直流升压降压原理

3.1 基本斩波电路

重点：最基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。

3.1.1 降压斩波电路

➢

斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载

中均会出现反电动势，如图3-1中Em所示

➢

工作原理，两个阶段

 t=0时V导通，E向负载供电，uo=E，io按指数曲线上升

 t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降

 为使io连续且脉动小，通常使L值较大

VEVDLiouoR+EMM-

图

降压斩波电路的原理图及波形

a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形

➢

数量关系

电流连续时，负载电压平均值

tontonUoEEEtontoffT （3-1）

导通占空比，简称占空比或导通比

Uo最大为

，减小，Uo随之减小降压斩波电路。也称为Converter）。

负载电流平均值

IUoEmoR 电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现

变换器（Buck

（3-2）

Buck

➢

斩波电路三种控制方式

（1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton

（2）频率调制或调频型——ton不变，改变T

（3）混合型——ton和T都可调，使占空比改变

其中PWM控制方式应用最多

➢

基于“分段线性”的思想，可对降压斩波电路进行解析

3.1.2 升压斩波电路

1. 升压斩波电路的基本原理

Li1EVioVDCuoR

图3-2 升压斩波电路及其工作波形

a）电路图 b）波形

➢

工作原理

 假设L值、C值很大

 V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton

 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为UoEI1toff

 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等

EI1tonUoEI1toff （3-20）

化简得：

UotontofftoffTEEtoff （3-21）

T/toff1，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器

T/toff——升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作，即

toffT。

和导

通占空比有如下关系：

1 （3-22）

因此，式（3-21）可表示为

1UoEE1 （3-23）

➢

1 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因

 L储能之后具有使电压泵升的作用

 电容C可将输出电压保持住

2. 升压斩波电路的典型应用

 直流电动机传动

 单相功率因数校正（Power Factor Correction—PFC）电路

 用于其他交直流电源中

LVDEMMVuoEa)uoEuoEOiti1I10I20toffTb)i2I10tOioi1OtonTi2t1txt2toffc)tI20Otont

图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形

a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时

➢

用于直流电动机传动时

 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源

 实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态

 电机反电动势相当于图3-2中的电源，此时直流电源相当于图3-2中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。

➢

电路分析

基于“分段线性”的思想进行解析

V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式

di1LRi1Emdt （3-27）

式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

i1I10etEmRt1e （3-28）

当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

di2LRi2EmEdt （3-29）

设i2的初值为I20，解上式得：

i2I20etEEmRt1e （3-30）

当电流连续时，从图3-3b的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：

I10toffEm1eTR1eE1emR1eER （3-33）

I20TontEmeeTR1eEeemR1eER （3-34）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

I10I20EmR （3-35）

该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

EEmEIomRR （3-36）

对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为

1em1e 根据此式可对电路的工作状态作出判断。

3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路

1. 升降压斩波电路

Vi2VDi1ILuELLCuoRa)

3-38）

（

i1ILtontoffoi2ILtob)t

图3-4 升降压斩波电路及其波形

a）电路图 b）波形

设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。

➢

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，该电路也称作反极性斩波电路

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

T0uLdt0 （3-39）

当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是：

EtonUotoff （3-40）

所以输出电压为：

UtontonotETtEEoffon1 改变，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当0<<1/2时为降压

当1/2<<1时为升压。0.179

因此称作升降压斩波电路。或称之为buck-boost 变换器。

2. Cuk斩波电路

图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。

3-41）

（

L1CL2EVVDuoRa)

i1L1BuB+-SCL2AuAi2EuoR

i1L1BuB+-SCL2AuAi2EuoRb)图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路

a） 电路图 b） 等效电路

 V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流

 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流

 输出电压的极性与电源电压极性相反

 等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换

稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即

T0iCdt0 （3-45）

在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时

间的乘积为I1 toff。由此可得

I2tonI1toff （3-46）

从而可得

I2toffTton1I1tonton （3-47）

当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出：

当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA= -uC；

当S合到A点时，uB= uC，uA=0

因此，B点电压uB的平均值为的电压平均值为零，所以

EUBUBUCtoffTUC（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1

UAtonUCT，且

toffT。另一方面，A点的电压平均值为

UoL2的电压平均值为零，按图3-5b中输出电压Uo的极性，有

压Uo与电源电压E的关系：

tonUCT。于是可得出输出电

tontonUoEEEtoffTton1 （3-48）

这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。

➢

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。

3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

图3-6分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。

i1L1C1uC1i2L2VDEVuoC2Ra)Vi1EL1VDC2uoRC1L2b)

图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路

Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及

L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的

能量在V处于通态时向L2转移。

Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：

tontonUoEEEtoffTton1 （3-49）

Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。同时，E和C1共同向负载R供电，并向C2充电。待V关断后，

L1经VD向C1冲电，其贮存的能量转移至C1。同时，C2向负载供电，L2的电流则经VD

续流。

Zeta斩波电路的输入输出关系为：

UoE1 （3-50）

两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。