第章直流直流变换电路

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
极性相反；此阶段
uL Us
2、工作原理
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iL，电容C被充电 储能，负载R也得到电感L提供的能量。uL U0
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
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
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
当 0D1/2时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为 降压变换；
当 1/2D1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。
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。
图5-15 单端正激变换器结构
2、工作原理
1）开关管VT导通时，工作状态如图5-16(a)所示，根据图
中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流，VD1导
通，VD2截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线
性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通
期间，电感电压
uL
N2 N1
Us
U0
输出可写成
U0tto ofnfETt otnonE1 D DE
5.2.5 H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 。 id
VT1
图5-14 Us
VT2
VD1
VD3
VT3
i0
U
uUN
V
VT4
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。
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。
第章直流直流变换电路
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)。
由于变压器可插在基本变换电路中的不同位置， 从而可得到多种形式的变压器隔离的变换器主电路。 下面介绍常见的单端正激变换器，反激变换器，半桥 及全桥式降压变换器等
5.3.1 单端正激变换器
1、电路结构 单端正激变换器由Buck变换器派生而来。下图(a)
为Buck变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔 离变压器，即可得到图 (b)的单端正激变换器。
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
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 ；
图5-10 Buck-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有 0 TuLd t 0 tou nLd ttT ou nLd t0
在开关VT导通期间，有uL=Us；而在VT截止期间，uL= -u0。
于是有Uston=U0 toff 输出电压表达式可写成 U 0tto ofnU f sTt otn on Us1 D DUs 改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。
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) 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。
空比DVT1。类似地，UVNUsDVT3
因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压Us、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
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
VD2
+
u0 ( uUN uVN )
-
+
uVN
VD4 -
直流电动机负载
Ra
La
-+
ea
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 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：
5.3 变压器隔离的直流-直流变换器
许多场合要求输入输出间实现电隔离，在基本的 非隔离DC-DC变换器中加入变压器，就可派生出带隔 离变压器的DC-DC变换器。在这类变换器中，变压器 的作用主要是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。 应用在DC-DC变换器中的变压器是高频变压器，工作 原理与其他类型的变压器不同，铁芯必须加气隙。
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 ston (U o U s)tof f0
即
U0 to
nto to ff
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，
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
反激变换器用变压器代替了升-降压变换器中的储能电感。这
里的变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起储能电感的
作用。
VD1
+
Us
VT
C
U0
-
图5-17 单端反激变换器电路原理图
2、工作原理
1）当开关管VT导通时，VD1承受反压，此时变 压器副边相当于开路，原边相当于一个电感。电源 US向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。
图5-11
2、工作原 Us 理
L1 C
VT
L2
u0 -
VD
R
+
(a)
1）当控制开关VT导通时，电源Us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பைடு நூலகம்开关VT截止时，电源Us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。
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
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。
uUN=Us
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：
UUN UstonT 0toffUsD VT1
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
图5-16(a)
2、工作原理
2）开关管VT截止时，工作状态如图5-16(b)所示，
变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极
管VD2续流。在开关管VT断开期间，电感电压为负，
电流线性下降。电感电压
uL U0
图5-16(b)
在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内 积分为零。因此
(N N1 2UsU0)ton(U0)tof f 0
得
U0(N N1 2)tT onUs N N1 2DUs
由上式可见，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比 成正比，这与Buck变换器类似，不同的是比后者多了一个变 压器的变比。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。
5.3.2 单端反激变换器
1、电路结构
反激变换器电路如图5-17所示。与升-降压变换器相比较，