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第五章 DC-DC变换技术 LOGO 第五章 DC-DC变换技术 第一节 DC-DC变换电路概述 第二节 基本DC-DC变换电路 第三节 复合型直流-直流变换电路 第四节 直流-直流变换电路的设计 本章小结 LOGO 5.1 DC-DC变换电路概述 直流变换电路是将直流电能转换成另一固定或可变电压的直流电能的直流-直流（DC-DC）变换电路，也称为直流斩波电路。 斩波器一词来源于英文的“chopper”，意思是指以高频率控制直流通、断的装置。 用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。 DC-DC变换基本电路有降压式变换电路(Buck电路)、升压式变换电路(Boost电路)、升降压式变换电路(Buck-Boost电路)、库克电路(Cuk电路)、Sepic电路和Zeta电路，其中前两种是最基本的电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。 以图5-1(a)所示最基本的斩波电路为例说明其工作原理。 当S闭合时，直流电压加在R上，持续时间为ton 。当S断开时，负载上的电压为零，并持续toff时间，那么 T=ton+toff为斩波电路的工作周期，斩波电路的输出波形如图5-1(b)所示。若定义斩波电路的导通占空比 ? = ton/T，则由波形图上可得输出电压平均值 图5-1 基本斩波电路及其负载波形 从式(5-1)可知，当导通比 从0变到1时，输出电压平均值从0变到Ui。改变导通比即改变导通与关断时间的比例，一即可调节输出平均直流电压的大小，它通常有如下3种控制方式。 (1) 定频调宽控制法。定频调宽控制法保持开关周期不变，即频率不变，而调节开关导通时间，故又称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)。 (2) 定宽调频控制法。定宽就是开关导通时间不变，但开关频率即工作周期可变。 (3) 调频调宽混合调制法。调频调宽混合调制法既改变工作周期，同时也改变开关导通时间。 5.2 基本DC-DC变换电路 5.2.1 降压斩波电路 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 动画演示。 c) 电流断续时的波形 E V + - M R L VD i o E M u o i G t t t O O O b)电流连续时的波形 T E i G t on t off i o i 1 i 2 I 10 I 20 t 1 u o O O O t t t T E E i G i G t on t off i o t x i 1 i 2 I 20 t 1 t 2 u o E M a) 电路图 图5-2 降压斩波电路的原理图及波形 数量关系 电流连续 负载电压平均值： （5-2） （5-3） ton——V通的时间 toff——V断的时间 ?--导通占空比 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值： 基于电路电子电路的分段线性化方法可得负载电流瞬时值的最小值和最大值分别为 式中?=L/R （5-10） （5-11） 把式(5-10)和式(5-11)用泰勒级数近似，可得 式（5-12）表示了平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值 ，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 （5-12） 同样可以从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为 输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。 负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0 式（5-7） 式（5-5） （5-17） 电流断续的条件： （5-18） （5-20） 负载电流平均值为： 输出电压平均值为： （5-19） 5.2.2 升压斩波电路 升压斩波电路（Boost Chopper） 保持输出电压 储存电能 电路结构 1) 升压斩波电路的基本原理 工作原理 假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 动态演示。 0 iGE 数量关系 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为