第3章 直流斩波电路

（3-1）
（3-2）
E I1 U o I o
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。
（B）
3-6
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流不连续
负载电压平均值：
不成立
（3-3） ton — V 通的时间 tx — 电感电流断的时间
换成电容： 电流连续情况下：
T — 开关周期
（B）
例：带馈能式 缓冲电路的升压 斩波电路
一般 C1 = C2 。
C1 中储存的能量为 C1 UO2 / 2 。
注： 1、缓冲电路由哪些元件组成？ 2、缓冲电路的工作原理？ 3、缓冲电路对斩波电路正常工作的作用和影响？ 4、VT导通瞬间，流过 VT的电流是否就是 i1 ？ 5、要使 UO 更接近理想直流应采取哪些措施？
V处于通态 uL = E
E ton U o toff
toff
V处于断态 uL = - uo
所以输出电压为： U t on E o
（C ）
ton E E （3-41） T ton 1
3-21
（3-40）
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路
结论
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。
3-7
3.1.1 降压斩波电路
斩波电路三种控制方式
此种方式应用 最多
T 不变，变 ton —— 脉冲宽度调制 ( PWM )。 ton 不变，变 T —— 脉冲频率调制 ( PFM )。 ton 和 T 都可调，改变占空比 —— 混合型。
第 2 章 2.1 节和本章前均介绍过：电力电子电路 实质上是分时段线性电路的思想。 基于分段线性的思想，对降压斩波电路进行解 析。
3.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续（设电感很大，电流脉动较小）
负载电压平均值：按照电感上伏秒积分平衡或能量平衡
ton ton Uo E E E ton toff T
ton — V 通的时间 toff — V 断的时间 T — 开关周期 — 导通占空比 负载电流平均值： U o EM Io R
o
b)
注意：电路不能空载工作。
动态演示
（B）
t
注：开关器件承受的电压是多少？
图3-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形
3-20
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 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：
T

0
uL d t 0
（3-39）
BUCK电路的工作过程
• 开关断开的等效电路：
开关管关闭时
1.电感两端压降就是电容两端的压降。 2.开关管关闭时，流过电感的电流是线性减小的。
3.1.1 降压斩波电路
例：由 LM2574 DC / DC 控制 IC 构成的降压斩波电路
a) 电路原理图
Uo = 3.3 V
b) 应用电路图
（A）
注：查该器件资料，根据不同输出要求选配元件参数。
（B）
(3-25) (3-26)
3-16
3.1.2 升压斩波电路
例：由 MC33466 DC / DC 控制 IC 构成的升压斩波电路
应用：用于电池供电的小功率电子装置。
注：1、查该器件资料，了解其工作原理。 2、升压斩波电路能否在 接近 1 的情况下工作？ （A）
3-17
3.1.2 升压斩波电路
（C ）
3-2
3.1.1 降压斩波电路 降压斩波电路 ( Buck Chopper )
电路结构
续流二极管 全控型器件。 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势
（B）
典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负 载，或作为串联开关型稳压电路。 功率器件 V 的驱动和保护电路见第 1 章有关内容。 注：如何检测电流 i0 ？
分 V 处于通态和处于断态
初始条件分电流连续和断续
（B）
3-8
硬件部分
534V
BUCK电路的工作过程
di VL L dt
• 开关导通时等效电路：
开关管导通时
1.由于电容取值很大。电容两端电压近乎不变。 2.电感两端压降是电源压降与电容压降之差。 3.可以认为开关管导通时，电感电流是线性增大的。
GE o
（B）
3-13
3.1.2 升压斩波电路
数量关系
V 通态时间 ton ，此阶段 L 上积蓄的能量为： E I1 t on 。 V 断态时间 toff ，此期间电感 L 释放能量为： U o E I1 toff 。
E I1 ton (Uo E ) I1 toff
3-12
3.1.2 升压斩波电路
工作原理 ( Boost Chopper )
假设 L 和 C 值很大。( L：储 存电能；C：保持输出电压。) V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，电流恒定 I1 ，电容 C a) 电路图 u 向负载 R 供电，输出电压 Uo 恒定。 0 V 处于断态时，电源 E 和电感 i L 同时向电容 C 充电，并向负 I1 0 载提供能量。 b) 波形 注意：电路不能空载工作? 图3-2 升压斩波电路及工作波形 动态演示 此斩波电路亦称作并联开关型稳压电路。
第3章
直流斩波电路
3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）
3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器） *3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 *3.5 多相、多重直流/直流变换器 3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器

t on
0
E I1dt ( E U 0 ) I1dt 0
ton
T

0
L
1
由此得出： E I1 ton
( E Uwenku.baidu.com0 ) I1 (T ton ) 0
将 ton / T 代入上式，进一步解得： 1 U0 E ，即式 (3 - 23)。 1 （ A）
图 3 - 4 b) 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：
t on I1 I2 t off
（3-42） （3-43）
i1 IL
ton
toff
toff 1 I2 I1 I1 ton
o
i2 IL
t
由上式得： E I1 U o I 2 （3-44）
（ A）
a)
b)
c)
3-4
工作原理
3.1.1 降压斩波电路
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 时控制 V 关断，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。 V L R i 通常串接较大电感 L 使负 + i E VD u M E 载电流连续且脉动小。 o G o
／
图3-5 Cuk 斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路
注：1、开关器件承受的电压是多少？ 2、该电路能否空载工作？
（B）
3-23
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路
同理：
V 处于通态的时间 ton ，则电容电流和时间的乘积为 I2 ton 。 V 处于断态的时间 toff ，则电容电流和时间的乘积为 I1 toff 。 （3-46） 由此可得： I 2 t on I1t off t T t on I2 1 off （3-47） I1 t on t on
Uo ton ton E E E toff T ton 1

T
0
iC d t 0
（3-45）
（3-48）
（B）
其输出功率等于输入功率， 可看作直流变压器。 优点 ( 与升降压斩波电路相比 )： 输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。 缺点：电容 C 的电流波动大，电流冲击严重。
M
iG
动 画 演 示
t on O io i1 I 10 O uo T
t off t i2 I 20 t1 t
iG iG O io O uo O t on
a) 电路图
t off
Tt
i1 E t1 I 20
t
x
i2 t2 E t
E EM t
O
b) 电流连续时的波形
t
c) 电流断续时的波形
3-5
（C ）
图3-1 降压斩波电路的原理图及波形
3-3
3.1.1 降压斩波电路
例：降压斩波电路的分析
基本电路如图 a)，开关 器件 V 在开通 ( ON ) 和关 断 ( OFF ) 两种状态下的等 效电路分别见图 b) 和 c) ( 只考虑电流连续的情况 ) 。 如图可见，在开关器件 V 的状态确定后 ，两个等效 电路均可按 线性电路 进行 分析，前面课程中学过的 知识可得到利用。 实际应用电路会比该电 路复杂得多 ，但基本的分 析方法是一致的。
稳态时，一个周期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等：
（3-20） （3-21）
化简得：U o ton toff E T E
toff toff
T / toff > 1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 t T / toff —— 升压比；升压比的倒数记作 b ，即 b off 。 T b 和 的关系： + b = 1 （3-22） 因此，式（3-21）可表示为： Uo
3-18
（A）
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路
1 ) 升降压斩波电路 ( buck - boost Chopper )
电路结构
图 3-4 a）
注意：电源和负载压降定义的方向（ 极性 ）不同。
注：该电路能否空载工作？
（ B）
3-19
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路
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，该电路也被称作反极 性斩波电路。
i1 IL ton
a) toff
o
i2 IL
t
（C ）
1 E E b 1
1
（3-23）
3-14
3.1.2 升压斩波电路
例：式（3 - 23）的详细推导
设：1. 相对于开关周期 T 而言， L 、C 的值足够大 ( 或 T 足够小 )。 2 . 一周期中，i1 = I1 、u0 = U0 图 3-2 a） 保持不变。 ton 期间：uL = E ；toff 期间：uL = E - U0 。 T 一周期内 L 中的能量变化为零，即： u i dt 0 得：
3-15
3.1.2 升压斩波电路
电压升高的原因：电感 L 储能起电压泵升的作用；
电容 C 可将输出电压保持住。 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载 R 消耗，即：E I1 U o I o 。 （3-24）
与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。
Uo 1 E 输出电流的平均值 Io 为： I o R b R Uo 1 E Io 2 电源电流的平均值 I1 为：I1 E b R E 阻抗变换器： b 2 R (1 ) 2 R I1
（C ）
3-1
第3章
直流斩波电路 ·引言
直流斩波电路（ DC Chopper ）
将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 也称为直流 - 直流变换器 ( DC / DC Converter )。
一般指直 接 将直流电变为另一直流电 ， 不包括 直流 - 交流 - 直流变换。
电路种类
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 波电路。 复合斩波电路 —— 不同结构基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路 —— 相同结构基本斩波电路组合。
o
图 3-4 b）
t
其输出功率等于输入功率，可看作直流变压器。
（B）
3-22
3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路
2 ) Cuk ( Cuk 、丘克、库克 ) 斩波电路
V 通时，E - L1 - V 回路和 R - L2 - C - V 回路有电流。 V 断时，E - L1 - C - VD 回路和 R - L2 - VD 回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关 S 在 A 、B 两点之间交替切换。