直流升压降压原理

3.1基本斩波电路重点：最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。3.1.1降压斩波电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图3-1中Em所示工作原理，两个阶段t=0时V导通，E向负载供电，uo=E，io按指数曲线上升t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降为使io连续且脉动小，通常使L值较大EV+-MRLVDioEMuo图降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形数量关系电流连续时，负载电压平均值EETtEtttUonoffonono（3-1）导通占空比，简称占空比或导通比Uo最大为，减小，Uo随之减小降压斩波电路。也称为Buck变换器（BuckConverter）。负载电流平均值REUImoo（3-2）电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现斩波电路三种控制方式（1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton（2）频率调制或调频型——ton不变，改变T（3）混合型——ton和T都可调，使占空比改变其中PWM控制方式应用最多基于“分段线性”的思想，可对降压斩波电路进行解析3.1.2升压斩波电路1.升压斩波电路的基本原理EVRLVDCioi1uo图3-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形工作原理假设L值、C值很大V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1tonV断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为offotIEU1稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等offoontIEUtEI11（3-20）化简得：EtTEtttUoffoffoffono（3-21）1/offtT，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器offtT/——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作，即Ttoff。和导通占空比有如下关系：1（3-22）因此，式（3-21）可表示为EEUo111（3-23）升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因L储能之后具有使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住2.升压斩波电路的典型应用直流电动机传动单相功率因数校正（PowerFactorCorrection—PFC）电路用于其他交直流电源中EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时用于直流电动机传动时通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态电机反电动势相当于图3-2中的电源，此时直流电源相当于图3-2中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。电路分析基于“分段线性”的思想进行解析V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式mERitiL11dd（3-27）式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初值为I10，解上式得tmteREeIi1101（3-28）当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLm22dd（3-29）设i2的初值为I20，解上式得：tmteREEeIi1202（3-30）当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：REeemREeeREITtmoff111110（3-33）REeeemREeeeREITTtmon1120（3-34）把上面两式用泰勒级数线性近似，得REmII2010（3-35）该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmImo（3-36）对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为eem11（3-38）根据此式可对电路的工作状态作出判断。3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1.升降压斩波电路VDERLa)CVi1i2uLuoILotb)oti1i2tontoffILIL图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。基本工作原理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，该电路也称作反极性斩波电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即TLtu00d（3-39）当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：offoontUtE（3-40）所以输出电压为：EEtTtEttUononoffono1（3-41）改变，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压当1/21时为升压。0.179因此称作升降压斩波电路。或称之为buck-boost变换器。2.Cuk斩波电路图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。ERVDa)CVL1L2uoRCBASEi1L1L2i2uAuBuo+-RCBASEi1L1L2i2uAuBuo+-b)图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即TCti00d（3-45）在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为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offontItI12（3-46）从而可得112onononoffttTttII（3-47）当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出：当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uC；当S合到A点时，uB=uC，uA=0因此，B点电压uB的平均值为CoffBUTtU（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以CoffBUTtUE。另一方面，A点的电压平均值为ConAUTtU，且L2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有ConoUTtU。于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：EEtTtEttUononoffono1（3-48）这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。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。3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。RVDEVb)RVDEa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uoi1C1L1uoC2L2图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a）Sepic斩波电路b）Zeta斩波电路Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）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。Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：EEtTtEttUononoffono1（3-49）Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在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共同向负载R供电，并向C2充电。待V关断后，L1经VD向C1冲电，其贮存的能量转移至C1。同时，C2向负载供电，L2的电流则经VD续流。Zeta斩波电路的输入输出关系为：EUo1（3-50）两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。