DC-DC电路转换原理(含计算方式)

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路
3.1.2
工作原理
升压斩波电路
L i1 E iG V io C uo R VD
假设L值很大，C值也很大 ； 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 Uo - E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄 能量与释放能量相等。
第三章 第 20 页
3.1.1 降压斩波电路
m EM / E
t T t1 / 1 T
负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6） 可求出tx为： 1 - (1 - m)e - t x ln （3-16） m 电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为： （3-17）
iG O io I1 O
a)
t
b)
图3-2 升压斩波电路及其工作 波形
t
第三章 第 23 页
3.1.2
Uo
升压斩波电路
ton toff T E E toff toff
（3-21） T/toff ≥1 输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也 称之为boost变换器 T/toff ——升压比，调节其大小即可改变Uo 大小，调节方法与3.1.1 节中介绍的改变导通比α的方法类似。将升压比的倒数记作β ，即
d i1 L Ri1 EM E （3-3） dt
图3-1 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 第三章 第 17 页
3.1.1 降压斩波电路
设此阶段电流初值为I10，=L/R，解上式得：
i1 I10e
t

V断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程： di （3-5） L 2 Ri E 0
电力变换
常见的电力变换种类
第三章 第 1 页
CLASSIFY COMPARE
第三章 第 2 页
COMPARE
第三章 第 3 页
BUCK
第三章 第 4 页
BOOST
第三章 第 5 页
BUCK/BOOST
第三章 第 6 页
HALF-FORWARD
第三章 第 7 页
FLYBACK
第三章 第 8 页

t off T
。 β 和导通占空比α 有如下关系：
1
Uo 1
（3-22）
1 E 1-
因此，式（3-21）可表示为

E
（3-23）
（实际上，同学们只需记忆α即可） 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因： 一是L储能之后具有使电压泵升的作用； 二是电容C可将输出电压保持。
也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出 现反电动势，如图中EM所示 。
降压斩波电路工作原理
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 时刻控制V关断，负载电流经二极管VD 续流，负载电压uo 近似为零，负载电流呈指 数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小 通常使串接的电感L值较大 。 也称为Buck变换器
O
to n
t
c） 电流断续时
第三章 第 26 页
3.1.2
用于直流电动机传动时
E - EM R
t 1 - e

( 3 - 4)
dt
-
2
M
设此阶段电流初值为I20，解上式得：
t E M - i2 I 20e - 1 - e R t
(3 - 6)
当电流连续时，有：
I10 i2 (t2 )
I 20 i1 (t1 )
（3-1）
ton——V通的时间 toff——V断的时间 α--导通占空比
Uo最大为E ，减小占空比α ，Uo随之减小。因此 称为降压斩波电路。
负载电流平均值：
Io U o Байду номын сангаас EM R
（3-2）
电流断续时，Uo被抬高，电机机械特性变软，一般
不希望出现 。
图3-1 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
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量 相等： 化简得：
iG O io I1 O
a)
t
b)
t
图3-2 升压斩波电路及其工作波形 a）电路图 b）波形
EI1ton U o - E I1toff
（3-20） （3-21）
第三章 第 22 页
Uo
ton toff T E E toff toff
EI1 U o I o
Uo 1 E Io R R
（3-25)
由式（3-24）即可得出电源电流I1为：
Uo 1 E I1 Io 2 E R
（3-26）
第三章 第 25 页
3.1.2
2. 升压斩波电路的典型应用 一是用于直流电动机传动； 二是用作单相功率因数校 正（PFC）电路； 三是用于其他交直流电源 中。 uo
t t 1 - on x m E T
（3-18）
此时Uo不仅和占空比α 有关，也和反电动势EM有关。 此时负载电流平均值为：
tx 1 ton - ton tx m E U o - Em I o i1 d t i2 d t 0 0 T T R R
Io
E - EM
R
（3-13）
在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设 t 电源电流平均值为I1，则有 I1 on I o I o （3-14） T 其值小于等于负载电流Io，由上式得: EI1=U0I0 （3-15）
即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
（3-19） 第 21 页 第三章
3.1.2
升压斩波电路
L i1 E iG V io C uo R VD
升压斩波电路工作原理（boost变换器）
假设L值很大，C值也很大； 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 U - E I t o 1 off
第三章 第 16 页
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值 进行调制的方式不同而划分） 1. T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） 2. ton不变，变T —频率调制 3. ton和T都可调，改变占空比—混合型

基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路
进行解析： V通态期间，设负载电流为i1，可列出如下 方程：
（3-9）
E EM 1 - e - E - m R R R 1 - e-
（3-10）
；t1 / 1
分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似（即ρ趋于零，即L趋于无穷大，e－ρ用等 价无穷小代替），可得 - m E I I10 I 20 o R （3-11） 上式表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io，此 第三章 第 19 页 时负载电流最大值、最小值均等于平均值。
直流斩波电路的种类：


三种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩 波电路；
复合斩波电路——不同基本斩波电路组合； 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路的组合，可以工 作在两个或四个象限。
第三章 第 13 页
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，
(3 - 7)
(3 - 8)
图3-1 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
第三章 第 18 页
3.1.1 降压斩波电路
即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值，反过来，V进入断态 时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。 由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出(主要是根据充放电曲线）：
m
EM e -1 E e -1
（
T / ；=L/R）
对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。 在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即 关断，负载两端电压等于EM。输出电压平均值为：
Uo
ton E (T - ton - tx ) EM T
升压斩波电路
L VD
M
EM
V uo
E
a) E uo E
O i
t i1 I1 0 I2 0 to ff T b) i2 I1 0 t
O io i1 I2 0 O to n T t1 t x t 2 to ff c) i2
t
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
PUSH-PULL
第三章 第 9 页
HALF-BRIDGE
第三章 第 10 页
FULL-BRIDGE
第三章 第 11 页
METHODS OF CONTROL