直流-直流变换电路

VD转为正偏，电感L与电源E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L释放 的能量可以表示为 (U E) I t 。
o 1 off
3、基本数量关系
当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的
能量相等，即

EI1ton = (U o E) I1toff
u0
R
uA
(b)
(a)
图5-5
2、工作原理
1）当控制开关VT导通时，电源E经L1→VT回路给L1充电
储能，C通过C→L2→R→VT回路向负载R输出电压，负载 电压极性为下正上负。 2）当控制开关VT截止时，电源E通过L1→C→VD回路向 电容C充电，极性为左正右负；L2通过L2→VD→R→L2回 路向负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电 压相反。
t on t on D U E E E 0 输出电压表达式可写成 t off T t on 1 D
改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。 当 0 D 1 / 2 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为
于是有Eton=U0 toff
降压变换；
当 1/ 2
2）当开关VT关断时，电感L电压极性变反（上负下正），
VD正偏导通，电感L中的储能通过VD向负载R和电容C释
放，放电电流为i2，电容C被充电储能，负载R也得到电感 L提供的能量。
3、基本数量关系
电路处于稳态时，每个周期内电感电压uL对时间的积分值为
零，即

T
0
u L dt 0
在开关VT导通期间，有uL=E；而在VT截止期间，uL= -u0。
C在一个周期内的平均电流为零的原理可写出表达式

I 2ton I1toff
t on t on I1 D U0 E E E E I2 t off T t on 1 D
从而可得
忽略Cuk斩波电路内部元件L1、L2、C和VT的损耗，根据
来自百度文库
上图等效电路，可得到：电源输出的电能EI1等于负载上 得到的电能U0I2，即 EI1 U 0 I 2 。
T
t
E
VD
C R
U 0
t
iL (ton )
iL
I0
iL
(b)
t
(a)
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E通过L向负载供电，此间iL增加，电感L的
储能也增加，这导致在电感端有一个正向电压
uL=E-uo 。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
机械工业出版社
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；
全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 软开关的基本概念。
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
由此可以得出输出电压U0与输人电压E的关系为

t on t on I1 D U0 E E E E I2 t off T t on 1 D
全相同。
可见，Cuk斩波电路与升降压式斩波电路的输出表达式完
5.2.5全桥式直流斩波电路 1、电路的特点

全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开 关VT及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在 四象限运行 。
5.2、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；E为输入直流电压，U0为输出直流电压。
+
VT
UL
L
-
iL
ug
i0
t on
+
iD
u0
0
UL
E U0
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
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 E
VD
i0
VT
iGE
i1
u0
0
t
I1
C
R
i0
0
6-3 图5-3
t
2、工作原理
1 ）当 VT 导通时，电源 E 向串在回路中的电感 L 充电，电感
由上式可求出负载电压U0的表达式，即

t on t off T U0 = E E t off t off
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E，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
id VT 1 VD3 VT 3 i0
u0 ( uUN uVN )
直流电动机负载
VD1
Ra
图5-6
E
U
u UN
VT4 VT2
+
La
V
+
uVN VD4
-
-+
ea
N
VD2
2、工作原理
如果变换器同一桥臂的两个开关管VT在任一时刻都不同
时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。 以负直流母线N为参考点，U点的电压uUN由如下的开关状态
U UN Et o n 0 to ff EDV T1 T
式中，ton和toff分别是VT1的导通和断开时间，DVT1 是开关管
VT1的占空比。由此可知，UUN仅取决于输入电压E和VT1的占 空比DVT1。类似地， U VN EDVT3
因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压E、开 关占空比DVT1和DVT3有关，而与负载电流io的大小和方向无关
被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。 2）单极性PWM控制方式 在该控制方式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。 全桥式直流 - 直流变换器的输出电流即使在负载较小的
时候，也没有电流断续现象。
5.3 变压器隔离的直流-直流变换器
若要求输入输出间实现电隔离，可在基本DC-DC变换电路中 加入变压器，得到用变压器实现电隔离的直流变换器。变压器 可插在基本变换电路中的不同位置，从而得到多种形式的变换 器主电路。常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全 桥式降压变换器等。 5.3.1 正激变换器
5.1、直流斩波器的工作原理和分类
5.1.1 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E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。
如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，
则输出电压uo由输出电流io的方向决定。这将引起输出电压平 均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关 管同时处于断开的情况发生。
3、全桥式变换器有两种PWM的控制方式：
1）双极性PWM控制方式
在该控制方式下，图中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)
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。
i1
VT
i2
VD
i1
iL
+
E
uL
u
C
u0
ton
toff
IL
0 i2
L
C
+
R
+
t t
(a) 6-4
IL
0 (b)
图5-4
2、工作原理
1）当开关VT导通时，电源E经VT给电感L充电储能，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i1（=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 电源极性相反；
3、基本数量关系
稳态时，电容C在一个周期内的平均电流为零，即
T
i
0
C
dt 0
设电源电流i1的平均值为I1，负载电流i2的平均值为I2，开关S
接通B点时相当于VT导通，如果导通时间为ton，则电容电流 和时间的乘积为I2 ton；开关S接通A点时相当于VT关断，如 果关断时间为toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由电容
D 1 时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为
升压变换。
5.2.4 Cuk直流斩波电路
1、电路的特点
Cuk斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图
及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电 流连续，脉动成分较小。
L1 L2
C
E
VT
u0
R
+
i1
L1
B
E
C
uC
A
L2
i2
VD
S uB


T
0
u L dt

ton
0
u L dt

T
ton
u L dt 0
设输出电压的平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：
（E-U0）ton=U0（T-ton）
t on U0 E DE T
即
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
决定：当 VT1 导通时，正的负载电流 io 将流过 VT1 ；或当
VD1导通时，负的负载电流 io 将流过 VD1，则 U点的电压为：
uUN=E
类似地，当 VT2 导通时，负的负载电流 io 将流入 VT2 ； 或当VD2导通时，正的负载电流 io将流过 VD2，则 U点的电
压为：uUN=0
综上所述，uUN仅取决于桥臂U是上半部分导通还是下半部分 导通，而与负载电流io的方向无关，因此UUN为：
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，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。
3、基本数量关系
在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的，电感电压在
一个周期内的积分为0，即
L
+
E
VT
VD1 C
RL
-
U0
E
VD3
N1
N2
VD2
L
+
+
C
RL
U0
U2
DW
图5-7
正激变换器原理图
-
VD1
图5-8 VT 能量消耗法磁场复位的正激变换器原理图
-
2、工作原理
在上述图5-8中， 1）开关管VT导通时，有 U 2 ( N 2 N1 ) E，电源能量经变压器 传递到负载侧。 2）VT截止时，变压器原边电流经VD3和DW续流，磁场能量消 耗在稳压管上。VT承受的最高电压为 E+UDW，UDW为DW的稳压值。 正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压 变换器的一些特性。
电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在 R与 L之间的 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 I1 。另外， 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 ，则此阶段电感 L 上的储能可以表示 为 EI t ； 1 on 2）在 VT关断时，储能电感 L两端电势极性变成左负右正，
流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通 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)。直流变换 技术被广泛应用于可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流 电机的调速控制。 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。强迫换流电 路需要较大的换流电容等，造成了线路的复杂化和成本的提 高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断 能力的器件作为开关器件。
+
E
S
Id
R L
u0
E U0
VD
U0
0
ton
T
t
图5-1
5.1.2 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。
1、电路结构
在降压变换器中，将变压器插在 VT管的右侧 -VD 管的左侧位 置，即得下图所示的正激变换器。由于变压器原边流过单向脉 动电流，铁芯易饱和，须采取防饱和措施，即使变压器铁芯磁 场周期性复位。另外，开关器件位置可稍作变动，使其发射极 与电源相连接，便于设计控制电路。右图是采用能量消耗法磁 场复位方案的正激变换器。N1、N2分别为原、副边绕组匝数。