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復合斬波電路和多相多重斬波電路復合斬波電路和多相多重斬波電路本章小結本章小結（C C）3-2 將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。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為另一直流電，不包括 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。復合斬波電路復合斬波電路 不同結構不同結構基本斬波電路組合。多相多重斬波電路多相多重斬波電路 相同結構

3、相同結構基本斬波電路組合。（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 電路結構 全控型器件。 若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續流二極管負載出現的反電動勢 典型用途用途之一是拖動直流電動機拖動直流電動機，也可帶蓄電池負蓄電池負 載載，或作為串聯開關型穩壓電路串聯開關型穩壓電路。 功率器件 V 的驅動和保護電路見第 1 章有關內容。 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)，開關器件 V 在開通開通 ( ON ) 和關關斷斷 ( OFF )

4、 兩種狀態下的等等效電路效電路分別見圖 b) 和 c) ( 只考慮電流連續的情況 )。如圖可見，在開關器件 V 的狀態確定后，兩個等效電路均可按線性電路線性電路進行分析，前面課程中學過的知識可得到利用。實際應用電路會比該電路復雜得多，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) 電流連續時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa) 電路圖c) 電流斷續時的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM圖3-1 降壓斬波電路的原理圖及波形t = 0 時刻驅動 V

5、導通導通，電源 E 向負載供電，負載電壓 uo = E ，負載電流 io 按指數曲線上升。t = t1 時控制 V 關斷關斷，二極管 VD 續流，負載電壓 uo 近似為零，負載電流呈指數曲線下降。（C C）通常串接較大電感 L 使負載電流連續且脈動小。動畫演示3-6數量關系數量關系 電流連續電流連續（設電感很大，電流脈動較小）（設電感很大，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 開關周期開關周期 導通占空比導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） 負載電壓平均值負載電壓平均值：按照電感上伏秒積分平衡或能量平衡 負載電流平均值負載電流平均值：3-7數量關系數量關系 電流不連續電流不連續（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 開關周期開關周期（B） 負載電壓平均值負載電壓平均值：不成立不成立換成電容：換成電容：電流連續情況下：電流連續情況下：3-8斬波電路三種控制方式T 不變，變 ton 脈沖寬度調制脈沖寬度調制 ( PWM )。ton 不變，變 T 脈沖頻率調制 ( PFM )。ton 和 T 都可調，改變占空比 混合型混合型。此種方式應用最多第

7、 2 章 2.1 節和本章前均介紹過：電力電子電路實質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，對降壓斬波電路進行解析。（B） 分分 V 處于處于通態通態和處于和處于斷態斷態 初始條件分初始條件分電流連續電流連續和和斷續斷續3-9工作原理工作原理假設 L 和 C 值很大。( L：儲存電能；C：保持輸出電壓。)V 處于通態通態時，電源 E 向電感L 充電，電流恒定 I1 ，電容 C向負載 R 供電，輸出電壓 Uo 恒定。V 處于斷態斷態時，電源 E 和電感 L 同時向電容 C 充電，并向負載提供能量。注意注意：電路不能空載工作?動態演示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開關型穩壓電路并聯開關型穩壓電路。( Boost Chopper ) 3-10數量關系數量關系 V 通態時間通態時間 ton ，此階段，此階段 L 上積蓄的能量為：上積蓄的能量為： 。 V 斷態時間斷態時間 toff ，此期間電感，此期間電感 L 釋放能量為：釋放能量為： 。 穩態穩態時，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；升壓比的倒數記作 b ，即 。 b 和 的關系： + b b = 1因此，式（3-21）可表示為： 111oUEEbofftTb（5-23）（5-22）（C C）3-11 設：設：1. 相對于開關周期相對于開關周期 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 。 一周期內一周期內 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，進一步解得：代入上式，進一步解得： ，即式，即式 (5 - 23)。例：式（例：式（5 - 235 - 23）的詳細推導）的詳細推導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 ) 電路結構電路結構（B B）圖 3-4 a）注：該電路能否空載工作？ 注意注意：電源和負載壓降定義的方向（ 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 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載 R 供電。V 斷時斷時，L 的能量向負載釋放，電流為 i2 。負載電壓極性為上負下正，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。動態演示

13、b)（B）ototi1i2tontoffILIL注：開關器件承受的電壓是多少？3-16數量關系數量關系穩態時，一個周期 T 內電感 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處于通態通態uL = EV處于斷態斷態uL = - uoonooffE tUt（5-40）（C C）即：3-17圖 5 - 4 b) 中給出了電源電流 i1 和負載電流 i2 的波形，設兩者的平均值分別為 I1 和 I2 ，當電流脈動足夠小時，有：12onofftIIt（3-42）由上式得：2111offontIIIt（3

14、-43） 結論結論當 0 1 / 2 時為降壓降壓，當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。 電路相當于開關 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 處于通態通態的時間 ton ，則電容電流和時間的乘積為 I2 ton 。V 處于斷態斷態的時間 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。 優點優點 ( 與升降壓斬波電路相比 )：輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。小，有利于對輸入、輸出進行濾波。（B） 缺點缺點：電容 C C 的電流波動大，電流沖擊嚴重。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系；關系； 2 . 合理假設合理假設。 設：設：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。 一周期內一周期

17、內 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 進行分析。進行分析。例：式例：式 ( 5 - 47 ) 的詳細推導的詳細推導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). 開關器件的 ton 和 toff 。解：解：1).由 ，得：2).由 E = uL1 + uC + uL2 + ( - UO )，且穩態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，具體數值可通過列方程求解或通過仿真得出。（A）3-22 Sepic 電路的結構和原理電路的結構和原理V 通態通態，E - L1 - V

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

20、Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路3-23 設：設：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 。 穩態穩態時，一周期內時，一周期內 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）的詳細推導的詳細推導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 斬波電路的結構和原理斬波電路的結構和原理V 處于通態通態期間，電源 E 經開關 V 向電感 L1 貯能，同時 E 和 C1 共同向 R 和 C2 供電。V 關斷關斷后，L1 經 VD 將儲存的能量轉移到 C1 ，同時 C2 向 R 供電， L2 的電流經 C2 、R 和 VD 續流。輸入輸出關系輸入輸出關系：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系相同的輸入輸出關系。 在一定的條件下，Sepic 電路的電源電流連續，Zeta 電路的輸入電流是斷續的；兩電路的輸出電流是否連續取決于 T 、ton 、C 、L 諸參數值。 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用領域歸納于下表及應用領域歸納于下表電路電路電壓比公式電壓比公式開關和二極管承受開關和二極管承受的最高電壓的最高電壓應用領域應用領域降壓型降壓型各種降壓型開關穩壓器各種降壓型開關穩壓器升壓型升壓型升壓型開關穩壓器，升壓型升壓型開關穩壓器，升壓型功率因數校正（功率因數校正（ PFC PFC ）電路）電路升降壓型升降壓型反向開關穩壓器反向開關穩壓器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穩壓器反相型開關穩壓器SepicSepic升降

24、壓型功率因數校正升降壓型功率因數校正（ 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穩壓器升降壓型開關穩壓器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，結構簡單。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，結構簡單。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，結構簡單。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，結構相對復雜。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，結構相對復雜。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，結構相對復雜。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復合斬波電路復合斬波電路 降壓斬波電路和升壓斬波電路組合組合構成。 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 相同結構的基本斬波電路組合組合構成。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負，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 電路結構