42基本直流斬波電路基本直流斬波電路是指降壓BUCK斬波電路、升壓BOOST斬波電路、升降壓BUCKBOOST斬波電路和丘克CUK斬波電路。本節(jié)將對(duì)SEPIC斬波電路和ZETA斬波電路一并給予介紹。421降壓斬波電路降壓斬波電路又稱BUCK斬波電路，該電路的特點(diǎn)是輸出電壓比輸入電壓低，而輸出電流則高于輸入電流。也就是通過該電路的變換可以將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為低于其值的輸出直流電壓，并實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖42A所示。圖中S是開關(guān)器件，可根據(jù)應(yīng)用需要選取不同的電力電子器件，如IGBT、MOSFET、GTR等。L、C為濾波電感和電容，組成低通濾波器，R為負(fù)載，VD為續(xù)流二極管。當(dāng)S斷開時(shí)，VD為提供續(xù)流通路。E為輸入直LI流電壓，為輸出電壓平均值。當(dāng)選用IGBT作為開關(guān)器件時(shí)，降壓斬波電路如圖42BOU所示。SLERVDUDEILIDIULOICCIOUUCLERVDUDEILIDIULOICCIOUUCTGAS為開關(guān)器件BIGBT為開關(guān)器件圖42降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖根據(jù)電路中電感電流的連續(xù)情況，可將降壓斬波電路分為連續(xù)導(dǎo)電和不連續(xù)導(dǎo)電兩種工作模式。4211電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式連續(xù)導(dǎo)電模式對(duì)應(yīng)電感電流恒大于零的情形。設(shè)開關(guān)器件T的控制信號(hào)為（的GU波形如圖44所示）。當(dāng)為高電平時(shí)T導(dǎo)通，為低電平時(shí)T關(guān)斷。T導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)GUGU的等效電路分別如圖43A、B所示。電路的工作原理是設(shè)電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在時(shí)，使T導(dǎo)通，因二極管0TVD反向偏置，電感兩端電壓為，且為正。此時(shí)，電源E通過電感L向負(fù)載傳OLEU遞能量，電感中的電流從線性增長(zhǎng)至，儲(chǔ)能增加。在時(shí)刻，使T關(guān)斷，而I1I2IONT不能突變，故將通過二極管VD續(xù)流，L儲(chǔ)能消耗在負(fù)載R上，線性衰減，儲(chǔ)能減LILLI少。此時(shí)。由于VD的單向?qū)щ娦裕荒芟蛞粋€(gè)方向流動(dòng)，即總有0，從OUULILI而在負(fù)載R上獲得單極性的直流電壓。選擇合適的電感電容值，并控制T周期性地開關(guān)，可控制輸出電壓平均值大小并使輸出電壓紋波在容許的范圍內(nèi)。顯然T導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，傳遞到負(fù)載的能量愈多，輸出電壓也就愈高。T導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)各電量的工作波形如圖44所示。LCERUOLICIUCULOIEILCERUOLIDIUCULOIEI0CIAT導(dǎo)通VD截止BVD導(dǎo)通T截止圖43連續(xù)導(dǎo)電模式降壓斬波電路等效電路圖00T0T0TILI2I1I2IOI1IOIOIOUOUO,UGULTICUCUC0TEUOUOTONTOFF0TTSILIO圖44降壓斬波電路的工作波形圖在期間，T導(dǎo)通，根據(jù)等效電路43A，可得出電感L上的電壓為ONT（43）DTILU由于電感和電容無損耗，電流從導(dǎo)通時(shí)的電流初值線性增長(zhǎng)至終值為，因此上式LI1I2I可寫成ONLONLOTITIDTIUE12則（44）OLONEIT式中為電感電流的變化量，為輸出電壓的平均值。12IILU在期間，T關(guān)斷，VD導(dǎo)通續(xù)流，根據(jù)圖43B的等效電路，電流從線性衰減OFTLI2I至，因此有1IOFLOFLOTITIDTI21即（45）OFU從式（44）和式（45）消去，可得LIOFONTTE即DETTTSONOFN（46）事實(shí)上，由于穩(wěn)態(tài)工況下的電感電壓波形周期性地重復(fù)，又根據(jù)假設(shè)電感為理想器LU件，故電感電壓的平均值在一個(gè)周期內(nèi)必為零。即0DTTDTSONONSTLT0LT0L這就意味著T導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓波形面積相等，即ONSOFONTUTTE所以有DETTUSON（47）當(dāng)輸入的直流電壓不變時(shí)，輸出直流電壓隨占空比線性變化，與其它電路參數(shù)無關(guān)。由于占空比總是小于等于1，所以輸出電壓總是小于或等于輸入電壓E。因此，這種DOU斬波電路稱為降壓斬波電路。由于不考慮電路元件的損耗，則輸入功率與輸出功率相等，或，OEPOEIU因此輸入電流和負(fù)載電流之間的關(guān)系為EIOIEOIDUI1（48）由圖42可知，開關(guān)器件T和二極管VD承受的最大電壓均為電源電壓E。4212電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式下的整個(gè)開關(guān)周期TS中，電感電流都大于0，且介于與LI1I之間變化。電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式是指在開關(guān)器件T關(guān)斷的期間內(nèi)，電感電流已2IOFTLI降為零，且保持一定時(shí)間，電路有三種工作狀態(tài)，即T導(dǎo)通，VD截止；T截止，VD導(dǎo)通；T、VD都截止，電感電流為零。電路的工作原理是在時(shí)，使T導(dǎo)通，情況與電流0T連續(xù)導(dǎo)電模式相同，電感中的電流線性增長(zhǎng)至，儲(chǔ)能增加。在時(shí)刻，使TLIMAXLIONT關(guān)斷，通過二極管VD續(xù)流。但在T的下一個(gè)導(dǎo)通周期到來之前，已衰減到零，此時(shí)LILI續(xù)流二極管VD也截止，T和VD都截止時(shí)的等效電路如圖45A所示，電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式的電壓電流波形如圖45B所示。LCERUOLIUCULEI0OICI0ILUGULT0TEUOUOTON0TTSILIOTOFFTOFFILMAXA等效電路B電壓電流波形圖45斷續(xù)狀態(tài)的等效電路和電壓電流波形圖LI根據(jù)圖45的波形可以求得，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，電感電壓為（49）ONLOTIDTIUEMAX電流的大小與T的導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)。MAXLINT當(dāng)T關(guān)斷時(shí)，電感電壓為（410）MAXOFLOTIDIU設(shè)，則由式（49）和式（410）可求得SOFTTOSOSUTEDT即EDUO（411）所以O(shè)（412）在電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式下，負(fù)載電流平均值為OI211MAXMAXSLSLSOTDITI即21MAXDILO（413）將式（49）和式（412）代人式（413）有（414）12OSOUEDLTI而當(dāng)?shù)扔跁r(shí)，負(fù)載電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)的電壓電OFTOFTLI流波形如圖46所示。0ILULTTONTOFF0TTSEUOUOILBILMAX圖46臨界狀態(tài)的電壓電流波形圖LI4213輸出電壓紋波在降壓斬波電路中，當(dāng)濾波電容C的容量足夠大時(shí)，輸出電壓基本不變，近似為OU恒值。然而電容C的容量總是有限值的，因此輸出電壓含有紋波分量。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，假定中所有紋波分量都流過電容，而其直流分量流過負(fù)載電阻。在圖44的波形中，LILI當(dāng)時(shí)，電容C對(duì)負(fù)載放電；在時(shí)，由電源為C提供充電電流。由于流過電ILII容C的電流在一周期內(nèi)的平均值為零，那么在TS/2時(shí)間內(nèi)電容充電或放電的電荷量可用圖44中陰影面積來表示，即（415）LSLSLOFNIIITQ821221因此，電壓紋波的峰峰值為OU（416）LSICT8根據(jù)式44和式45可求出開關(guān)周期TS為（417）1OOLFONSSUEITFT同時(shí)考慮式416和式417，可求出（418）222818SOSSOOLCFDFLCFU由式（418）可以根據(jù)電路的技術(shù)數(shù)據(jù)來選擇濾波電容的參數(shù)。電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波系數(shù)為（419）2218SCSOFDLCFU式中是BUCK電路的開關(guān)頻率；為L(zhǎng)C低通濾波器的固有頻率。SSTF1LCFC式（419）說明可以通過選擇合適的L、C的值，使，來限制輸出紋波電壓的CFS大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。對(duì)電流斷續(xù)方式也可以進(jìn)行類似的分析。4214臨界電感平均電流與臨界電感電感電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流相等，在電流連續(xù)時(shí)，可表示為OI（420）21ILO由式（417）可求得電感電流連續(xù)工況時(shí)電流紋波的峰峰值，即（421）FDEFUISSOOL將式（420）和式（421）代入關(guān)系式，可得12IIL（422）121DLETISO當(dāng)電路處于臨界工況時(shí)，電感電流在斬波周期結(jié)束時(shí)，恰好等于零。由圖46知，此時(shí)，參考式（44），則臨界電感電流平均值為01IMAX2LI（423）12221DLETULTESOSONB由式（423）可求得臨界電感值為（424）1DITLBS在時(shí)，電感電流最大，也即輸出電流最大，即50D（425）LEISLBMAX8那么，可以根據(jù)電流的臨界值來選擇電流連續(xù)時(shí)的最小電感值，其大小為（426）LBMAXSINIT需要指出的是流過開關(guān)器件T和二極管VD的電流最大值就是電感電流的最大值，據(jù)此可以選擇器件的電流參數(shù)。由于降壓BUCK斬波電路電源的輸入電流為斷續(xù)方式，而負(fù)載側(cè)因電感L的存在，所以在電流連續(xù)工作情況下，輸入電流脈動(dòng)較大，輸出電流脈動(dòng)相對(duì)較小，因此其應(yīng)用受到一定的限制。但由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用在要求不高的場(chǎng)合，如需要降壓的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源和小功率直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。例41斬波電路如圖42所示。輸人電壓為27V10，保持輸出電壓為15V不變，電路的最大輸出功率為120W，最小功率為10W。IGBT飽和導(dǎo)通電阻RT02，輕載時(shí)關(guān)斷時(shí)間為5S，忽略開通時(shí)間，若工作頻率為30KHZ。1求占空比D變化范圍；2保證整個(gè)工作范圍內(nèi)電感電流連續(xù)時(shí)的電感L值；3當(dāng)輸出紋波電壓時(shí)，求濾波電容C值；MVUO104如電感臨界電流的平均值ILB4A，求電感LB值，并求在最小輸出功率時(shí)的占空比；5如電感的等效電阻RL0025，在最低輸出電壓最大輸出功率時(shí)，求最大占空比和效率。解1電源電壓最大值，最小值，7291027MAXE3241072MINE所以占空比D的變化范圍為和。50729/1MIN6170324/15MAXD2由式（47）和式（424）可求得臨界電感222DFPUITEUITIETLSOOLBSOLBSBS式中，為電路的輸出功率，此處應(yīng)取最小值10W；為開關(guān)頻率30KHZ；D應(yīng)取最小值OPSF0505，則（此處計(jì)算結(jié)果有誤）MHDFULSOB1680510325122）（3由式（418）可求得FFCSO45103168832）（式中，D應(yīng)取最小值0505。4由式（47）和式（424）可求得ILB4A時(shí)的臨界電感MHDFIUIETLSLBOBS0315103421212）（當(dāng)電感值為0031MH時(shí)，若輸出功率只有10W，此時(shí)電路工作在斷續(xù)狀態(tài)。設(shè)斷續(xù)狀態(tài)下的輸出電壓與輸入電壓之比為M，則。由式（413）得/EOSOLLOTDLUIIRU22121MAX由式（49）解出得，帶入上式并在等式兩邊同時(shí)除以E整理可得MAX1DRTEOSO解得/2UMLO式中。與比較，可知，解得SLRT/DL1822DL（所以2EUMLO進(jìn)而求得DL1根據(jù)已知數(shù)據(jù)得041310523SLRT當(dāng)E243V時(shí)，M取最大值67EUMO所求占空比250142012DL5設(shè)電路工作在連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)有功功率恒定的原理有，2ETOLEIRPI而，則。解得，AUPIOO815/20/285234EIAI3所以4293524/10/）EOIP422升壓斬波電路升壓斬波電路又稱BOOST斬波電路，用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)能量從低壓側(cè)電源向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞。采用IGBT作為開關(guān)器件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖47所示。LERUOTGBAUTLUDOIDILICUCCI圖47升壓型斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4221電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式設(shè)開關(guān)器件T的控制信號(hào)為（的波形如圖49所示）。當(dāng)為高電平時(shí)T導(dǎo)通，GUGU為低電平時(shí)T關(guān)斷。T導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)的等效電路分別如圖48A、B所示。GU電路工作原理是設(shè)電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在時(shí)，使T導(dǎo)通，二極管VD承0T受反壓而截止，電源電壓E全部加到電感L上，電感中的電流從線性增長(zhǎng)至，儲(chǔ)LI1I2I能增加；同時(shí)由電容C為負(fù)載R提供能量，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖48A所示。在時(shí)刻，使為低電平，T關(guān)斷，因電感電流不能突變，通過VD將存儲(chǔ)的ONTGULI能量提供給電容和負(fù)載，即電感儲(chǔ)能傳遞到電容、負(fù)載側(cè)。電感中的電流從線性減少2I至，儲(chǔ)能減少，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流減少，感應(yīng)電勢(shì)，故，對(duì)應(yīng)的1I0LUEO等效電路如圖48B所示。T導(dǎo)通和關(guān)斷工況下各電量的工作波形如圖49所示。LRUOLIOIECLUUCLCROILIEUOLUUCAT導(dǎo)通VD截止BVD導(dǎo)通T截止圖48連續(xù)導(dǎo)電模式升壓斬波電路等效電路圖由上分析可知，在T導(dǎo)通期間，即期間，因此有ONTEUL（427）ONLONLTITIDTIEU12或（428）ITLON式中為電感L中電流的變化量。而在關(guān)斷期間，即期間，12IILOFT，有OUEUOFLOFLOTITIDTIUEU21即OFLTIEU（429）所以LOFIT（430）從式（428）和式（430）消去，整理可得LI（431）EDUO1式中占空比，因，所以輸出電壓總是大于或等于輸入電壓。當(dāng)輸入SONTTD0直流電壓不變時(shí)，輸出直流電壓隨占空比線性變化，與其它電路參數(shù)無關(guān)。在理想的情況下，電路的輸入功率等于輸出功率，即或。因此輸EPOOEIU入電流和負(fù)載電流之間的關(guān)系為EIOI（432）EEOIDIU100T0T0TILI2I1UOUGULTICUC0TEUOTON0TTSILIETOFFEIOIOUO,UCI2IOIO圖49升壓斬波電路的工作波形圖由圖47可知，開關(guān)器件T和二極管VD承受的最大電壓均為輸出電壓。OU4222電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式與BUCK電路類似，BOOST電路的工作模式也分連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)電路處于斷續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，在開關(guān)管T關(guān)斷的期間內(nèi)，輸出電感電流已降為零，且保持到下OFTLI一個(gè)周期開始。電路同樣有三種工作狀態(tài)，即T導(dǎo)通，VD截止；T截止，VD導(dǎo)通；T、VD都截止。電路的工作原理是電路的工作原理是在時(shí)，使T導(dǎo)通，情況與0T電流連續(xù)導(dǎo)電模式相同，電感中的電流線性增長(zhǎng)至，儲(chǔ)能增加。在時(shí)刻，LIMAXLIONT使T關(guān)斷，通過二極管VD同時(shí)給電容C充電和為負(fù)載R提供能量。但在T下一個(gè)導(dǎo)通LI周期到來之前，已衰減到零，從而出現(xiàn)電流的斷續(xù)現(xiàn)象，此時(shí)T、VD都截止。T、VD都截止時(shí)的等效電路如圖410A所示，電感電流斷續(xù)模式下的電壓電流波形如圖410B所示。RLEUTLI0LUUOOIC0ILUGULT0TEUOETON0TTSILIOTOFFTOFFILMAXA等效電路B電壓電流波形圖410斷續(xù)狀態(tài)的等效電路和電壓電流波形圖LI當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，電感電壓為（433）ONLLTIDTIEUMAX式中電流為電感電流最大值，也是電感電流的增量。MAXLI當(dāng)T關(guān)斷時(shí)，電感電壓為（434）MAXOFLOLTIDTIUEU設(shè)，則由式（433）和式（434）可求得SOFT（435）DO而電源E的輸出平均電流就等于電感的平均電流，通過圖410B用三角形的原理得到，即（436）211MAXAXSLONLSELTITITI又有由式（433）得（437）DTISONLMAX由式（437）和式（436）整理得（438）2TEISL式（438）包含兩個(gè)部分，第一部分為T導(dǎo)通時(shí)，電感從電源E獲取的電流平均值，L即為；第二部分則為T關(guān)斷時(shí)，流過二極管VD的平均電流，即為。STDLE2STDL2由于在一個(gè)斬波周期TS內(nèi)，流過電容的電流平均值為零，所以在電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式下，流過負(fù)載R的平均電流就是流過二極管VD的平均電流。因此，電路輸出的平均電流為（439）DLETISO2事實(shí)上，由圖410B的電流波形可以看出，負(fù)載電流平均值為，將2/MAXLOI式（437）代入同樣可得到式（439）。在斷續(xù)導(dǎo)電模式下，如果不能在每一個(gè)開關(guān)周期里對(duì)進(jìn)行控制，則從電源端供給電OU容和負(fù)載的能量至少為。而當(dāng)負(fù)載不能吸收這些能量時(shí)，2/2/MAXLEDTLIS電容電壓將會(huì)升高，直到能量平衡為止。因此在輕負(fù)載時(shí)，的上升可能導(dǎo)致電容器的擊O穿或出現(xiàn)危害性的高電壓，可見這種電路不能工作于輕載或空載情況下。當(dāng)圖410B中的等于時(shí)，電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，其電壓電流波形如圖OFTOFTLI411所示。0ILULTTONTOFF0TTSEU0ILBILMAXE圖411臨界狀態(tài)的電壓電流波形圖LI4223輸出電壓紋波由圖49可知，升壓斬波電路在連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)輸出電壓的紋波為三角波，假設(shè)流過二極管VD的紋波電流分量全部流過電容C，而平均電流流過負(fù)載電阻R，圖中陰影部分表示電荷，輸出電壓紋波的峰峰電壓為QONONTTCCODIIQU001（440）DTRITSOSON所以（441）CSOTU式中，為時(shí)間常數(shù)。根據(jù)電路的技術(shù)數(shù)據(jù)的要求，由式（441）可選擇濾波電容RC的參數(shù)。4224臨界電感平均電流與臨界電感從式（428）和式（430）可得（442）LOOFNSSIEUTFT1則（443）FDLFEISOS式中是電感電流連續(xù)工況時(shí)電流紋波的峰峰值。電感電流在一個(gè)斬波周12IL期內(nèi)的平均值與電源電流相等，其大小為EI（444）21IL當(dāng)電路處于臨界工況時(shí)，則臨界電感電流平均值為01ILLIMAX（445）FEDIISLMAXEBL由式（445）可求得電感電流臨界連續(xù)時(shí)的電感值，為（446）LBSBIF2根據(jù)式（432），輸出電流的連續(xù)臨界值可表示為，即OIOBI（447）121DFEIDISBOB當(dāng)時(shí)，有最大值，可表示為50D（448）LTISOBMAX8由此，可以根據(jù)負(fù)載電流的臨界值來選擇負(fù)載電流臨界連續(xù)時(shí)的最小電感值，為（449）LBMAXSOINIE以上討論是基于電路在輸出功率減少時(shí)電源電壓和占空比均保持不變的假設(shè)條件，D常用于直流調(diào)速系統(tǒng)中，在這樣的系統(tǒng)中，通常要求電源電壓不變，而輸出電壓則隨電OU動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化要求在大范圍調(diào)整（通過改變占空比）。相反在常用的直流開關(guān)電源設(shè)備中，其輸出電壓為恒值，對(duì)于這種情況，為了維持維持恒定不變，在發(fā)生變化時(shí)，OUOUE占空比必須隨之調(diào)整。D在式（447）中，由于電源電壓不變，所以輸出電流的連續(xù)臨界值只與占空比EOI有關(guān)。如考慮維持恒定不變，并將式（447）中的替換為表示，則在臨界連續(xù)DOUEU條件下，將式（431）代入式（447）并將輸出臨界連續(xù)電流用表示，可得BEOI（450）212DLFISOOBE當(dāng)D1/3時(shí)，有最大值并可表示為（451）UTIOSOBEMAX27在輸出電流斷續(xù)時(shí)，將式（435）代入式（439）并參考式（451），整理OI可得（452）21/274OBEMAXOOIUED由式（452）可見，在斷續(xù)狀態(tài)下，若保持為定值，占空比必須隨的變DOI化而調(diào)整。同樣由工作波形可知，不論在電流連續(xù)還是斷續(xù)的情況下，流過開關(guān)器件T和二極管VD電流的最大值和最小值與電感電流相同。在升壓BOOST斬波電路中，由于電感L的存在，輸入電流連續(xù)。但在開關(guān)器件T導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載由電容C提供電源。因此輸入電流脈動(dòng)較小，而輸出電流脈動(dòng)相對(duì)較大，通常被應(yīng)用于電池供電設(shè)備中的升壓開關(guān)穩(wěn)壓電源和功率因數(shù)校正PFC電路等場(chǎng)合。例42升壓斬波電路如圖47所示。設(shè)輸人電壓為27V10，輸出電壓為45V，輸出功率為750W，效率為95，若電感的等效電阻RL005，IGBT為理想開關(guān)器件。1求最大占空比；2如要求輸出電壓為60V是否可能為什么解1輸入電流的平均值為，設(shè)恒定不變，則,EPIO/I1/DRIEUO所以O(shè)OOEPRUID/11當(dāng)E取最小值時(shí)，D為最大值，即243V072MIN5059/345AX2如果要求輸出電壓為60V，此時(shí)占空比D為620603495/732460/OMAXUERPD理論上說明此電路是可以輸出60V電壓的。