1，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。12uL1UitoffiL1uL2UC1iL2-UoUi-UC1-UotonuL2iL2△2iL1uL1△1UitoffUC1Ui-UC1-Uo-Uoa)电感电流连续时波形b)电感电流断续时波形图6-3Zeta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11(1)0()(1)0iCiCooUDUDUUUDUD（5-1）化简可得1oiDUUD（5-2）b)电感电流断续时，有11120()0iCiCooUDUUUUDU（5-3）化简可得211·1oiDUUDDD（5-4）由此可以看出，电感电流断续时，Zeta斩波电路的输出电压也增大。13七．总结由以上六种直流斩波电路的工作情况分析，可以得出电路具体的工作过程和输出电压。其中，BUCK电路和BOOST电路是最为基本，在此基础上可以进行组合和扩展，得到其他四种既可以升压，又能够降压的电路。BUCK-BOOST电路和Cuk斩波电路的输出电压和输入电压极性相反，而Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的输出电压和输入电压极性相同。Cuk电路和Zeta电路的输入电流和输出电流都是连续的，脉动很小，有利于滤波。