第5章直流-直流变换电路

to n
T
0uLd t 0 uLd t tou nLd t0
设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：
(U S U 0)to nU 0(T to)n
即
U0
ton EDE T
式中D为导通占空比；ton为VT的导通时间；T为开关周期。 通常ton≤T，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入 电压E不变时，输出电压Uo随占空比D的线性变化而线性改
u0
+
S
Id
Us
R
U0
Us
VD
U0
L
-
0 ton
t
T
图5-1
三、直流斩波器的分类
直流斩波器按照调制形式可分为 1）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制(PFM)；
3）混合调制。 按变换电路的功能分类有 1）降压式直流-直流变换(Buck Converter)；2）升
压式直流-直流变换(Boost Converter)；3）升压-降 压复合型直流-直流变换(Boost-Buck Converter)；4） 库克直流-直流变换（Cuk Converter）。 按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为 1）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。
is
VT
- + UL
iL
L
iD
Us
VD
i0 + u0
CR
图5-2
-
2、工作原理
1）在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏， 则电源Us通过L向负载供电，此间iL增加，电感L 的储能也增加，在电感端有一个正向电压uL=Usuo，左边正右边负。这个电压引起电感电流iL线 性增加；如上图(a)所示。
第5章 直流-直流变换电路
本章要点
直流斩波电路的基本结构和分类； 单象限直流斩波器（降压式、升压式、升-降压式、
Cuk电路）的基本电路结构、工作原理和波形； H桥式斩波电路的基本结构和工作原理 变压器隔离的斩波电路的基本结构和工作原理
5.1 直流斩波器
一、概述
将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直 流电压的过程称为直流-直流电压变换。它通过对电力电子 器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变 占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC/DC 变换电路，俗称斩波器(Chopper)。
四、直流斩波器中电感、电容的基本特性
1、电感电压的伏秒平衡特性 稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每 个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此 ，每个开关周期中电感电压
0 TuLd t 0 ton uLd ttT on uLd t0
2、电容电流的安秒平衡特性 稳态条件下，开关变换器中的电容电流必然周期性重复， 每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定， 因此，每个开关周期中电容电流
T
0uLd t 0 uLd t tou nLd t0
设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表
达为： U ston (U o U s)tof f0
即
U0tont oftof ffUs tT offUs
由斩波电路的工作原理可看出，周期T ≥ toff，或T /
toff≥1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压Us，
在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点， 半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。造成线路的 复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以具有自关断能 力的全控型电力电子器件作为开关器件。
二、直流斩波器的基本结构和工作原理
下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型 电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压。 当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断 开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极 管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。
储能，电感电压上正下负，此时VD被负载电压
（下正上负）和电感电压反偏，流过VT的电流为
iT（=iL），方向如上图a所示。由于此时VD反偏截 止，电容C向负载R供能并维持输出电压基本恒定，
负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与电源
2、工作原理
2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感 应电势，使二极管导通，故电流iL经二极管VD续 流，uL=-uo（原方向设为正），电感L向负载供电， 电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图 (b)所示。
图5-4 连续和断续两种工作模式波形图
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性 T
0 TiCd t 0ton iCd t tT on iCd t0
5.2 单管非隔离直流斩波器
5.2.1、降压式直流斩波电路
1、电路的结构
电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为 电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电 容，R为负载；Us为输入直流电压，U0为输出直流电压。
2、工作原理
2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左 负右正，VD转为正偏，电感L与电源Us叠加共同向 电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为
toff，则此时间内电感电压为 (UoUS)。
图5-7 Boost变换器工作波形
3、基本数量关系
根据电感电压的伏秒平衡特性
T
to n
变，而与电路其他参数无关。
5.2.2 升压式直流斩波电路
1、电路的结构
斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接
uL
L iL
VD i0
Us
VT C
ຫໍສະໝຸດ Baidu
图5-5
u0
R
2、工作原理
1）VT导通时，Us向串在回路中的电感L充电，电 感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时二极 管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电 电流为恒值IL。又VD截止时C向负载R放电，由于C 已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一 恒值，记为U0。设VT的导通时间为ton，在此阶段 电源Us全部加在电感L上，则Us=uL ；
该变换电路称为升压式斩波电路。
5.2.3 升降压式直流斩波电路
1、电路的结构
该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二 极管VD反向串接在储能电感与负载之间。
iT VT
iD
iL +
uL
Us
L
-
(a)
VD
-
-
uC
u0
C
R
+ +
图5-8
2、工作原理
1）当开关VT导通时，电源Us经VT给电感L充电