1、3-15.1 5.1 直流直流/ /直流降壓變換器（直流降壓變換器（Buck DC/DC Buck DC/DC 變換器）變換器） 5.2 5.2 直流直流/ /直流升壓變換器（直流升壓變換器（Boost DC/DC Boost DC/DC 變換器）變換器） 5.3 5.3 直流升壓降壓變換器（直流升壓降壓變換器（Boost-BuckBoost-Buck變換器或變換器或CukCuk變換器）變換器） * *5.4 5.4 兩象限、四象限直流兩象限、四象限直流/ /直流變換器直流變換器 * *5.5 5.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流變換器直流變換器 5.6 5.6 帶隔離變壓器的直流帶

2、隔離變壓器的直流/ /直流變換器直流變換器 3.2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路本章小結(jié)本章小結(jié)（C C）3-2 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流直流 - 直流直流變換器 ( DC / DC Converter )。一般指直接直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话?直流 - 交流 - 直流變換。 6 種種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk 斬波電路、Sepic 斬波電路和 Zeta 波電路。復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路 不同結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重斬波電路多相多重斬波電路 相同結(jié)構(gòu)

3、相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。（C C）電路種類電路種類直流斬波電路直流斬波電路（ DC Chopper ）3-3 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件。 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動勢 典型用途用途之一是拖動直流電動機拖動直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)蓄電池負(fù) 載載，或作為串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路。 功率器件 V 的驅(qū)動和保護(hù)電路見第 1 章有關(guān)內(nèi)容。 降壓斬波電路降壓斬波電路 ( Buck Chopper )（B）注：如何檢測電流 i0 ？3-4例：降壓斬波電路的分析例：降壓斬波電路的分析基本電路如圖 a)，開關(guān)器件 V 在開通開通 ( ON ) 和關(guān)關(guān)斷斷 ( OFF )

4、 兩種狀態(tài)下的等等效電路效電路分別見圖 b) 和 c) ( 只考慮電流連續(xù)的情況 )。如圖可見，在開關(guān)器件 V 的狀態(tài)確定后，兩個等效電路均可按線性電路線性電路進(jìn)行分析，前面課程中學(xué)過的知識可得到利用。實際應(yīng)用電路會比該電路復(fù)雜得多，但基本的分析方法是一致的。a)b)c)（A A）3-5工作原理工作原理tttOOOb) 電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa) 電路圖c) 電流斷續(xù)時的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM圖3-1 降壓斬波電路的原理圖及波形t = 0 時刻驅(qū)動 V

5、導(dǎo)通導(dǎo)通，電源 E 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 uo = E ，負(fù)載電流 io 按指數(shù)曲線上升。t = t1 時控制 V 關(guān)斷關(guān)斷，二極管 VD 續(xù)流，負(fù)載電壓 uo 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。（C C）通常串接較大電感 L 使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。動畫演示3-6數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù)電流連續(xù)（設(shè)電感很大，電流脈動較小）（設(shè)電感很大，電流脈動較小）ononoonoffttUEEEttT（3-1）oMoUEIR （3-2）ton V 通的時間通的時間 toff V 斷的時間斷的時間 T 開關(guān)周期開關(guān)周期 導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比輸出功率等于輸入功率輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降

6、壓變壓器直流降壓變壓器。1ooE IU I（B） 負(fù)載電壓平均值負(fù)載電壓平均值：按照電感上伏秒積分平衡或能量平衡 負(fù)載電流平均值負(fù)載電流平均值：3-7數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 電流不連續(xù)電流不連續(xù)（3-3）ton V 通的時間通的時間 tx 電感電流斷的時間電感電流斷的時間 T 開關(guān)周期開關(guān)周期（B） 負(fù)載電壓平均值負(fù)載電壓平均值：不成立不成立換成電容：換成電容：電流連續(xù)情況下：電流連續(xù)情況下：3-8斬波電路三種控制方式T 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制 ( PWM )。ton 不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制 ( PFM )。ton 和 T 都可調(diào)，改變占空比 混合型混合型。此種方式應(yīng)用最多第

7、 2 章 2.1 節(jié)和本章前均介紹過：電力電子電路實質(zhì)上是分時段線性電路分時段線性電路的思想。基于分段線性分段線性的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。（B） 分分 V 處于處于通態(tài)通態(tài)和處于和處于斷態(tài)斷態(tài) 初始條件分初始條件分電流連續(xù)電流連續(xù)和和斷續(xù)斷續(xù)3-9工作原理工作原理假設(shè) L 和 C 值很大。( L：儲存電能；C：保持輸出電壓。)V 處于通態(tài)通態(tài)時，電源 E 向電感L 充電，電流恒定 I1 ，電容 C向負(fù)載 R 供電，輸出電壓 Uo 恒定。V 處于斷態(tài)斷態(tài)時，電源 E 和電感 L 同時向電容 C 充電，并向負(fù)載提供能量。注意注意：電路不能空載工作?動態(tài)演示0uGE0ioI1圖5-2 升壓斬

8、波電路及工作波形a) 電路圖b) 波形（B）此斬波電路亦稱作并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路。( Boost Chopper ) 3-10數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 V 通態(tài)時間通態(tài)時間 ton ，此階段，此階段 L 上積蓄的能量為：上積蓄的能量為： 。 V 斷態(tài)時間斷態(tài)時間 toff ，此期間電感，此期間電感 L 釋放能量為：釋放能量為： 。 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時，一個周期時，一個周期 T 中中 L 積蓄能量與釋放能量相等：積蓄能量與釋放能量相等：1ooffUEIt1onE ItonoffooffoffttTUEEtt（5-21）（5-20）11()onooffE ItUEIt化簡得： T / toff 1

9、，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路升壓斬波電路。 T / toff 升壓比；升壓比的倒數(shù)記作 b ，即 。 b 和 的關(guān)系： + b b = 1因此，式（3-21）可表示為： 111oUEEbofftTb（5-23）（5-22）（C C）3-11 設(shè)：設(shè)：1. 相對于開關(guān)周期相對于開關(guān)周期 T 而言，而言， L 、C 的值足夠大的值足夠大 ( 或或 T 足夠小足夠小 )。 2 . 一周期中，一周期中，i1 = I1 、u0 = U0 保持不變。保持不變。 ton 期間期間：uL = E ；toff 期間期間：uL = E - U0 。 一周期內(nèi)一周期內(nèi) L 中的能量變化為零中的能量變化為

10、零，即：，即：得：得：由此得出：由此得出： 將將 代入上式，進(jìn)一步解得：代入上式，進(jìn)一步解得： ，即式，即式 (5 - 23)。例：式（例：式（5 - 235 - 23）的詳細(xì)推導(dǎo)）的詳細(xì)推導(dǎo)T100Lui dt（A A）ont1010()0onTtE I dtEUI dt101()()0ononE ItEUITt/ontT011UE圖 3-2 a）3-12電壓升高的原因電壓升高的原因：電感 L 儲能起電壓泵升電壓泵升的作用； 電容 C 可將輸出電壓保持保持住。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載 R 消耗，即： 。 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器直流變壓器。1E

11、 IU Ioo 輸出電流的平均值輸出電流的平均值 Io 為：RERUIb1oo(5-25) 電源電流的平均值電源電流的平均值 I1 為： 阻抗變換器阻抗變換器：REIEUI2oo11b(5-26)（B）221(1)ERRIb（5-24）3-13 例：帶饋能式例：帶饋能式緩沖電路的升壓緩沖電路的升壓斬波電路斬波電路一般 C1 = C2 。C1 中儲存的能量為 C1 UO2 / 2 。注： 1、緩沖電路由哪些元件組成？2、緩沖電路的工作原理？ 3、緩沖電路對斬波電路正常工作的作用和影響？ 4、VT導(dǎo)通瞬間，流過 VT的電流是否就是 i1 ？ 5、要使 UO 更接近理想直流應(yīng)采取哪些措施？（A）3-

12、14 1 ) 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 ( buck - boost Chopper ) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)（B B）圖 3-4 a）注：該電路能否空載工作？ 注意注意：電源和負(fù)載壓降定義的方向（ 極性 ）不同。3-15基本工作原理基本工作原理a)圖3-4 升降壓斬波電路及其波形 a）電路圖 b）波形V 通時通時，電源 E 經(jīng) V 向 L 供電使其貯能，此時電流為 i1 。同時，C 維持輸出電壓恒定并向負(fù)載 R 供電。V 斷時斷時，L 的能量向負(fù)載釋放，電流為 i2 。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也被稱作反極反極性斬波電路性斬波電路。注意注意：電路不能空載工作。動態(tài)演示

13、b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：開關(guān)器件承受的電壓是多少？3-16數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 內(nèi)電感 L 兩端電壓 uL 對時間的積分為零。0d0LTut （5-39）所以輸出電壓輸出電壓為：1ononooffonttUEEEtTt（5-41）V處于通態(tài)通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)斷態(tài)uL = - uoonooffE tUt（5-40）（C C）即：3-17圖 5 - 4 b) 中給出了電源電流 i1 和負(fù)載電流 i2 的波形，設(shè)兩者的平均值分別為 I1 和 I2 ，當(dāng)電流脈動足夠小時，有：12onofftIIt（3-42）由上式得：2111offontIIIt（3

14、-43） 結(jié)論結(jié)論當(dāng) 0 1 / 2 時為降壓降壓，當(dāng)1 / 2 1 時為升壓升壓，故稱作升降壓斬波電路升降壓斬波電路。也有稱之為 buck - boost 變換器變換器。 其輸出功率等于輸入功率輸出功率等于輸入功率，可看作直流變壓器直流變壓器。12oE IU I（3-44）ototi1i2tontoffILIL（B）圖 3-4 b）3-182 ) Cuk ( Cuk 、丘克丘克、庫克庫克 ) 斬波電路斬波電路 V 通時通時，E - L1 - V 回路和 R - L2 - C - V 回路有電流。 V 斷時斷時，E - L1 - C - VD 回路和 R - L2 - VD 回路有電流。 輸出

15、電壓的極性與電源電壓極性相反極性相反。 電路相當(dāng)于開關(guān) S 在 A 、B 兩點之間交替切換。圖5-5 Cuk 斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路（B）注：1、開關(guān)器件承受的電壓是多少？ 2、該電路能否空載工作？3-19同理：Tti0C0d（5-45）V 處于通態(tài)通態(tài)的時間 ton ，則電容電流和時間的乘積為 I2 ton 。V 處于斷態(tài)斷態(tài)的時間 toff ，則電容電流和時間的乘積為 I1 toff 。由此可得：off1on2tItI（5-46）211offononontTtIItt（5-47）1ononooffonttUEEEtTt（5-48） 其輸出功率等于輸入功率輸出功率等

16、于輸入功率， 可看作直流變壓器直流變壓器。 優(yōu)點優(yōu)點 ( 與升降壓斬波電路相比 )：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。（B） 缺點缺點：電容 C C 的電流波動大，電流沖擊嚴(yán)重。3-20 分析時的注意點：分析時的注意點： 1 . 能量守恒能量守恒關(guān)系；關(guān)系； 2 . 合理假設(shè)合理假設(shè)。 設(shè)：設(shè)：1 . L1 、L2 、C 足夠大，足夠大， T 足夠小；足夠小； 2 . 一周期中一周期中 i1 = I1 、i2 = I2 、uc = Uc 保持不變。保持不變。 一周期內(nèi)一周期

17、內(nèi) C 中的能量變化為零中的能量變化為零，即：，即： 得：得： 由由 及及 得：得：即式即式 ( 5 - 47 )。 同理，可照此對同理，可照此對 L1 、L2 進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。例：式例：式 ( 5 - 47 ) 的詳細(xì)推導(dǎo)的詳細(xì)推導(dǎo)T00CCui dt（A A）ont2100()onTCCtUIdtUIdt 210()ononItITt/ontT211II圖5-5 a）3-21+ uc 例：例：有一輸入電壓 E = 10 V ，開關(guān)頻率為 50 kHz 的 Cuk 斬波電路 ( 如圖 ) ，輸出端接足夠大的電容使輸出電壓UO = 5 V 不變，求：1). 占空比 ；2). 電容 C 兩端

18、的平均電壓 Uc ；3). 開關(guān)器件的 ton 和 toff 。解：解：1).由 ，得：2).由 E = uL1 + uC + uL2 + ( - UO )，且穩(wěn)態(tài)時電感上的平均電壓 UL1 = UL2 = 0，得：UC = E ( - UO ) = 15V *3).由 = ton / T = ( T toff ) / T，得：ton = T = 6.67S，toff = T ton = 13.33 S。 1OUE13OOUUE* uc 瞬時值可能會波動較大，具體數(shù)值可通過列方程求解或通過仿真得出。（A）3-22 Sepic 電路的結(jié)構(gòu)和原理電路的結(jié)構(gòu)和原理V 通態(tài)通態(tài)，E - L1 - V

19、回路回路 和和 C1 - V - L2 回路同時導(dǎo)回路同時導(dǎo) 電，電，L1 和和 L2 貯能。貯能。V 斷態(tài)斷態(tài)，E - L1 - C1 - VD - 負(fù)載負(fù)載回路及回路及 L2 - VD - 負(fù)載負(fù)載回回路同時導(dǎo)電，此階段路同時導(dǎo)電，此階段 E 和和 L1 既向負(fù)載供電，同時也向既向負(fù)載供電，同時也向 C1 充電充電 ( C1 貯存的能量在貯存的能量在 V 處于通態(tài)時向處于通態(tài)時向 L2 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 )。輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系：1ononooffonttUEEEtTt（3-49）（B）注：1、該電路能否空載工作？ 2、試推導(dǎo)該電路輸出電流 IO 的表達(dá)式。a) Sepic 斬波電路圖3-6

20、Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路3-23 設(shè)：設(shè)：1 . L1 、L2 、C1 、C2 的的 值足夠大，值足夠大，T 足夠小。足夠小。 2 . 一周期中，一周期中，i1 = I1 、 i2 = I2 、uC1 = UC1 、u0 = U0 保持不變。保持不變。 ton 期間期間：uL1 = E 、uL2 = UC1 ； toff 期間期間：uL1 = E - U0 - UC1 、uL2 = - U0 。 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時，一周期內(nèi)時，一周期內(nèi) L1 、L2 中的能量變化為零中的能量變化為零，即：，即： 由上二式和由上二式和 ，得：，得： ，即式，即式 (3 - 49)。例：式例：式（5 -

21、 49）的詳細(xì)推導(dǎo)的詳細(xì)推導(dǎo)12020ConoffUItUIt（A A）/ontT01UE 10110()onCoffE ItEUUIt圖5-6 a）Zeta 斬波電路的分析方法與此相同。斬波電路的分析方法與此相同。3-24Zeta 斬波電路的結(jié)構(gòu)和原理斬波電路的結(jié)構(gòu)和原理V 處于通態(tài)通態(tài)期間，電源 E 經(jīng)開關(guān) V 向電感 L1 貯能，同時 E 和 C1 共同向 R 和 C2 供電。V 關(guān)斷關(guān)斷后，L1 經(jīng) VD 將儲存的能量轉(zhuǎn)移到 C1 ，同時 C2 向 R 供電， L2 的電流經(jīng) C2 、R 和 VD 續(xù)流。輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系：圖3-6 Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路EU

22、1o（3-50）b) Zeta 斬波電路（B）注：1、該電路能否空載工作？ 2、試按上頁方法驗證式 (3 - 50)。3-25 兩電路有相同的輸入輸出關(guān)系相同的輸入輸出關(guān)系。 在一定的條件下，Sepic 電路的電源電流連續(xù)，Zeta 電路的輸入電流是斷續(xù)的；兩電路的輸出電流是否連續(xù)取決于 T 、ton 、C 、L 諸參數(shù)值。 兩電路輸出電壓均為正極性正極性。 兩電路的輸出功率等于輸入功輸出功率等于輸入功率率，可看作直流變壓器直流變壓器。 （B）圖3-6 Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路b) Zeta 斬波電路a) Sepic 斬波電路注：若希望 u0 更接近理想的直流電壓，可采取那些

23、措施？兩種斬波電路的比較兩種斬波電路的比較3-26各種基本斬波電路的電壓比、器件承受的最高電壓各種基本斬波電路的電壓比、器件承受的最高電壓及應(yīng)用領(lǐng)域歸納于下表及應(yīng)用領(lǐng)域歸納于下表電路電路電壓比公式電壓比公式開關(guān)和二極管承受開關(guān)和二極管承受的最高電壓的最高電壓應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域降壓型降壓型各種降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器各種降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器升壓型升壓型升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，升壓型升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，升壓型功率因數(shù)校正（功率因數(shù)校正（ PFC PFC ）電路）電路升降壓型升降壓型反向開關(guān)穩(wěn)壓器反向開關(guān)穩(wěn)壓器CukCuk對輸入輸出紋波要求高的對輸入輸出紋波要求高的反相型開關(guān)穩(wěn)壓器反相型開關(guān)穩(wěn)壓器SepicSepic升降

24、壓型功率因數(shù)校正升降壓型功率因數(shù)校正（ PFC PFC ）電路）電路ZetaZeta對輸出紋波要求高的對輸出紋波要求高的升降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器升降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器oUEmaxmaxVVDUEUE11oUE1oUE1oUE1oUE1oUEmaxmaxVoVDoUUUUmaxmaxVoVDoUEUUEUmaxmaxVCVDCUUUU11maxmaxVCoVDCoUUUUUU11maxmaxVCVDCUUEUUE（A）3-27降壓型降壓型：只能降壓不能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流 脈動大，輸出電流脈動小，結(jié)構(gòu)簡單。升壓型升壓型：只能升壓不能降壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工

25、作，結(jié)構(gòu)簡單。升降壓型升降壓型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電 流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡單。Cuk 型型：能降壓能升壓，輸出與輸入反相，輸入輸出電流 脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。Sepic 型型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動 小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。Zeta 型型：能降壓能升壓，輸出與輸入同相，輸入電流脈動 大，輸出電流脈動小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。注：1、試述斬波電路可以作為阻抗變換器 (或稱可變電阻 )。 2、驗證上述各斬波電路的特點。（A）各種基本斬波電路的特點各種基本斬波電路的特點3-28復(fù)合斬波電路復(fù)合斬波電路 降壓斬波電路和升壓斬波電路組合組合構(gòu)成。 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合組合構(gòu)成。斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路降壓斬波電路能使電動機工作于第第 1 象限象限。升壓斬波電路升壓斬波電路能使電動機工作于第第 2 象限象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路中電動機的電樞電流可正正可負(fù)負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第 1 象限和第 2 象限。 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路（C C）3-29 電路結(jié)構(gòu)