直流斩波电路

uS Ui
t
O
电容充电。
iS
t
反激：电源能量是在开关关断 iVOD
期间传递到负载侧的。
t
O
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4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理
◆稳态工作过程
☞开关器件承受的电压为
uS
Ui
N1 N2
Uo
S ton
toff
O
t
uS
Ui t
O
iS
t iVOD
t O
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4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理
I1 ton
I2
t o ff
EI1 U o I2
其输出功率和输入功率相等，可看作为一升降压直流变压器。 电路特点：负载与电容并联，电容不是无穷大，则电容电压有波动，负载电流也 波动；输入电流断续。由于输入和输出电流波动，对电源和负载都产生电磁干扰。
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4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
电路结构 升压斩波电路和降压斩波电路串联而成。两个电感为储能电感，电容为传递能 量的耦合电容。
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4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
V导通时，VD截止。电源向电感L1提 供能量，负载能量由电容提供，电感L2 储能。
负载电压极性下正上负。
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4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
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概述
■分类： 单端电路
变压器中流过直流脉动电流。包括正激电路和反 激电路。 双端电路。
变压器中电流为正负对称的交流电流，半桥、全桥 和推挽电路属于双端电路。
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4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
电路结构：降压型斩波电路加变压器。
变压器有直流磁化问题，加磁芯复位电路。
电压升高的原因：电感L储能使电压泵升； 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 ：
EI1 U o Io
升压斩波电路也可看作为直流变压器 注意：升压斩波电路输出电压不可能低于输入电压。 占空比不要接近为1， 以免电路损耗。
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4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
V关断时，电感L1释放能量，VD导通。 电源和电感L1同时向电容充电。负载由 电感L2供电。
一周期中，V关断时，C吸收能量；V 导通时，C释放能量，从而将能量从输 入端传递到输出端，起到了传递能量的 作用。
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4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
数量关系 对电感L1，一周期内电压积分值为零，有
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4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
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，即
T
0 uLdt
ton 0
uLdt
T
ton uLdt 0
E ton (Uo ) toff 0
所以输出电压为：
Uo
ton toff
E ton T t 第29页/共70页 on
ton 0
uL1dt
T
ton uL1dt 0
开关导通期间 uL1 E
开关关断期间 uL1 E UC
Eton (E U C )toff 0
UC
ET toff
E 1 D
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4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
数量关系 对电感L2，一周期内电压积分值为零，有
ton 0
uL2dt
T
ton uL 2dt 0
开关导通期间 uL2 UC U o
开关关断期间 uL 2 U o
(U C U o )ton (U o )toff 0
UC
T ton
Uo
1 D Uo
又有
ET E
UC toff
1 D
Uo
DE 1 D 第36页/共70页
4.2.4 Cuk电路的结构及工作原理
4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案三: 串联单刀双掷开关, 理想开关,无损耗
串联LC，滤出谐波,，滤波器的截止频率<<开关频率
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案三: 串联单刀双掷开关, 理想开关,无损耗
增加控制回路 BUCK电路
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定宽调频控制(Pulse Frequency Modulation，简称PFM) ➢ 实现：保持导通时间不变，改变斩波周期，即改变脉冲频率，达到改变占
空比的目的，从而改变电路输出电压平均值。 ➢ 特点：斩波电路和控制电路简单，但电路的控制频率是变化的，输出滤波
器设计较困难。
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4.1 .2 直流斩波电路的基本控制方式
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
工作原理
V关断时，VD导通，电源 和电感同时向负载供电， 电容充电。 负载电压高于电源电压。
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
工作原理
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
电路数量关系
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
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4.2.1 降压斩波电路的结构及工作原理
工作原理 控制V关断后，VD导通 续流。 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。
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4.2.1 降压斩波电路的结构及工作原理
电感足够大，电流连续。 则电路稳态时，负载电流 在一个周期的初值和终值 相等
稳态时，一个周期T中L积蓄U能量o 与 释E放I能1t量off相等：
EI1ton
EI1ton (Uo E)I1toff
化简得U：o
ton toff toff
E T toff
E
1E 1 D
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波
电路
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
电路结构
全控型器件
若为晶闸管，需有辅
负
助关断电路
载
出
现
的
反
电
动
势
续流二极管，在V关 断期间续流
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电 池负载，大多数情况为反电动势负载
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4.2.1 降压斩波电路的结构及工作原理
工作原理 开关V有驱动信号时， 导通，则VD截止。 L储存能量，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。
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4.1 概述
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
✓ DC/DC直流降压电路
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案一: 电阻降压
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案二: 串联晶体管
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案三: 串联单刀双掷开关, 理想开关,无损耗
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4.1 .1 直流斩波的基本工作原理
直流－直流变换方案三: 串联单刀双掷开关, 理想开关,无损耗
VD0
1 Ts
Ts 0
vo
(t)dt
DVD
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D 开关占空比 Ts 开关周期
U iton
N1 N3
U ti rst
t rst
N3 N1
ton
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4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
◆输出电压 ☞输出滤波电感电流连续时
Uo N2 ton N2 D Ui N1 T N1
◆结论：正激变换电路可看作为具有隔离变 压器的降压斩波电路。
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4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理
◆电路结构 与升降压电路比较，用变压器代替储能
电感，所以变压器不仅起隔离作用，还起储 能电感作用。
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4.3.2 反激变换电路的结构及工作原理
◆稳态工作过程
☞S开通，VD截止，W1电流线 性增长，电感储能增加。负载
由电容供电。
☞S关断，W1电流被切断，变
S ton O
toff
t
压器磁场能量通过W2和VD向 输出端释放，提供负载能量，
E
DE 1 D
4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
结论
Uo
D 1 D
E
改变占空比，改变输出电压大小。
当0<D<1/2时为降压，当1/2<D<1时为升压，故 称作降升压斩波电路，也称之为buck-boost 变换 器。
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4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
设电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：
D Uo 1 D E
结论：Cuk电路输出与输入电压关系与升降压电路 相同，也是反极性。但输入和输出电流均连续， 且脉动小，减小了电路的电磁干扰。
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4.3 隔离型斩波电路
第38页/共70页
概述
■直—交—直电路。 ■电路特点：
◆输出与输入隔离。 ◆需要相互隔离的多路输出。 ◆输出电压与输入电压比远小于1或远大于1。 ◆交流环节工作频率较高，可减小变压器和滤 波电感、滤波电容的体积和重量。
调频调宽控制 ➢ 实现：同时改变斩波电路的工作周期和开关的导通时间，所以也称为混合
控制（Mixed Control）。 ➢ 特点是：可大幅度改变输出电压大小，但也存在着由于频率变化所引起的
滤波器设计较困难的题。
第13页/共70页
4.2 非隔离型斩波电路
第14页/共70页
4.2.1 降压斩波电路的结构及工作原理
◆变压器的磁心复位过程 ➢W3与VD3组成磁心复位电路。 ➢S关断后，W3绕组感应电势极性为上正下负，使VD3 导通，磁场能量回馈给电源，回路电流逐渐减小为零。 ➢ S关断期间，开关承受的电压高于电源电压，为：
uS
(1
N1 N3
)U
i
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4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
◆☞磁心复位所需的时间为
第41页/共70页
4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
工作过程 S开通，变压器感应电动势，VD1导通，电源向负载提供能量，电感上电流逐渐增 大。
第42页/共70页
4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
工作过程 S关断，VD1截止，VD2导通，电感释放能量，电感电流逐渐减小。
第43页/共70页
DC to DC Converters
直流变换器的分类：
➢按主电路器件：半控型 / 全控型 ➢按输入输出电压：降压式 / 升压式 / 升－降压式 ➢按工作范围：单象限 / 双象限 / 四象限 ➢按输入输出电隔离：非隔离 / 隔离 (正激、反激、 自激）
➢按输入滤波结构：电流源 / 电压源 ➢按器件开关方式：硬开关电路 / 软开关电路 ➢按电路结构：单元电路 / 多元电路（单重、多重）
负载电压平均值：
Uo
ton T
E
DE
输出负载电压平均值最大为E，改变占空 比可改变输出电压大小，所以此电路为降 压斩波电路。
第18页/共70页
4.2.1 降压斩波电路的结构及工作原理
不考虑元件损耗，电路输入功率与输出功率相等。
EIi Uo Io
Io E 1 Ii Uo D
应用：降压型直流开关电源稳压器，不可 逆直流调速系统。
电路结构
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4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
基本工作原理
V导通时，VD截止，电源向电感提供能 量，电感储能；负载能量由电容提供。 电容电压极性下正上负，与电源极性相 反。
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4.2.3 升降压斩波电路的结构及工作原理
基本工作原理
V关断时，电感释放能量，同时提供给负 载和向电容充电。 电容电压极性下正上负，与电源极性相 反。
4.1 .2 直流斩波电路的基本控制方式
定 频 调 宽 控 制 (Pulse Width Modulation) ➢ 实现：保持斩波周期不变，只改变开关导 通时间，输出电压脉冲宽度随之改变。 ➢ 特点：电路基本工作频率固定，滤除输出 电压中高次谐波的滤波器设计较容易。
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4.1 .2 直流斩波电路的基本控制方式
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
电路结构
储存电能
保持输出 电压
此电路为降压电路不考虑开关极性情况 下，逆时针方向旋转90°
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4.2.2 升压斩波电路的结构及工作原理
工作原理
V导通时，VD截止，电 源向电感提供能量，负 载消耗能量由电容提供。 负载电压等于电容电压。 电感、电容足够大，可 认为负载电压和电源电 流恒定。
4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理
◆变压器的磁心复位 ☞S开通后，变压器激磁电流增大，直到S关断，下一 周期则在上一周期结束时的电流值上增加，导致变压 器激磁电感饱和，损坏开关器件。 ☞须使激磁电流在S关断后到下一次再开通时间内降 回零，这一过程称为变压器的磁心复位。
第44页/共70页
4.3.1 正激变换电路的结构及工作原理