直流斩波电路

电力电子技术
第3章
直流变换电路〃引言
id
S
直流变换器的工作原理
工作原理：图中S是可控开关，R为 纯阻性负载。在时间内当开关S接通时 ，电流经负载电阻R流过， R两端就有 电压；在时间内开关T断开时， R中电 流为零，电压也变为零。 占空比： T为开关S的工作周期， Ton为导通时间，Toff为关断时间。占空 Ton 比 D 则 Ton DT , Toff (1 D)T . T 由波形图可知输出电压的平均值为：
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
1. Boost变换器电感电流连续状态时的工作特性：
假设 Boost变换器为理想变换器 两种开关状态
开关状态1 [Ton期间] V导通，VD截止，等效电路为图3.3（a） 电源电压加在电感L上，电感电流iL线性增加。 流的增量为：
uL U d L diL dt
3.2b） t≥Ton时，开关管V阻断，电感电流不能突变，VD导通 为L续流。电感释放能量，给负载供电，由于输出滤波电容两 端的电压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uL＝-Uo保持不 变，所以电感电流线性减小，在t =T 时，iL减小到最小值。 此期间， iVD＝ iL，是线性减小的；ic＝ iL－ Io，也是线性减 小的，从ILmax-Io 减小到ILmin-Io 。 电感电流的减小量为：
输出电压的脉动峰-峰值 Ton期间，负载电流Io靠电容C放电 来供给，uo下降可近似认为放电电流为一常数。 见图3.3（c）
Q I o Ton DI o u o C C Cf
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
2. Boost变换器电感电流断续状态时的工作特性： 三种开关状态 与电感电流连续的状态时相比，增加了V
两种开关状态：
在一个周期内，Ton 期间，V导通，VD截止，称为开关状态1；Toff 期 间，V阻断，VD导通，称为开关状态2.
开关状态1 [Ton期间]， V导通，VD截止，等效电路见（图3.2a）
令t=0时，开关管V导通，电源电压Ud通过V给负载供电，电感储能，
由于输出滤波电容两端的电压Uo 保持不变，所以电感两端的电压 uL＝Ud－Uo保持不变，所以电感电流线性增加，在t =Ton =DT时，iL 达到最大值。 在此期间， iV＝ iL，也是线性增加的；ic＝ iL－ Io，也是线性增加的。 电感电流的增量为：
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
基本电压电流关系： 假设变换器没有能力损耗，则：
U d Id Uo Io
从而得到输入和输出电流之间的关系
Io Id 1 D
开关管V和二极管VD的电流幅值与电感电流最大值相等
开关管V和二极管VD的电压幅值相等
UV UVD Uo
占空比的改变：
通过改变Ton 或T都可以实现。
脉冲宽度调制方式（PWM控制方式）：
周期T不变，通过改变开通时间Ton来改变占空比的控制方式。 脉冲频率调制方式（PFM控制方式） ： 开通时间Ton不变，通过改变周期T来改变占空比的控制方式。 混合调制方式： 周期T和开通时间Ton都改变来改变占空比的控制方式。
结论：
当电路处于稳态时，电感电流得增加和减小量是相等的，由
①、 ② 可以得到：
iL
Ud U Ud DT iL o (1 D)T iL L L
Ud Uo 1 D
因为： 0 D
Ton 1 T
， 所以： U o U d
因此Boost变换器为升压变换器。
t
t
电感电流断续的波形
Ton
Toff
当实际负载电流 Io>Iok，电感电流连 续，否则电感电流断续。
iL
0
T
t
3. 实际的Buck变换器
动画演示
t
电感电流临界连续的波形
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
典型电路：如下图所示。
升压电感
续流二极管
输入直 流电压
L _ + uL iL
U d Id Uo Io
I d DI o
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3.1.1 降压型直流变换器（Buck）
稳态时，一个开关周期内，C的充放电平均电流相等，所 以
负载输出的平均电流Io 就是iL 的 平均值 ，即： 这样就可以求出电感电流的最大和最小值：
I L max U 1 R I o iL o [1 (1 D)T ] 2 R 2L
t≥Ton时，开关管V阻断，电感电流不能突变，VD导通为L续流。电 感释放能量，和电源一起给负载供电，由于输出滤波电容两端的电 压Uo保持不变，所以电感两端的电压 uL＝Ud-Uo保持不变，所以 电感电流线性减小，在t =T 时，iL减小到最小值ILmin。 此期间， iVD＝ iL，是线性减小的；ic＝ iL－ Io，也是线性减小的,从
ILmax-Io 减小到ILmin-Io 。
电感电流的减小量为：
iL ( ) diL uL U d U o L L dt Toff
iL
Uo U d (1 D) T L
②
当t≥T后，开关管开通，进入下一个周期。
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
iL Ud U0 Uo DT iL (1 D)T iL L L
0D Ton 1 T
U o DU d
因为：
所以： U o U d
因此：Buck直流变换器为降压型直流变换器 电压电流基本关系： 假设变换器没有能力损耗，则： 从而得到输入和输出电流之间的关系
di iL i uL L L L L L U o dt t Toff
iL
Uo (1 D)T L
②
当t≥T后，开关管开通，进入下一个周期。
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3.1.1 降压型直流变换器（Buck）
结论：
当电路处于稳态时，电感电流得增加和减小量是相等的，由 ①、② 可以得到：
Io
I L max I L min 2
U 1 R I L min I o iL o [1 (1 D)T ] 2 R 2L
开关管V和二极管VD的电流幅值与电感电流最大值相等 开关管V和二极管VD的电压幅值相等 电容在一个周期内的放电电荷为： 输出电压的脉动量（脉动峰-峰值)为: 见图3.2（c）
和VD都截止的第三种工作状态。如图所示：
临界连续状态 临界负载电流
I OK D (U d U o ) D (1 D) U d (1 D) U o 1 1 I L max iL 2 2 2 Lf 2 Lf 2 Lf
0
S 0
Ton
Toff
iL
0
T
Ud
VD
iC io
负载
V
C + R
Uo
全控型 器件。
滤波电容
保持输出电 压恒定
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3.1.2 升压型直流变换器（Boost）
电路结构和升压原理 像Buck变换器那样，在电源和负载之间串接一个通-断控制 的开关器件，不可能获得高于电源电压的直流电压。为了获得 高于电源电压的直流输出电压，一个简单而有效的办法就是利 用电感线圈L在其电流减小时所产生的反电动势。当电感电流 减小时，反电动势为正值，与电源一起为负载供电，则负载获 得高于电源的电压 Boost变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变 换器，电感L在输入侧，称为升压电感。 Boost变换器也有两种运行模式：电感电流连续模式CCM和 电感电流断续模式DCM。
第3章
直流变换电路
3.1 直接直流变换电路
3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.3 间接直流变换电路 本章小结
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第3章
直流变换电路· 引言
直接的直流变换电路（DC/DC Converter）
利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变 输出电压的大小，将直流电变为另一固定电压或
可调电压的直流电。 也称为直流斩波器（DC chopper）。 常用的直接直流变换器有： 降压变换器（Buck）；
1 UO T
Ud
io
R
Uo
S 0
Uo Ud Ton
Toff
T
t
0
t

T
0
T u0 dt on U d DU d T
图3.1 基本的直流变换器 及其负载波形 电力电子技术
第3章
直流变换电路〃引言
输出电压平均值的改变：
因为D是0～1之间变化的系数，因此在D的变化范围内输 出电压UO 总是小于输入电压Ud ，改变D值就可以改变输出 电压的大小。
输入端和输出端需要电气隔离;
某些应用中需要相互隔离的多路输出; 输出电压和输入电压的比例远小于1或远大于1; 交流环节采用较高的工作频率,可以减小滤波电感、滤 波电容体积和重量.
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第3章 直流变换电路· 引言
常见的间接直流变换器： 单端正激型直流变换器 单端反激型直流变换器 半桥型直流变换器 全桥型直流变换器 推挽型直流变换器
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3.1 直接直流变换电路
3.1.1 降压型直流变换器（Buck） 3.1.2 升压型直流变换器（Boost） 3.1.3 升降压型直流变换器（Buck-Boost） 直流变换器
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3.1.1 降压型直流变换器（Buck）
当t＝Ton 时，电感电流达到最大值 iLmax 。在V导通期间，电感电
iL Ud U Ton d D T L L