电力电子技术（第3版）最新章节_李洁著

3.2
基本斩波电路

基本斩波电路包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克斩波电路等。本节重点介绍降压斩波电路和升压斩波电路。

3.2.1 降压斩波电路

降压斩波电路（Buck Chopper）是一种输出电压平均值低于输入电压平均值的直流-直流变换电路，又称为Buck型变换器。

降压斩波电路的基本原理图如图3.2所示。此电路使用的是全控型器件，图中使用的是IGBT，也可使用其他全控型器件。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。因为电动机或者蓄电池都会出现反电势的情况，所以图3.2中的负载采用带反电势的负载，用 E _m 表示。若负载中无反电势只需令 E _m ＝0即可。

图3.2 降压斩波电路原理图及波形图

①时间 t 在0～ t ₁ 期间，栅射电压 u _GE 为高电平，如图3.2（d）所示。驱动器件V导通，二极管VD承受反向电压截止。电路等效图如图3.2（b）所示，电源E向负载供电，负载电压 u _o ＝ E ，由于电感有阻碍电流变换作用，使得流过电感的电流不能突变，负载电流 i _o 按指数曲线上升，负载电压电流波形如图3.2（d）所示。

②时间 t 在 t ₁ ～ t ₂ 期间，器件V关断，电路等效图如图3.2（c）所示。由于电感中电流不能突变，负载电流经二极管VD续流，故二极管VD又称续流二极管。此时负载电压 u _o 为VD导通时两端管压降，近似为零，负载电流成指数曲线下降。为了使负载电流连续，通常使串联的电感 L 值较大。

③当 t ＝ t ₂ 时，一个周期 T 结束，再驱动器件V导通，重复上一周期的工作。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期中的初始值和终值相等。负载电压的平均值为

式中， T 为开关器件的工作周期； t _on 为开关器件的导通时间； t _off 为开关器件的关断时间； α 为占空比。

由式（3.3）可知，输出到负载的电压平均值 U _o 大小随占空比 α 的变化而变化，当 α 为零时，输出电压最小为零；当 α 为1时，输出最大为电源电压 E 。该电路称为降压斩波电路，又称Buck变换器（Buck Converter）。

负载电流的平均值为

若负载中电感 L 值较小，电路波形如图3.2（e）所示。在V关断后，到了 t ₂ 时，电感中能量释放完，电流降低到零，电流出现断续的情况，续流二极管VD即关断，负载两端电压等于反电势 E _m 。由图3.2（d）、图3.2（e）可知，电流断续时，由于反电势 E _m 的存在，负载电压平均值会被抬高。由于电流断续时间的长短不仅跟器件通断时间有关，更与电感值的大小有关，不容易控制，因此，一般不希望出现电流断续的情况。

在此对降压斩波电路的电流连续情况进行分析。

在器件V处于通态时，设负载电流为 i ₁ ，则根据基尔霍夫电压定律有

设电流的初始值为 I ₁ ，负载常数 τ ＝，则

在器件V处于断态时，设负载电流为 i ₂ ，则

设此阶段电流的初始值为 I ₂ ，则

当电流连续时，V在断态时的初始值就是通态时的终值；反之，V在通态时的初始值就是断态时的终值，则有

由式（3.5）—式（3.8）得出负载电流瞬时值的最小值 I ₁ 和 I ₂ 的表达式为

将上两式用泰勒级数近似，则有

上式说明电感 L 无穷大时，负载电流的最大值、最小值相等，都等于负载电流的平均值，即当电感值极大时，负载电流几乎为幅值为 I _o 的一条水平线。

假设负载中电感值较小，则有可能出现电流断续的情况。因为电流断续时有 I ₁ ＝0，且当 t ＝ t _on ＋ t _s 时， i ₂ ＝0，利用式（3.5）和式（3.6）可求出 t _s 为

当电流断续时， t _s ＜ t _off ，故可得电流断续的条件为

根据此式可对电路的工作状态作出判断，也可通过能量传递关系对降压斩波电路进行解析。当电感 L 为无穷大，负载电流几乎为一条水平线，即维持 I _o 不变。电源只在器件V处于通态时提供能量，即为 EI _o t _on 。从负载上看，在整个周期 T 上负载一直在消耗能量，消耗的能量为（ RI T ＋ E _m I _o T ）。在一个周期中，忽略电路中和器件的损耗，则电源提供的能量与消耗的能量相等，即

可推出，负载电流的平均值为

与式（3.4）结论一致。

在这种情况下，假设电源电流平均值为 I _d ，则有

将式（3.12）左右两端同乘以电源电压 E ，则

即输出功率等于输入功率，可将降压斩波电路看作直流降压变压器。

例 3.1 在图 3.2（a）所示的降压斩波电路中，已知电源电压 E ＝100 V， R ＝10 Ω，电感 L 值极大，反电势 E _m ＝20 V， T ＝50 μs， t _on ＝30 μs，计算占空比，输出电压平均值 U _o ，输出电流平均值 I _o 。

解：占空比

由于 L 值极大，负载电流连续，故输出电压平均值为

输出电流平均值为

3.2.2 升压斩波电路

升压斩波电路（Boost Chopper）是一种输出电压平均值高于输入电压平均值的直流-直流变换电路，又称为Boost型变换器。

升压斩波电路的原理图及工作波形如图3.3所示，电路中器件V也是使用的全控型器件IGBT，VD为二极管，电感 L 在输入端，是升压电感。

在理想条件下，假设电路中电感 L 值很大，电容 C 值也很大。

图3.3 升压斩波电路原理图及工作波形

当开关V在驱动信号下导通时，其等效原理图如图3.3（b）所示，一方面，电源 E 向电感 L 充电储存能量，充电电流为 i ₁ ，基本恒定为 I ₁ ；另一方面，电容 C 上的电压向负载 R 供电，因为电容 C 值很大，基本保持输出电压 u _o 为恒值。在V处于通态的 t _on 时间内，电感上储存的能量为 EI ₁ t _on 。

当开关V处于断态时，其等效原理图如图3.3（c）所示，二极管VD导通，由于电感中电流不能突变，产生的感应电动势阻止电流减小，此时电感 L 和电源 E 共同经VD给电容 C 充电，同时也向负载 R 提供能量。在V处于断态的时间内，电感 L 释放的能量为（ U _o - E ） I ₁ t _off 。当电路处于稳定工作状态时，一个周期 T 中电感 L 储存的能量与释放的能量相等，即

化简得

式中， ≥1，即输出电压高于电源电压。此电路称为升压斩波电路，又称为Boost变换器（Boost Converter）。

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，主要有两个原因：

①电感 L 储能，使提供给负载的电压得以升高。

②电容 C 可将输出电压保持住，在器件V通态时，提供能量给负载。

在分析电路时，认为电容 C 值很大，实际中电容 C 值不可能无穷大，其向负载放电，输出电压 U _o 将会降低，即实际输出电压是略低于式（3.14）理论结果的，但当电容值足够大时，误差很小，几乎可以忽略。

例 3.2 在图3.3（a）所示的升压斩波电路中，已知电源电压 E ＝100 V， R ＝10 Ω，电感 L 值和电容 C 值极大， T ＝50 μs， t _on ＝30 μs，计算占空比，输出电压平均值 U _o ，输出电流平均值 I _o 。

解：占空比

输出电压平均值为

输出电流平均值为

3.2.3 升降压斩波电路

升降压斩波电路（Buck-Boost Chopper）是一种输出电压平均值可大于也可小于输入电压平均值的直流-直流变换电路，其输出电压与输入电压极性相反，又称为Buck-Boost型变换器。

升降压斩波电路的原理图如图3.4所示，它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。设电路中电感 L 值和电容 C 值很大，则流过电感的电流 i _L 基本上为恒值 I _L ，电容电压基本为恒值。

图3.4 升降压斩波电路原理图及工作波形

在升降压斩波电路中，随着开关V的通断，能量首先储存在电感 L 中，再由电感向负载释放能量。

当开关V处于通态时，即在 t _on 期间，直流电源 E 经器件V向电感 L 提供能量，此时电流为 i ₁ 。同时，滤波电容 C 中的储能向负载 R 提供，其等效电路图如图3.4（b）所示。

当开关V处于断态时，即在 t _off 期间，电感中储存的能量向电容 C 充电，并给负载 R 提供能量，其等效电路图如图3.4（c）所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源极性相反，该电路也称为反极性斩波电路。

在此从能量的角度分析输出电压的大小。当电路处于稳定工作状态时，一个周期 T 内电感L储存的能量和释放的能量相等。当V处于通态时， u _L ＝ E ，电感中储存的能量为 EI _L t _on ；而当V处于断态期间， u _L ＝- u _o ，电感释放的能量为 U _o I _L t _off ，则有

故输出电压为

改变占空比 α 即可改变输出电压的大小，从式（3.15）可知，输出电压既可以比电源电压高，又可以比电源电压低。当0＜ α ＜时，该电路相当于降压斩波电路，当＜ α ＜1时，该电路相当于升压斩波电路。

升降压斩波电路的缺点是输入电流总是不连续的，流过二极管的电流也是不连续的，这对供电电源和负载都不利。为了减少对电源和负载的影响，即减少电磁干扰，要求在输入输出端增加低通滤波器。

3.2.4 库克斩波电路

前面几种斩波电路都具有直流电压变换功能，但在电流不连续情况下，电路输入输出端的电流是脉动的，会使电路的变换效率变低。为了克服上述缺点，美国加州理工学院的Cuk提出了库克斩波器，又称Cuk变换器。

库克斩波电路属于升降压斩波电路，如图3.5（a）所示，图中电感 L ₁ 和 L ₂ 为储能电感，VD是快恢复续流二极管， C 是传递能量的电容。这种电路的特点是，输出电压与输入电压极性相反，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。

当V处于通态时，等效电路图如图3.5（b）所示，电容 C 上的电压使二极管VD反向截止，电流路径为 E → L ₁ →V回路和 R → L ₂ → C →V回路。当V处于断态时，等效电路图如图3.5（c）所示，电流路径为 E → L ₁ → C →VD回路和 R → L ₂ →VD回路，输出电压与电源电压极性相反。