第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路5.1直流斬波器一、概述將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關(guān)斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。造成線路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以具有自關(guān)斷能力的全控型電力電子器件作為開關(guān)器件。第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路15.1直流斬波器一、概述將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關(guān)斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。造成線路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以具有自關(guān)斷能力的全控型電力電子器件作為開關(guān)器件。5.1直流斬波器2二、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開關(guān)S可以是各種全控型電力電子開關(guān)器件，輸入電源電壓Us為固定的直流電壓。當(dāng)開關(guān)S閉合時，直流電流經(jīng)過S給負(fù)載RL供電；開關(guān)S斷開時，直流電源供給負(fù)載RL的電流被切斷，L的儲能經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載RL兩端的電壓接近于零。

圖5-1二、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理下圖是直流斬波器的原理圖3三、直流斬波器的分類直流斬波器按照調(diào)制形式可分為1）脈沖寬度調(diào)制(PWM)；2）脈沖頻率調(diào)制(PFM)；3）混合調(diào)制。按變換電路的功能分類有1）降壓式直流-直流變換(BuckConverter)；2）升壓式直流-直流變換(BoostConverter)；3）升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換(Boost-BuckConverter)；4）庫克直流-直流變換（CukConverter）。按輸入直流電源和負(fù)載交換能量的形式又可分為1）單象限直流斬波器；2）二象限直流斬波器。三、直流斬波器的分類直流斬波器按照調(diào)制形式可分為4四、直流斬波器中電感、電容的基本特性1、電感電壓的伏秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，變換器中的電感電壓必然周期性重復(fù)，由于每個開關(guān)周期中電感的儲能為零，并且電感電流保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電感電壓2、電容電流的安秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，開關(guān)變換器中的電容電流必然周期性重復(fù)，每個開關(guān)周期中電容的儲能為零，并且電容電壓保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電容電流四、直流斬波器中電感、電容的基本特性2、電容電流的安秒平衡特55.2單管非隔離直流斬波器

5.2.1、降壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)電路中的VT采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在VT關(guān)斷時為電感L儲能提供續(xù)流通路；L為能量傳遞電感，C為濾波電容，R為負(fù)載；Us為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。

圖5-25.2單管非隔離直流斬波器

5.2.1、降壓式直流斬波電62、工作原理

1）在控制開關(guān)VT導(dǎo)通ton期間，二極管VD反偏，則電源Us通過L向負(fù)載供電，此間iL增加，電感L的儲能也增加，在電感端有一個正向電壓uL=Us-uo，左邊正右邊負(fù)。這個電壓引起電感電流iL線性增加；如上圖(a)所示。2、工作原理1）在控制開關(guān)VT導(dǎo)通ton期間，二極管VD反72、工作原理

2）在開關(guān)管VT關(guān)斷時，電感中儲存的電能產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使二極管導(dǎo)通，故電流iL經(jīng)二極管VD續(xù)流，uL=-uo（原方向設(shè)為正），電感L向負(fù)載供電，電感L的儲能逐步消耗在R上，電流iL下降。如上圖(b)所示。2、工作原理2）在開關(guān)管VT關(guān)斷時，電感中儲存的電能產(chǎn)生感8圖5-4連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式波形圖圖5-4連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式波形圖93、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性

設(shè)輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達(dá)為：

即式中D為導(dǎo)通占空比；ton為VT的導(dǎo)通時間；T為開關(guān)周期。通常ton≤T，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當(dāng)輸入電壓E不變時，輸出電壓Uo隨占空比D的線性變化而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。3、基本數(shù)量關(guān)系105.2.2升壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)斬波開關(guān)VT與負(fù)載并聯(lián)連接，儲能電感與負(fù)載呈串聯(lián)連接圖5-55.2.2升壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)斬波開關(guān)VT112、工作原理

1）VT導(dǎo)通時，Us向串在回路中的電感L充電，電感電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時二極管VD被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流為恒值IL。又VD截止時C向負(fù)載R放電，由于C已經(jīng)被充電且C容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為U0。設(shè)VT的導(dǎo)通時間為ton，在此階段電源Us全部加在電感L上，則Us=uL；2、工作原理1）VT導(dǎo)通時，Us向串在回路中的電感L充電，122、工作原理

2）在VT關(guān)斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左負(fù)右正，VD轉(zhuǎn)為正偏，電感L與電源Us疊加共同向電容C充電，向負(fù)載R供能。如果VT的關(guān)斷時間為toff，則此時間內(nèi)電感電壓為。2、工作原理2）在VT關(guān)斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左13圖5-7Boost變換器工作波形圖5-7Boost變換器工作波形143、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性

設(shè)輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達(dá)為：

即由斬波電路的工作原理可看出，周期T≥toff，或T/toff≥1，故負(fù)載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓Us，該變換電路稱為升壓式斬波電路。3、基本數(shù)量關(guān)系155.2.3升降壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)構(gòu)是儲能電感L與負(fù)載R并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串接在儲能電感與負(fù)載之間。

圖5-85.2.3升降壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)162、工作原理

1）當(dāng)開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)VT給電感L充電儲能，電感電壓上正下負(fù)，此時VD被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感電壓反偏，流過VT的電流為iT（=iL），方向如上圖a所示。由于此時VD反偏截止，電容C向負(fù)載R供能并維持輸出電壓基本恒定，負(fù)載R及電容C上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反；此階段2、工作原理1）當(dāng)開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)VT給電感L充172、工作原理

2）當(dāng)開關(guān)VT關(guān)斷時，電感L電壓極性變反（上負(fù)下正），VD正偏導(dǎo)通，電感L中的儲能通過VD向負(fù)載R和電容C釋放，放電電流為iL，電容C被充電儲能，負(fù)載R也得到電感L提供的能量。2、工作原理2）當(dāng)開關(guān)VT關(guān)斷時，電感L電壓極性變反（上負(fù)18圖5-10Buck-Boost變換器工作波形圖5-10Buck-Boost193、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性有在開關(guān)VT導(dǎo)通期間，有uL=Us；而在VT截止期間，uL=-u0。于是有Uston=U0toff

輸出電壓表達(dá)式可寫成改變D輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。當(dāng)時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；當(dāng)時，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時為升壓變換。3、基本數(shù)量關(guān)系205.2.4Cuk直流斬波電路

1、電路的特點Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點是直流輸入電流和負(fù)載輸出電流連續(xù)，脈動成分較小。

圖5-112、工作原理

5.2.4Cuk直流斬波電路

1、電路的特點Cuk斬波電211）當(dāng)控制開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)L1→VT回路給L1充電儲能，C通過C→L2→R→VT回路向負(fù)載R輸出電壓，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)。2）當(dāng)控制開關(guān)VT截止時，電源Us通過L1→C→VD回路向電容C充電，極性為左正右負(fù)；L2通過L2→VD→R→L2回路向負(fù)載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負(fù)，與電源電壓相反。1）當(dāng)控制開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)L1→VT回路給L1充電22輸出可寫成

輸出可寫成235.2.5H橋式直流斬波電路

1、電路的特點全橋斬波電路有兩個橋臂，每個橋臂由兩個斬波控制開關(guān)VT及與它們反并聯(lián)的二極管組成。優(yōu)點是變換器可以在四象限運行

。

圖5-145.2.5H橋式直流斬波電路

1、電路的特點全橋242、工作原理如果變換器同一橋臂的兩個開關(guān)管VT在任一時刻都不同時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關(guān)管的狀態(tài)決定。以負(fù)直流母線N為參考點，U點的電壓uUN由如下的開關(guān)狀態(tài)決定：當(dāng)VT1導(dǎo)通時，正的負(fù)載電流io將流過VT1；或當(dāng)VD1導(dǎo)通時，負(fù)的負(fù)載電流io將流過VD1，則U點的電壓為：uUN=Us類似地，當(dāng)VT2導(dǎo)通時，負(fù)的負(fù)載電流io將流入VT2；或當(dāng)VD2導(dǎo)通時，正的負(fù)載電流io將流過VD2，則U點的電壓為：uUN=02、工作原理25綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通，而與負(fù)載電流io的方向無關(guān)，因此UUN為：

式中，ton和toff分別是VT1的導(dǎo)通和斷開時間，DVT1是開關(guān)管VT1的占空比。由此可知，UUN僅取決于輸入電壓E和VT1的占空比DVT1。類似地，

因此，輸出電壓Uo(=UUN-UVN)也與變換器的輸入電壓Us、開關(guān)占空比DVT1和DVT3有關(guān)，而與負(fù)載電流io的大小和方向無關(guān)如果變換器同一橋臂的兩個開關(guān)管同時處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關(guān)系，所以應(yīng)該避免兩個開關(guān)管同時處于斷開的情況發(fā)生。綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通26

3、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：1）雙極性PWM控制方式在該控制方式下，圖中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被當(dāng)作兩對開關(guān)管，每對開關(guān)管都是同時導(dǎo)通或斷開的。2）單極性PWM控制方式在該控制方式下，每個橋臂的開關(guān)管是單獨控制的。全橋式直流-直流變換器的輸出電流即使在負(fù)載較小的時候，也沒有電流斷續(xù)現(xiàn)象。3、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：275.3變壓器隔離的直流-直流變換器

許多場合要求輸入輸出間實現(xiàn)電隔離，在基本的非隔離DC-DC變換器中加入變壓器，就可派生出帶隔離變壓器的DC-DC變換器。在這類變換器中，變壓器的作用主要是隔離，一定情況下也能起到變壓的作用。應(yīng)用在DC-DC變換器中的變壓器是高頻變壓器，工作原理與其他類型的變壓器不同，鐵芯必須加氣隙。由于變壓器可插在基本變換電路中的不同位置，從而可得到多種形式的變壓器隔離的變換器主電路。下面介紹常見的單端正激變換器，反激變換器，半橋及全橋式降壓變換器等

5.3變壓器隔離的直流-直流變換器285.3.1單端正激變換器1、電路結(jié)構(gòu)單端正激變換器由Buck變換器派生而來。下圖(a)為Buck變換器的原理圖，在虛線的位置插入一個隔離變壓器，即可得到圖(b)的單端正激變換器。圖5-15單端正激變換器結(jié)構(gòu)5.3.1單端正激變換器圖5-15單端正激變換器292、工作原理1）開關(guān)管VT導(dǎo)通時，工作狀態(tài)如圖5-16(a)所示，根據(jù)圖中的同名端表示，可以知道變壓器副邊也流過電流，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電感電壓為左正右負(fù)，變壓器副邊的電流線性上升，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。在開關(guān)管VT導(dǎo)通期間，電感電壓

圖5-16(a)2、工作原理圖5-16(a)302、工作原理

2）開關(guān)管VT截止時，工作狀態(tài)如圖5-16(b)所示，變壓器副邊沒有電流流過，負(fù)載電流經(jīng)反并聯(lián)二極管VD2續(xù)流。在開關(guān)管VT斷開期間，電感電壓為負(fù)，電流線性下降。電感電壓圖5-16(b)2、工作原理圖5-16(b)31在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓符合伏秒平衡特性，在一個周期內(nèi)積分為零。因此由上式可見，單端正激變換器電壓增益與開關(guān)導(dǎo)通占空比成正比，這與Buck變換器類似，不同的是比后者多了一個變壓器的變比。正激變換器是具有隔離變壓器的降壓變換器，因而具有降壓變換器的一些特性。得在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓符合伏秒平衡特性，在一個周期內(nèi)積分為零。因325.3.2單端反激變換器1、電路結(jié)構(gòu)反激變換器電路如圖5-17所示。與升-降壓變換器相比較，反激變換器用變壓器代替了升-降壓變換器中的儲能電感。這里的變壓器除了起輸入輸出電隔離作用外，還起儲能電感的作用。

圖5-17單端反激變換器電路原理圖5.3.2單端反激變換器332、工作原理1）當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時，VD1承受反壓，此時變壓器副邊相當(dāng)于開路，原邊相當(dāng)于一個電感。電源US向變壓器原邊輸送能量，并以磁場形式存儲起來。2）當(dāng)開關(guān)管VT截止時，線圈中磁場儲能不能突變，將會在變壓器副邊產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢使VD1承受正向電壓而導(dǎo)通，從而磁場儲能轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。反激變換器電路簡單，在小功率場合應(yīng)用廣泛。缺點是磁芯磁場直流成分大，為防止磁芯飽和，磁芯磁路氣隙較大，磁芯體積較大。2、工作原理345.3.3半橋式隔離的降壓變換器在正激、反激變換器中，變壓器原邊通過的是單向脈動電流，磁場易飽和。半橋和全橋式隔離變換器可克服此缺點。1、電路結(jié)構(gòu)半橋式隔離的降壓變換器如圖5-19所示，C1、C2為濾波電容，VD1、VD2為VT1、VT2的續(xù)流二極管，VD3、VD4為整流二極管，LC為輸出濾波電路。圖5-19半橋式降壓變換器5.3.3半橋式隔離的降壓變換器圖5-19半橋式降352、工作原理濾波電容C1、C2上的電壓近似直流，且均為Us/2。1）當(dāng)VT1關(guān)斷、VT2導(dǎo)通時，電源及電容C2上的儲能經(jīng)變壓器傳遞到副邊。同時，電源經(jīng)→變壓器→VT2向C1充電，C1儲能增加。2）當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷時，電源及電容C1上的儲能經(jīng)變壓器傳遞到副邊，此時，電源經(jīng)VT1→變壓器→向C2充電，C2儲能增加。變壓器副邊電壓經(jīng)VD3及VD4整流、LC濾波后即得到直流輸出電壓。通過交替控制VT1、VT2的開通與關(guān)斷，并控制其占空比，即可控制輸出電壓大小。2、工作原理365.3.4全橋式隔離的降壓變換器常見的全橋式隔離的降壓變換器電路如圖5-20所示。圖5-20全橋式降壓變換器5.3.4全橋式隔離的降壓變換器圖5-20全橋式降371）電路的工作原理是：將VT1、VT4作為一組，VT2、VT3作為另一組，交替控制兩組開關(guān)關(guān)斷與導(dǎo)通，即可利用變壓器將電源能量傳遞到副邊。變壓器副邊電壓經(jīng)VD1及VD2整流，LC濾波后即得直流輸出電壓。改變占空比即可控制輸出電壓大小。2）電容C0的作用是防止變壓器出現(xiàn)偏磁而設(shè)置的，也稱為去偏電容。由于正負(fù)半波控制脈沖寬度難以做到絕對相同，同時開關(guān)器件特性難以完全一致，從而電路工作時流過變壓器原邊的電流正負(fù)半波難以完全對稱，因此，加上C0以防止鐵芯磁場直流磁化而飽和。1）電路的工作原理是：將VT1、VT4作為一組，VT38謝謝觀賞謝謝觀賞39第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路5.1直流斬波器一、概述將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關(guān)斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。造成線路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以具有自關(guān)斷能力的全控型電力電子器件作為開關(guān)器件。第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路第章直流直流變換電路405.1直流斬波器一、概述將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC/DC變換電路，俗稱斬波器(Chopper)。在直流斬波器中，因輸入電源為直流電，電流無自然過零點，半控元件的關(guān)斷只能通過強迫換流措施來實現(xiàn)。造成線路的復(fù)雜化和成本的提高。因此，直流斬波器多以具有自關(guān)斷能力的全控型電力電子器件作為開關(guān)器件。5.1直流斬波器41二、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

下圖是直流斬波器的原理圖。圖中開關(guān)S可以是各種全控型電力電子開關(guān)器件，輸入電源電壓Us為固定的直流電壓。當(dāng)開關(guān)S閉合時，直流電流經(jīng)過S給負(fù)載RL供電；開關(guān)S斷開時，直流電源供給負(fù)載RL的電流被切斷，L的儲能經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載RL兩端的電壓接近于零。

圖5-1二、直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理下圖是直流斬波器的原理圖42三、直流斬波器的分類直流斬波器按照調(diào)制形式可分為1）脈沖寬度調(diào)制(PWM)；2）脈沖頻率調(diào)制(PFM)；3）混合調(diào)制。按變換電路的功能分類有1）降壓式直流-直流變換(BuckConverter)；2）升壓式直流-直流變換(BoostConverter)；3）升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換(Boost-BuckConverter)；4）庫克直流-直流變換（CukConverter）。按輸入直流電源和負(fù)載交換能量的形式又可分為1）單象限直流斬波器；2）二象限直流斬波器。三、直流斬波器的分類直流斬波器按照調(diào)制形式可分為43四、直流斬波器中電感、電容的基本特性1、電感電壓的伏秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，變換器中的電感電壓必然周期性重復(fù)，由于每個開關(guān)周期中電感的儲能為零，并且電感電流保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電感電壓2、電容電流的安秒平衡特性穩(wěn)態(tài)條件下，開關(guān)變換器中的電容電流必然周期性重復(fù)，每個開關(guān)周期中電容的儲能為零，并且電容電壓保持恒定，因此，每個開關(guān)周期中電容電流四、直流斬波器中電感、電容的基本特性2、電容電流的安秒平衡特445.2單管非隔離直流斬波器

5.2.1、降壓式直流斬波電路1、電路的結(jié)構(gòu)電路中的VT采用IGBT；VD起續(xù)流作用，在VT關(guān)斷時為電感L儲能提供續(xù)流通路；L為能量傳遞電感，C為濾波電容，R為負(fù)載；Us為輸入直流電壓，U0為輸出直流電壓。

圖5-25.2單管非隔離直流斬波器

5.2.1、降壓式直流斬波電452、工作原理

1）在控制開關(guān)VT導(dǎo)通ton期間，二極管VD反偏，則電源Us通過L向負(fù)載供電，此間iL增加，電感L的儲能也增加，在電感端有一個正向電壓uL=Us-uo，左邊正右邊負(fù)。這個電壓引起電感電流iL線性增加；如上圖(a)所示。2、工作原理1）在控制開關(guān)VT導(dǎo)通ton期間，二極管VD反462、工作原理

2）在開關(guān)管VT關(guān)斷時，電感中儲存的電能產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使二極管導(dǎo)通，故電流iL經(jīng)二極管VD續(xù)流，uL=-uo（原方向設(shè)為正），電感L向負(fù)載供電，電感L的儲能逐步消耗在R上，電流iL下降。如上圖(b)所示。2、工作原理2）在開關(guān)管VT關(guān)斷時，電感中儲存的電能產(chǎn)生感47圖5-4連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式波形圖圖5-4連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式波形圖483、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性

設(shè)輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達(dá)為：

即式中D為導(dǎo)通占空比；ton為VT的導(dǎo)通時間；T為開關(guān)周期。通常ton≤T，所以該電路是一種降壓直流變換電路。當(dāng)輸入電壓E不變時，輸出電壓Uo隨占空比D的線性變化而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。3、基本數(shù)量關(guān)系495.2.2升壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)斬波開關(guān)VT與負(fù)載并聯(lián)連接，儲能電感與負(fù)載呈串聯(lián)連接圖5-55.2.2升壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)斬波開關(guān)VT502、工作原理

1）VT導(dǎo)通時，Us向串在回路中的電感L充電，電感電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時二極管VD被反偏截止。由于電感L的恒流作用，此充電電流為恒值IL。又VD截止時C向負(fù)載R放電，由于C已經(jīng)被充電且C容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為U0。設(shè)VT的導(dǎo)通時間為ton，在此階段電源Us全部加在電感L上，則Us=uL；2、工作原理1）VT導(dǎo)通時，Us向串在回路中的電感L充電，512、工作原理

2）在VT關(guān)斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左負(fù)右正，VD轉(zhuǎn)為正偏，電感L與電源Us疊加共同向電容C充電，向負(fù)載R供能。如果VT的關(guān)斷時間為toff，則此時間內(nèi)電感電壓為。2、工作原理2）在VT關(guān)斷時，儲能電感L兩端電勢極性變成左52圖5-7Boost變換器工作波形圖5-7Boost變換器工作波形533、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性

設(shè)輸出電壓平均值為U0，則在穩(wěn)態(tài)時，上式可以表達(dá)為：

即由斬波電路的工作原理可看出，周期T≥toff，或T/toff≥1，故負(fù)載上的輸出電壓U0高于電路輸入電壓Us，該變換電路稱為升壓式斬波電路。3、基本數(shù)量關(guān)系545.2.3升降壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)構(gòu)是儲能電感L與負(fù)載R并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串接在儲能電感與負(fù)載之間。

圖5-85.2.3升降壓式直流斬波電路

1、電路的結(jié)構(gòu)該電路的結(jié)552、工作原理

1）當(dāng)開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)VT給電感L充電儲能，電感電壓上正下負(fù)，此時VD被負(fù)載電壓（下正上負(fù)）和電感電壓反偏，流過VT的電流為iT（=iL），方向如上圖a所示。由于此時VD反偏截止，電容C向負(fù)載R供能并維持輸出電壓基本恒定，負(fù)載R及電容C上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反；此階段2、工作原理1）當(dāng)開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)VT給電感L充562、工作原理

2）當(dāng)開關(guān)VT關(guān)斷時，電感L電壓極性變反（上負(fù)下正），VD正偏導(dǎo)通，電感L中的儲能通過VD向負(fù)載R和電容C釋放，放電電流為iL，電容C被充電儲能，負(fù)載R也得到電感L提供的能量。2、工作原理2）當(dāng)開關(guān)VT關(guān)斷時，電感L電壓極性變反（上負(fù)57圖5-10Buck-Boost變換器工作波形圖5-10Buck-Boost583、基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)電感電壓的伏秒平衡特性有在開關(guān)VT導(dǎo)通期間，有uL=Us；而在VT截止期間，uL=-u0。于是有Uston=U0toff

輸出電壓表達(dá)式可寫成改變D輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。當(dāng)時，斬波器輸出電壓低于輸入電壓，此時為降壓變換；當(dāng)時，斬波器輸出電壓高于輸入電壓，此時為升壓變換。3、基本數(shù)量關(guān)系595.2.4Cuk直流斬波電路

1、電路的特點Cuk斬波電路是升降壓式斬波電路的改進電路，其原理圖及等效電路如下所示。優(yōu)點是直流輸入電流和負(fù)載輸出電流連續(xù)，脈動成分較小。

圖5-112、工作原理

5.2.4Cuk直流斬波電路

1、電路的特點Cuk斬波電601）當(dāng)控制開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)L1→VT回路給L1充電儲能，C通過C→L2→R→VT回路向負(fù)載R輸出電壓，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)。2）當(dāng)控制開關(guān)VT截止時，電源Us通過L1→C→VD回路向電容C充電，極性為左正右負(fù)；L2通過L2→VD→R→L2回路向負(fù)載R輸出電壓，電壓的極性為下正上負(fù)，與電源電壓相反。1）當(dāng)控制開關(guān)VT導(dǎo)通時，電源Us經(jīng)L1→VT回路給L1充電61輸出可寫成

輸出可寫成625.2.5H橋式直流斬波電路

1、電路的特點全橋斬波電路有兩個橋臂，每個橋臂由兩個斬波控制開關(guān)VT及與它們反并聯(lián)的二極管組成。優(yōu)點是變換器可以在四象限運行

。

圖5-145.2.5H橋式直流斬波電路

1、電路的特點全橋632、工作原理如果變換器同一橋臂的兩個開關(guān)管VT在任一時刻都不同時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關(guān)管的狀態(tài)決定。以負(fù)直流母線N為參考點，U點的電壓uUN由如下的開關(guān)狀態(tài)決定：當(dāng)VT1導(dǎo)通時，正的負(fù)載電流io將流過VT1；或當(dāng)VD1導(dǎo)通時，負(fù)的負(fù)載電流io將流過VD1，則U點的電壓為：uUN=Us類似地，當(dāng)VT2導(dǎo)通時，負(fù)的負(fù)載電流io將流入VT2；或當(dāng)VD2導(dǎo)通時，正的負(fù)載電流io將流過VD2，則U點的電壓為：uUN=02、工作原理64綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通，而與負(fù)載電流io的方向無關(guān)，因此UUN為：

式中，ton和toff分別是VT1的導(dǎo)通和斷開時間，DVT1是開關(guān)管VT1的占空比。由此可知，UUN僅取決于輸入電壓E和VT1的占空比DVT1。類似地，

因此，輸出電壓Uo(=UUN-UVN)也與變換器的輸入電壓Us、開關(guān)占空比DVT1和DVT3有關(guān)，而與負(fù)載電流io的大小和方向無關(guān)如果變換器同一橋臂的兩個開關(guān)管同時處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關(guān)系，所以應(yīng)該避免兩個開關(guān)管同時處于斷開的情況發(fā)生。綜上所述，uUN僅取決于橋臂U是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通65

3、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：1）雙極性PWM控制方式在該控制方式下，圖中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被當(dāng)作兩對開關(guān)管，每對開關(guān)管都是同時導(dǎo)通或斷開的。2）單極性PWM控制方式在該控制方式下，每個橋臂的開關(guān)管是單獨控制的。全橋式直流-直流變換器的輸出電流即使在負(fù)載較小的時候，也沒有電流斷續(xù)現(xiàn)象。3、全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：665.3變壓器隔離的直流-直流變換器

許多場合要求輸入輸出間實現(xiàn)電隔離，在基本的非隔離DC-DC變換器中加入變壓器，就可派生出帶隔離變壓器的DC-DC變換器。在這類變換器中，變壓器的作用主要是隔離，一定情況下也能起到變壓的作用。應(yīng)用在DC-DC變換器中的變壓器是高頻變壓器，工作原理與其他類型的變壓器不同，鐵芯必須加氣隙。由于變壓器可插在基本變換電路中的不同位置，從而可得到多種形式的變壓器隔離的變換器主電路。下面介紹常見的單端正激變換器，反激變換器，半橋及全橋式降壓變換器等

5.3變壓器隔離的直流-直流變換器675.3.1單端正激變換器1、電路結(jié)構(gòu)單端正激變換器由Buck變換器派生而來。下圖(a)為Buck變換器的原理圖，在虛線的位置插入一個隔離變壓器，即可得到圖(b)的單端正激變換器。圖5-15單端正激變換器結(jié)構(gòu)5.3.1單端正激變換器圖5-15單端正激變換器682、工作原理1）開關(guān)管VT導(dǎo)通時，工作狀態(tài)如圖5-16(a)所示，根據(jù)圖中的同名端表示，可以知道變壓器副邊也流過電流，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電感電壓為左正右負(fù)，變壓器副邊的電流線性上升，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。在開關(guān)管VT導(dǎo)通期間，電感電壓

圖5-16(a)2、工作原理圖5-16(a)692、工作原理

2）開關(guān)管VT截止時，工作狀態(tài)如圖5-16(b)所示，變壓器副邊沒有電流流過，負(fù)載電流經(jīng)反并聯(lián)二極管VD2續(xù)流。在開關(guān)管VT斷開期間，電感電壓為負(fù)，電流線性下降。電感電壓圖5-16(b)2、工作原理圖5-16(b)70在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓符合伏秒平衡特性，在一個周期內(nèi)積分為零。因此由上式可見，單端正激變換器電壓增益與開關(guān)導(dǎo)通占空比成正比，這與Buck變換器類似，