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第5章 直流-直流变换电路 机械工业出版社 本章要点 直流斩波电路的基本结构和分类； 单象限直流斩波器（降压式、升压式、升-降压式、Cuk电路）的基本电路结构、工作原理和波形； 全桥式斩波电路的基本结构和工作原理 变压器隔离的斩波电路的基本结构和工作原理 软开关的基本概念。 将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC/DC变换电路，俗称斩波器(Chopper)。直流变换技术被广泛应用于可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流电机的调速控制。 在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。强迫换流电路需要较大的换流电容等，造成了线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以全控型电力电子器件具有自关断能力的器件作为开关器件。 5.1、直流斩波器的工作原理和分类5.1.1 直流斩波器的基本结构和工作原理 下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。 5.1.2 直流斩波器的分类 直流斩波器按照调制形式可分为 1）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制(PFM)；3）混合调制。 按变换电路的功能分类有 1）降压式直流-直流变换(Buck Converter)；2）升压式直流-直流变换(Boost Converter)；3）升压-降压复合型直流-直流变换(Boost-Buck Converter)；4）库克直流-直流变换（Cuk Converter）。 按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为 1）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。 5.2、直流斩波器5.2.1、降压式直流斩波电路 1、电路的结构 电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电容，R为负载；E为输入直流电压，U0为输出直流电压。 2、工作原理 1）在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，则电源E通过L向负载供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，这导致在电感端有一个正向电压uL=E-uo。这个电压引起电感电流iL线性增加；如上图(a)所示。 2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流iL经二极管VD续流，uL= -uo，电感L向负载供电，电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图(b)所示。 3、基本数量关系 在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的，电感电压在一个周期内的积分为0，即 设输出电压的平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为： （E-U0）ton=U0（T-ton） 即 式中D为导通占空比；ton为VT的导通时间；T为开关周期。 通常ton≤T，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入 电压E不变时，输出电压Uo随占空比D的线性变化而线性改变，而与电路其他参数无关。 5.2.2 升压式直流斩波电路1、电路的结构 斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接 2、工作原理 1）当VT导通时，电源E向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在R与L之间的二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值I1。另外，VD截止时C向负载R放电，由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设VT的导通时间为ton，则此阶段电感L上的储能可以表示为 ； 2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感L释放的能量可以表示为 。 3、基本数量关系 当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即 = 由上式可求出负载电压U0的表达式，即 U0 =