DCDC

E • Ton + ( E − U 0 ) • Toff = 0
得：
U0 =
Ton + Toff Toff
T 1 E= = E T − Ton 1 − α
讨论电感电流的纹波大小
由上面分析可知，在0到Ton时刻电感电流线性增长 到某个值，在Ton到T时刻电感电流再跌落到原来值。我 们可以推导出电流的纹波值：
1.2
升压斩波电路
电容C可将输出电压保持住
电压升高得原因：电感L储能使电压抬升的作用
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 ： EI1 =UoIo 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。 输出电流的平均值Io为：
Io =
电源电流的平均值Io为：
Uo 1 E = R βR
I1 = I O −
L
UsTs D(1 − D ) 2L
令 Ic = ∆i / 2 ，在整个开关周期中，则当实际负载电流大于Ic时， I1始终大于0，电路工作在电感电流连续模式。当实际负载电流小 于Ic时电路工作在电感电流断续模式。临界连续的电感值为
Lc =
UsTs D (1 − D ) 2 Ic
• 可见临界负载电流与输入电压、电感、开 关频率有关。开关频率越高、电感感值越 大、则越小，越容易实现电感电流连续工 作模式。 • 在实际应用中要尽量避免电路工作在电感 电流断续工作模式，否则将造成整体功耗 的增加和DC-DC变换的整体性能变差。
电感电流断续模式
由于电感、电容都不耗能，电感电流在一个 开关周期内的平均值与负载电流相等，即：
IO = I 2 + I1 2
1 L 1 L D(1 − D)Ts L
其中，I2是在一个开关周期中电感电流的最大值，I1是最小值。
∆iL =
∫
Ton
0
Uldt =
∫
Ton
0
(Us − Uo)dt = Us
UsTsD Uo Ic = = 2 Lc Ro
• 可见临界负载电流与输入电压、电感、开关频率 有关。开关频率越高、电感感值越大、则越小， 越容易实现电感电流连续工作模式。 UsTsD Uo UsTsD I =I − = − • 由式 可知，当负载电阻过大时，I1 I1 2L Ro 2L 容易为0，即电路容易工作在电感电流断续模式。 实际来说，负载电阻过大，会导致电容放电不完 全，若此时开关管导通时间仍然不变，电源输入 到电感中的磁能，将会导致输出电压不断升高， 因此没有输出电压闭环控制Boost电路不宜在输出 端开路下工作。
a) 电路图
iGE
0
io
I1
0 b) 波形
图2 升压斩波电路及工组波形
L i1 E iG V io
VD
iL
L
ic
io + Uc
C
uo
R
E
+ Uc
Ro
C
-
-
iG O io I1 O
a)
L iL
c)
D
t
E
ic + Uc
io + Uo
Ro
C
-
-
b)
t
d)
1.2
数量关系
升压斩波电路
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为(Uo −E)I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
( E − U 0 ) • Ton + (−U 0 ) • Toff = 0
得： U = 0
Ton E =αE Ton + Toff
讨论电感电流的纹波大小
由上面分析可知，在0到Ton时刻电感电流线性增长到 某个值，在Ton到T时刻电感电流再跌落到原来值。
di U =L dt
1 ∆iL = L
∫
Ton
图1 降压斩波电路得原理图及波形
在由理想电感、电容、开关管构成的DC-DC 变换电路中，当开关管导通时二极管反向偏置， 此时电感两端电压为 E − U 0 ，电感中的电流线性 增长，电源向电感中储能。当开关管截止时，由 于电感的储能作用其两端产生楞次电压，以阻止 流过电感的电流减小，致使续流二极管导通，电 感两端电压为 −U 0 ，电感中的电流线性衰减。 根据电感电压伏秒平衡原理，即：
直流斩波器的控制方式
ton • ULD = US T
• 基本控制方式：调节 ton / T
– 定频调宽控制（PWM）
T 不变，调节 ton
– 定宽调频控制（PFM）
• ton 不变，调节 T • toff 不变，调节 ton 和 T
– 调频调宽混合控制
• 反馈控制方式：
– 瞬时值控制（边带控制）
1 基本斩波电路
1.1 降压斩波电路 1.2 升压型斩波电路 1.3 升降压斩波和Cuk斩波电路 1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
1.1 降压斩波电路
降压斩波电路 （Buck Chopper)
电路结构
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
1.1
工作原理
降压斩波电路
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。 通常串接较大电感L使负载电 流连续且脉动小。
∆uC = C ∫0 icdt = CRo
可见电容电压的纹波与C和Ts密切相关，当开 关管的开关频率越高，电容容值越大则电容电压 的纹波越小。
由上面分析可知在一个开关周期内，电感中 的电流存在着一个增大和减小的过程，这就导致 该变换电路可能存在两种运行情况：电感电流连 续模式和电感电流断续模式。电感电流连续模式 是指电感在整个开关周期内都有电流存在；电感 电流间断模式是指电感电流在开关管截止期间输 出电流提前降为零，即在整个开关周期内电感电 流有一段时间为零。 UsTsD Lc = 临界连续的电感值为 2 Ic 电感电流临界连续时的负载电流平均值为
直流斩波器的应用：
– 直流电机调速 – 直流电压变换（开关电源） – 直流电压隔离
• 直流斩波器的分类： 按输出隔离与否可分为非隔离式和隔离式 两大类型。 非隔离式DC-DC根据输入、输出电压大小 关系：
• • • • • • • • • 降压型 升压型 升－降压型 Sepic电路 Zeta电路 正激式变换器 反激式变换器 推挽式变换器 桥式变换器等 U0 < Ui Buck 型 U0 > Ui Boost 型 Buck-Boost 型、 Cuk 型
i =C
∆uC =
du dt
1 Ton + (Ts −Ton ) / 2 1 1 ∆iL icdt = (Ton + (Ts − Ton) / 2 − Ton / 2) ∫Ton / 2 C C2 2 1 = ∆iLTs 8C
∆iL =
1 L
∫
Ton
0
Uldt =
1 L
∫
Ton
0
(Us − Uo)dt = Us
EI1ton = (U o − E ) I1toff
化简得：Uo =
ton +toff T E= E toff toff
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压 升压斩波电路。 升压
toff 。 T /toff ——升压比；升压比的倒数记作β ，即 β = T β和α的关系： α + β =1 1 1 因此，式（3-21）可表示为 Uo = E = E β 1−α
1 ∆iL = Ln UsTsD U L dt = ∫ Usdt = L 0 L
可见电感电流的纹波与L和TS密切相关，当开关管的 开关频率越高，电感感值越大则电感电流的纹波越小。
输出电压纹波的大小
Boost型电路的工作分为两个阶段：导通时为电感储 能，此时负载和电容被短路，电源不向负载提供能量，电 容向负载放电；截止时，电源和电感共同向负载供电，同 时还给电容充电。在稳态工作时，电容充电量等于放电量， 通过电容的平均电流为零，故通过二极管的电流平均值就 是负载电流。因此电容电压的纹波值与开关管导通时电容 电压的减少量相等。推导出输出电压，即电容电压的纹波 值： 1 Ton UoDTs
1 O
1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)
电路结构
1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
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。
隔离式直流变换电路有：
第一节
直流斩波器的工作原理
• S －－ 斩波开关 D －－ 续流二极管 • S闭合： uLD = US S断开： uLD = 0
ton ULD = US = α S U • 负载电压平均值： T • 斩波开关导通比（占空比）： α = ton T
• 0 < α < 1 ，0 < ULD < US
1.2
升压斩波电路
升压斩波电路 （Boost Chopper） ） 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构
储存电能
保持输 出电压
1.2
工作原理
假设L和C值很大。
升压斩波电路
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。
其通过对电力电子器件周期性地快速 通断,把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电 压，改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率可 实现输出电压平均值的调节。因为从工作 波形看，相当于是一个将恒定电流进行斩 切输出的过程，所以称斩波器。