第5章 直流-直流变流电路
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T 40 Uo E 50 133.3(V ) t off 40 25
输出电流平均值为：
Io U o 133.3 6.667( A) R 20
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
输出电压值高于电源电压，因此称该电路为升压斩波电路，当 α从零趋向于1变化时，输出电压从E变化到无穷大，但受实际电 器元件参数的影响， α 不可能过大，有一定的取值范围。
⑵假设电路无损耗，则输出功率等于输入功率:
1 EI 1 U o I o EI o 1 1 I1 Io 1
■例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值 极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时， 计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：
斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/断控制实现的。 用于斩波器的电力电子器件可以是晶闸管，也可以是IGBT 等 全控器件。 由于晶闸管没有自关断能力，采用晶闸管构成斩波电路时， 必须设置专门的强迫换流电路来实现关断，因此电路结构比 较复杂。而全控制型器件具有自关断能力，通过控制电路即 可实现导通与关断的控制，故由全控型器件构成的斩波器主 电路的结构相对简单。
io , I o
uo , U o R
当开关管V 导通时，二极管承受反压而截止。此时可将电路 分为两部分。 第一部分由E、L、V 组成，电感L储存能量，流经L、V 的 电流逐渐增大，电源的能量转化为电感L中的磁场能量。 第二部分由C、Z 组成，C 放电供给负载能量，负载两端电 压逐渐降低。
当V 断开时，二极管正偏导通，电感储能和电源 一起经二极管给电容充电，同时也向负载提供能量， 电感电流iL逐渐减小。
图5-6 a)Sepic斩波电路
■间接直流变流电路
◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此 也称为直—交—直电路。
斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电路分 为降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、升压 -降压斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路六种形式。
ton Uo E E T
在连续导电模式下，当输入电压一定时，输出电压与开关的 占空比呈线性关系，而与其他电路参数无关。改变占空比α ， 就可得到从零到E之间连续可调的输出电压。 √负载电流平均值为
Uo Io R
☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现 电流断续的情况。
1.电路结构
iD VD
L
iL , I L
i1 I1
E
V
iC , I C
io , I o
uo , U o R
uV
uC
C
升压斩波器（Boost）主电路
2.工作原理
i1 I1
L
iL , I L
iD VD
iC , I C 升压型斩波器用于将直 uV uC V E 流电源电压变换为高于 C 其值的直流电压，实现能 量从低压向高压侧负载的 传递，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源等。
t on t on Uo E E E t off T t on 1
改变导通比，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，因此将该 电路称作升降压斩波电路。 如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率 相等，即
最基本的斩波电路如图 所示，斩 波器负载为R。
E
i
S
io
uo
R
开关S闭合时： u0 E 持续ton时间 开关S断开时： u0 0
持续toff 时间
T ton toff 为斩波器的工作周期。
u0 E ton
0 i0
E R
toff
T
开关的导通时间与开关周期之比 定义为斩波器的占空比：
⑵ 假设电路无损耗，则输入功率等于输出功率，即：
EI1 Uo I o EIo
I1 I o
■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s，计算输出 电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
I L max IL I L min 0 I L max
iL
T
T
t
I
i2
T T
t
0 t ton
VD
iL
L
I L min 0
ILmax Io
iC
T T
T T
t t
U C
i2
iC uC
C
io I o
Io
0
R
uo
Uo
0
uC
ton t T
T
io
T
t
Io
0
t
◆基本的数量关系
i L1
E
V
io
iC2
VD iD
C2
Uo
R
Cuk斩波电路
斩波开关V断开时，电感L1的感应电动势改变方向，电源和 电感L1联合对电容C1充电，二极管VD正偏而导通，在此期间 L2经VD向负载释放能量。
L1 C1 L2 i L2
i L1
E
V
io
iC2
VD iD
C2
Uo
R
Cuk斩波电路
■ Cuk斩波电路
i L1
E
V
io
iC2
VD iD
C2
Uo
R
Cuk斩波电路
Cuk 斩波电路是将升压与降压斩波电路串接而成的，L1和L2 为储能电感，C1是耦合电容。
当斩波开关V导通时，电感L1储能，电容C1上的电压使二极 管VD反偏截止，电容C1向负载和L2提供能量，负载获得反极 性的能量。
L1 C1 L2 i L2
EI1 U o I o
则：
I1 Io 1
2. Cuk斩波电路
Cuk电路的特点与升降压电路相似，因此也常用于相同的 场合。该电路一个突出的优点是输入和输出回路中都有电感， 因此输出电流纹波较小，从输入电源吸取的电流纹波也较小， 在某些对这些问题有特殊要求的场合应用比较适合。
L1 C1 L2 i L2
T T
t
0 t ton
L
iL ,i1
I L min 0
ILmax Io
VD
iD
iC
T T
T T
t t
U C
iC uC
C
io I o
Io
0
E
R
uo
Uo
0
uC
T
io
T
t
ton t T
Io
0
t
4.数量关系
连续导电模式输入输出电压关系：
Uo T 1 E E toff 1
◆工作原理
☞ V导通时，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关断时，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。
◆电路波形
L
iL ,i1
uGE
0
iC uC
C
io I o
E
R
io , I o
uo , U o
R
uC
C
降压斩波器（Buck）主电路
2.工作原理
V
uD
L
假设V、VD 均为理想 开关元件，并设V 的一 个控制周期为T。
i1 I1
E
iL , I L
VD
iC , I C
io , I o
uo , U o
R
uC
C
在t = 0 时刻驱动V导通，在ton导通期间内，电感L中有电流通 过，电流按指数曲线缓慢上升，t = t1时刻，V关断，负载电流 经续流管VD续流，负载电流呈指数曲线下降。
☞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
uL d t 0
当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL= -Uo。 于是：
E ton Uo toff 0
t on t on Uo E E E t off T t on 1
所以输出电压为：
1.Buck-Boost斩波电路
升降压斩波电路的输出电压平均值可以大于或小于输入直 流电压值，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极 性的输出电压。 升降压电路可以灵活改变电压的高低，还能改变电压的极 性，因此常用于电池供电设备中产生负电源的设备和各种开 关稳压器等。
Buck-Boost斩波电路
回路串接电感的大小直接关系到负载电流连续与否，下面对 负载电流连续工作模式进行讨论。
连续导电模式
L
当V导通时，电源电压给负载 供电，持续时间为ton； 当V 断开时，负载电压为零， 持续时间为toff。 当回路电感足够大时，流过 电感的电流是连续的，即不论 开关处于导通状态还是处于关 断状态，始终有 iL>0 。
L1 C1 L2 i L2
i L1
E
io
iC2
C2
Uo
R
0 t ton
L1 C1 L2 i L2
i L1
E
io
iC2
C2
Uo
R
ton t T
◆基本的数量关系 ⑴对C1、C2分别使用“伏秒积分为零”可得：
Uo E 1
⑵由电路无损可得：
1 Io I1
与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点， 其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。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
■Sepic斩波电路 ◆工作原理
☞ V导通时，E—L1—V回路和 C1—V—L2回路同时导电，L1和 L2贮能。
☞ V关断时，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）。
T T
t t
iL
VD
iC
C
io Uo
ILmin Io
0
uC
R
Uo
0
U C
T
io
T
t
ton t T
Io
0
t
4.数量关系
⑴由“伏秒积为零”求Uo
E Uo ton Uo toff
ton Uo E E T
0
式中：ton—为V处于通态的时间； toff —为V处于断态的时间； T —为开关周期； —为导通占空比，简称占空比或导通比。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接 直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路
◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与 输出之间不隔离。
普遍采用的是脉宽调制控制方式。因为频率调制控制方式 容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
1.电路结构
uD
L
V
i1 I1
E
iL , I L
VD
iC , I C
ton T
t
ton
0
toff
T
t
图5.1 基本的降压斩波 电路及其波形
在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节 开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控 制输出电压的平均值。 斩波器的控制方式通常有三种：
① 脉宽调制控制方式：维持T不变，改变ton。 ② 频率调制控制方式：维持ton不变，改变T。 ③ 混合调制控制方式：ton和T都可调，使占空比改变。
iL
E
iC
C
io
R
Uo
0 t ton
L
iL
VD
iC
C
io
R
Uo
ton t T
uGE
3.电路波形
L
0
iC
C
iL
E
io
R
Uo
I L max IL I L min 0
iL
T T I T T
t
I L max i1
t
0 t ton
L
I L min 0
ILmaxIo
iC
T T
L
iL ,i1
L
VD
iD
iC uC
C
Байду номын сангаасio I o
E
iL ,i1
iC uC
C
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E
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3.电路波形
L
iL ,i1
0
iC uC
C
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E
R
I L max IL I L min 0 I L max
i1 , iL
T
T
t
I
iD
ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50
输出电流平均值为
Io U o - Em 80 30 5( A) R 10
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
输出电流平均值为：
Io U o 133.3 6.667( A) R 20
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
输出电压值高于电源电压，因此称该电路为升压斩波电路，当 α从零趋向于1变化时，输出电压从E变化到无穷大，但受实际电 器元件参数的影响， α 不可能过大，有一定的取值范围。
⑵假设电路无损耗，则输出功率等于输入功率:
1 EI 1 U o I o EI o 1 1 I1 Io 1
■例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值 极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时， 计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：
斩波器的电能变换功能是由电力电子器件的通/断控制实现的。 用于斩波器的电力电子器件可以是晶闸管，也可以是IGBT 等 全控器件。 由于晶闸管没有自关断能力，采用晶闸管构成斩波电路时， 必须设置专门的强迫换流电路来实现关断，因此电路结构比 较复杂。而全控制型器件具有自关断能力，通过控制电路即 可实现导通与关断的控制，故由全控型器件构成的斩波器主 电路的结构相对简单。
io , I o
uo , U o R
当开关管V 导通时，二极管承受反压而截止。此时可将电路 分为两部分。 第一部分由E、L、V 组成，电感L储存能量，流经L、V 的 电流逐渐增大，电源的能量转化为电感L中的磁场能量。 第二部分由C、Z 组成，C 放电供给负载能量，负载两端电 压逐渐降低。
当V 断开时，二极管正偏导通，电感储能和电源 一起经二极管给电容充电，同时也向负载提供能量， 电感电流iL逐渐减小。
图5-6 a)Sepic斩波电路
■间接直流变流电路
◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此 也称为直—交—直电路。
斩波器的种类很多，具体结构千变万化。一般将斩波电路分 为降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、升压 -降压斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路六种形式。
ton Uo E E T
在连续导电模式下，当输入电压一定时，输出电压与开关的 占空比呈线性关系，而与其他电路参数无关。改变占空比α ， 就可得到从零到E之间连续可调的输出电压。 √负载电流平均值为
Uo Io R
☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现 电流断续的情况。
1.电路结构
iD VD
L
iL , I L
i1 I1
E
V
iC , I C
io , I o
uo , U o R
uV
uC
C
升压斩波器（Boost）主电路
2.工作原理
i1 I1
L
iL , I L
iD VD
iC , I C 升压型斩波器用于将直 uV uC V E 流电源电压变换为高于 C 其值的直流电压，实现能 量从低压向高压侧负载的 传递，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源等。
t on t on Uo E E E t off T t on 1
改变导通比，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，因此将该 电路称作升降压斩波电路。 如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率 相等，即
最基本的斩波电路如图 所示，斩 波器负载为R。
E
i
S
io
uo
R
开关S闭合时： u0 E 持续ton时间 开关S断开时： u0 0
持续toff 时间
T ton toff 为斩波器的工作周期。
u0 E ton
0 i0
E R
toff
T
开关的导通时间与开关周期之比 定义为斩波器的占空比：
⑵ 假设电路无损耗，则输入功率等于输出功率，即：
EI1 Uo I o EIo
I1 I o
■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s，计算输出 电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为
I L max IL I L min 0 I L max
iL
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◆基本的数量关系
i L1
E
V
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iC2
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Uo
R
Cuk斩波电路
斩波开关V断开时，电感L1的感应电动势改变方向，电源和 电感L1联合对电容C1充电，二极管VD正偏而导通，在此期间 L2经VD向负载释放能量。
L1 C1 L2 i L2
i L1
E
V
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iC2
VD iD
C2
Uo
R
Cuk斩波电路
■ Cuk斩波电路
i L1
E
V
io
iC2
VD iD
C2
Uo
R
Cuk斩波电路
Cuk 斩波电路是将升压与降压斩波电路串接而成的，L1和L2 为储能电感，C1是耦合电容。
当斩波开关V导通时，电感L1储能，电容C1上的电压使二极 管VD反偏截止，电容C1向负载和L2提供能量，负载获得反极 性的能量。
L1 C1 L2 i L2
EI1 U o I o
则：
I1 Io 1
2. Cuk斩波电路
Cuk电路的特点与升降压电路相似，因此也常用于相同的 场合。该电路一个突出的优点是输入和输出回路中都有电感， 因此输出电流纹波较小，从输入电源吸取的电流纹波也较小， 在某些对这些问题有特殊要求的场合应用比较适合。
L1 C1 L2 i L2
T T
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0 t ton
L
iL ,i1
I L min 0
ILmax Io
VD
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E
R
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0
t
4.数量关系
连续导电模式输入输出电压关系：
Uo T 1 E E toff 1
◆工作原理
☞ V导通时，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关断时，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。
◆电路波形
L
iL ,i1
uGE
0
iC uC
C
io I o
E
R
io , I o
uo , U o
R
uC
C
降压斩波器（Buck）主电路
2.工作原理
V
uD
L
假设V、VD 均为理想 开关元件，并设V 的一 个控制周期为T。
i1 I1
E
iL , I L
VD
iC , I C
io , I o
uo , U o
R
uC
C
在t = 0 时刻驱动V导通，在ton导通期间内，电感L中有电流通 过，电流按指数曲线缓慢上升，t = t1时刻，V关断，负载电流 经续流管VD续流，负载电流呈指数曲线下降。
☞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
uL d t 0
当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL= -Uo。 于是：
E ton Uo toff 0
t on t on Uo E E E t off T t on 1
所以输出电压为：
1.Buck-Boost斩波电路
升降压斩波电路的输出电压平均值可以大于或小于输入直 流电压值，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极 性的输出电压。 升降压电路可以灵活改变电压的高低，还能改变电压的极 性，因此常用于电池供电设备中产生负电源的设备和各种开 关稳压器等。
Buck-Boost斩波电路
回路串接电感的大小直接关系到负载电流连续与否，下面对 负载电流连续工作模式进行讨论。
连续导电模式
L
当V导通时，电源电压给负载 供电，持续时间为ton； 当V 断开时，负载电压为零， 持续时间为toff。 当回路电感足够大时，流过 电感的电流是连续的，即不论 开关处于导通状态还是处于关 断状态，始终有 iL>0 。
L1 C1 L2 i L2
i L1
E
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iC2
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L1 C1 L2 i L2
i L1
E
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◆基本的数量关系 ⑴对C1、C2分别使用“伏秒积分为零”可得：
Uo E 1
⑵由电路无损可得：
1 Io I1
与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点， 其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。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
■Sepic斩波电路 ◆工作原理
☞ V导通时，E—L1—V回路和 C1—V—L2回路同时导电，L1和 L2贮能。
☞ V关断时，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）。
T T
t t
iL
VD
iC
C
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ILmin Io
0
uC
R
Uo
0
U C
T
io
T
t
ton t T
Io
0
t
4.数量关系
⑴由“伏秒积为零”求Uo
E Uo ton Uo toff
ton Uo E E T
0
式中：ton—为V处于通态的时间； toff —为V处于断态的时间； T —为开关周期； —为导通占空比，简称占空比或导通比。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接 直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路
◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与 输出之间不隔离。
普遍采用的是脉宽调制控制方式。因为频率调制控制方式 容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
1.电路结构
uD
L
V
i1 I1
E
iL , I L
VD
iC , I C
ton T
t
ton
0
toff
T
t
图5.1 基本的降压斩波 电路及其波形
在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节 开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控 制输出电压的平均值。 斩波器的控制方式通常有三种：
① 脉宽调制控制方式：维持T不变，改变ton。 ② 频率调制控制方式：维持ton不变，改变T。 ③ 混合调制控制方式：ton和T都可调，使占空比改变。
iL
E
iC
C
io
R
Uo
0 t ton
L
iL
VD
iC
C
io
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Uo
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3.电路波形
L
0
iC
C
iL
E
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R
Uo
I L max IL I L min 0
iL
T T I T T
t
I L max i1
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L
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L
iL ,i1
L
VD
iD
iC uC
C
Байду номын сангаасio I o
E
iL ,i1
iC uC
C
io I o
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R
R
uo
0 t ton
ton t T
uGE
3.电路波形
L
iL ,i1
0
iC uC
C
io I o
E
R
I L max IL I L min 0 I L max
i1 , iL
T
T
t
I
iD
ton 20 200 Uo E 80(V ) T 50
输出电流平均值为
Io U o - Em 80 30 5( A) R 10
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路