第十三讲 直流斩波电路

• 习惯上，DC—DC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况
• 直流斩波电路的种类
• 6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、Cuk 斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路
• 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组合
f
1 CT (0.7 RT 3RD )
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降压斩波电路(BUCK)
从能量传递关系出发进行的推导 • 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 • 电源只在V处于通态时提供能量，为 EIoton
E V iG L io R
+
VD uo M EM
-
2 • 在整个周期T中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 RIo T EM I oT
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有源功率因数校正电路
L uL ud uS R2 R5 R1 VF C ＋ R4 iL VD0 R3 R uo
输入电 压检测
输 入 电 流 检 测
SPWM 比较器
高频三角 波发生器
输出电 压检测
电流 调节器
PWM 控制器 误差 放大器 Vref
乘法器
交流输入电压经桥式 整流后，再经过DC／DC变 换，通过相应的控制使输 入电流平均值自动跟随整 流电压基准值，可获得较 高的网侧功率因数，并保 持输出电压稳定。APFC电 路有两个反馈控制环：输 入电流环使DC／DC变换器 输入电流为全波整流波形， 并且与全波整流电压波形 相位相同；输出电压环DC ／DC变换器使输出端为一 个直流稳压源，达到直流 电源的稳压效果。
的能量相等，即
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升压斩波电路
1.升压斩波电路的基本原理
i1 L io V C uo R VD
• •
•
假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感L充 电，电流恒定I1，电容C向负载R 供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同 时向电容C充电，并向负载提供 能量。 图3-2 升压斩波电路 及其工作波形 a）电路图 b）波形
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
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降压斩波电路
数量关系
• 电流连续时，负载电压平均值
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
U o EM （3-2） R • 电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出 现 Io
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ton ton Uo E E E ton toff T
（3-1）
降压斩波电路
斩波电路三种控制方式（根据对输出电压 此种方式应用
最多 平均值进行调制的方式不同而划分）
C L2 i1 L1
I 2ton I1toff
（3-46） （3-47）
C B uC S uB uA b) A uo R L2 i2
E
V
VD
uo
R
E
a)
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V处于通态 uL = E
T
0
uL d t 0
（3-39）
E ton U o toff
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
U 所以输出电压为： o
ton ton E E E （3-41） toff T ton 1
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有源功率因数校正电路
u a) O b) ug uVF O iS d) O t O t t Uo t uc ugr
在控制电路中设臵按正 弦绝对值规律变化，并且 与电路输入电压uS同相位 的给定电流iref，并使电感 电流iL围绕iref升降，则iL近 似地按正弦绝对值脉动， 图c为VF的漏源极电压uVF 的波形，当uVF =Uo时， VF处于关断状态，电感L 释放能量，iL下降；当uVF =0时，VF处于导通状态， 电感L储存能量，iL上升。 而由于iL=|iS|，可知输入电 流iL近似于正弦波，且与uS 同相位，如图d所示，则网 侧功率因数接近于1。
0
在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电 流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容 电流和时间的乘积为I1toff。由此可得 从而可得
L1
I 2 toff T ton 1 I1 ton ton
V i1 E uL i2 VD IL L C uo R
a) i1 IL to n to f f
o
i2 IL
t
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
o
b)
t
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升降压斩波电路
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


• 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗
2 EIoton RIo T EM I oT （3-12） E EM Io （3-13） R 则 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 t 设电源电流平均值为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 EI EI U I 1 o o o （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。
L1
C
L2
i1
L1 B
C uC S uB uA b) A
L2 i 2
E
V
VD
uo
R
E
uoRa)来自图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路
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Cuk斩波电路

稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零， T 即 iC d t 0 （3-45）
NCP1402SN50T1是ONSEMI公司生产的高效率、低功耗升压型DC/DC转换器， 其内臵PFM（脉冲频率调制）振荡器、PFM控制器、PFM比较器、软起动电路、 电压基准及MOEFET开关管，还具有限流电路。其输入电压范围为0.8V～5.5V， 输出为固定的5V电压，输出额定电流为200mA。 内 部 MOSFET 开 关 管 导 通 时 ， 管 脚 LX 连 接 的 47uH 电 感 进 行 储 能 ； 内 部 MOSFET开关管关断时，电感释放能量，在管脚OUT产生高于输入电压的+5V， 通过电容滤波，得到稳定输出电压。外接肖特基二极管，使输出电压不会反回至 输入端。
c)
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升降压斩波电路
设L值很大，C值也很大。使 电感电流iL和电容电压即负载电压 uo基本为恒值。 基本工作原理 V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
升降压斩波电路
结论
Uo
当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，故称作升降压斩波电路。 也有称之为buck-boost 变换器。
E 1
图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别 为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：
toff 1 由上式得： I 2 I1 I1 ton
• •
T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM） ton不变，变T —频率调制（PFM）
•
ton和T都可调，改变占空比—混合型
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PWM控制器SG3525
5.1V 基准 欠压锁定 VCON CT RT
振荡器
触发器
OA
锁存器
OB GND
误差放大器
50uA SG3525
EI1ton (Uo E) I1toff t tof f T 化简得： U o on E E tof f tof f
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 ——升压比；升压比的倒数记作b ，即
（3-20） （3-21）
b和的关系：
T / toff
因此，式（3-21）可表示为
E
u GE
a)
O io I1 O b)
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t
t
升压斩波电路
设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 U o E I1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：
数量关系
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直流斩波电路分析
• 下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种电力电子开关器件，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。 u
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