第5章 直流斩波电路.

3-1第5章直流斩波电路5.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）5.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）5.3直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*5.4两象限、四象限直流/直流变换器*5.5多相、多重直流/直流变换器5.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结（C）3-2第5章直流斩波电路·引言将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器(DC/DCConverter)。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流-交流-直流变换。6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta波电路。复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。（C）电路种类直流斩波电路（DCChopper）3-35.1.1降压斩波电路电路结构全控型器件。若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，或作为串联开关型稳压电路。功率器件V的驱动和保护电路见第1章有关内容。降压斩波电路(BuckChopper)（B）注：如何检测电流i0？3-4例：降压斩波电路的分析基本电路如图a)，开关器件V在开通(ON)和关断(OFF)两种状态下的等效电路分别见图b)和c)(只考虑电流连续的情况)。如图可见，在开关器件V的状态确定后，两个等效电路均可按线性电路进行分析，前面课程中学过的知识可得到利用。实际应用电路会比该电路复杂得多，但基本的分析方法是一致的。a)b)c)（A）5.1.1降压斩波电路3-55.1.1降压斩波电路工作原理tttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa)电路图c)电流断续时的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM图3-1降压斩波电路的原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。（C）通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示3-65.1.1降压斩波电路数量关系电流连续（设电感很大，电流脉动较小）ononoonoffttUEEEttT（3-1）oMoUEIR（3-2）ton—V通的时间toff—V断的时间T—开关周期—导通占空比输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。1ooEIUI（B）负载电压平均值：按照电感上伏秒积分平衡或能量平衡负载电流平均值：3-75.1.1降压斩波电路数量关系电流不连续（3-3）ton—V通的时间tx—电感电流断的时间T—开关周期（B）负载电压平均值：不成立换成电容：电流连续情况下：3-85.1.1降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton——脉冲宽度调制(PWM)。ton不变，变T——脉冲频率调制(PFM)。ton和T都可调，改变占空比——混合型。此种方式应用最多第2章2.1节和本章前均介绍过：电力电子电路实质上是分时段线性电路的思想。基于分段线性的思想，对降压斩波电路进行解析。（B）分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续3-95.1.2升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。(L：储存电能；C：保持输出电压。)V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。注意：电路不能空载工作?动态演示0uGE0ioI1图5-2升压斩波电路及工作波形a)电路图b)波形（B）此斩波电路亦称作并联开关型稳压电路。(BoostChopper)3-105.1.2升压斩波电路数量关系V通态时间ton，此阶段L上积蓄的能量为：。V断态时间toff，此期间电感L释放能量为：。稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：1ooffUEIt1onEItonoffooffoffttTUEEtt（5-21）（5-20）11()onooffEItUEIt化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。T/toff——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和的关系：+b=1因此，式（3-21）可表示为：111oUEEbofftTb（5-23）（5-22）（C）3-11设：1.相对于开关周期T而言，L、C的值足够大(或T足够小)。2.一周期中，i1=I1、u0=U0保持不变。ton期间：uL=E；toff期间：uL=E-U0。一周期内L中的能量变化为零，即：得：由此得出：将代入上式，进一步解得：，即式(5-23)。5.1.2升压斩波电路例：式（5-23）的详细推导T100Luidt（A）ont1010()0onTtEIdtEUIdt101()()0ononEItEUITt/ontT011UE图3-2a）3-125.1.2升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能起电压泵升的作用；电容C可将输出电压保持住。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。1EIUIoo输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo(5-25)电源电流的平均值I1为：阻抗变换器：REIEUI2oo11b(5-26)（B）221(1)ERRIb（5-24）3-135.1.2升压斩波电路例：带馈能式缓冲电路的升压斩波电路一般C1=C2。C1中储存的能量为C1UO2/2。注：1、缓冲电路由哪些元件组成？2、缓冲电路的工作原理？3、缓冲电路对斩波电路正常工作的作用和影响？4、VT导通瞬间，流过VT的电流是否就是i1？5、要使UO更接近理想直流应采取哪些措施？（A）3-145.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1)升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构（B）图3-4a）注：该电路能否空载工作？注意：电源和负载压降定义的方向（极性）不同。3-155.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也被称作反极性斩波电路。注意：电路不能空载工作。动态演示b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：开关器件承受的电压是多少？3-165.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零。0d0LTut（5-39）所以输出电压为：1ononooffonttUEEEtTt（5-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uoonooffEtUt（5-40）（C）即：3-175.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-4b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：12onofftIIt（3-42）由上式得：2111offontIIIt（3-43）结论当0α1/2时为降压，当1/2α1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。12oEIUI（3-44）ototi1i2tontoffILIL（B）图3-4b）3-185.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk(Cuk、丘克、库克)斩波电路V通时，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有电流。V断时，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图5-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路（B）／注：1、开关器件承受的电压是多少？2、该电路能否空载工作？3-195.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：Tti0C0d（5-45）V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：off1on2tItI（5-46）211offononontTtIItt（5-47）1ononooffonttUEEEtTt（5-48）其输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。优点(与升降压斩波电路相比)：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。（B）缺点：电容C的电流波动大，电流冲击严重。3-20分析时的注意点：1.能量守恒关系；2.合理假设。设：1.L1、L2、C足够大，T足够小；2.一周期中i1=I1、i2=I2、uc=Uc保持不变。一周期内C中的能量变化为零，即：得：由及得：即式(5-47)。同理，可照此对L1、L2进行分析。例：式(5-47)的详细推导T00CCuidt（A）ont2100()onTCCtUIdtUIdt210()ononItITt/ontT211II5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图5-5a）3-21+uc－5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路例：有一输入电压E=10V，开关频率为50kHz的Cuk斩波电路(如图)，输出端接足够大的电容使输出电压UO=5V不变，求：1).占空比；2).电容C两端的平均电压Uc；3).开关器件的ton和toff。解：1).由，得：2).由E=uL1+uC+uL2+(-UO)，且稳态时电感上的平均电压UL1=UL2=0，得：UC=E–(-UO)=15V*3).由=ton/T=(T–toff)/T，得：ton=T=6.67μS，toff=T–ton=13.33μS。1OUE13OOUUE*uc瞬时值可能会波动较大，具体数值可通过列方程求解或通过仿真得出。（A）3-225.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Sepic电路的结构和原理V通态，E-L1-V回路和C1-V-L2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E-L1-C1-VD-负载回路及L2-VD-负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电(C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移)。输入输出关系：1ononooffonttUEEEtTt（3-49）（B）注：1、该电路能否空载工作？2、试推导该电路输出电流IO的表达式。a)Sepic斩波电路图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路3-23设：1.L1、L2、C1、C2的值足够大，T足够小。2.一周期中，i1=I1、i2=I2、uC1=UC1、u0=U0保持不变。ton期间：uL1=E、uL2=UC1；toff期间：uL1=E-U0-UC1、uL2=-U0。稳态时，一周期内L1、L2中的能量变化为零，即：由上二式和，得：，即式(3-49)。5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路例：式（5-49）的详细推导12020ConoffUItUIt（A）/ontT01UE10110()onCoffEItEUUIt图5-6a）Zeta斩波电路的分析方法与此相同。3-245.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路的结构和原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能，同时E和C1共同向R和C2供电。V关断后，L1经VD将储存的能量转移到C1，同时C2向R供电，L2的电流经C2、R和VD续流。输入输出关系：图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩