電力電子技術(shù)第六章開關(guān)模式的DC-DC斬波器

6.1概述

6.2直流斬波器的控制

6.3降壓斬波器（BUCK斬波器）

6.4升壓斬波器（BOOST斬波器）

6.5升/降壓斬波器（Buck-Boost斬波器）

第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.6

Cúk

直流斬波器

6.7全橋直流斬波器

首頁6.8

直流斬波器的比較

小結(jié)

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6.1概述

直流輸出直流輸出（可控）直流輸出uctr二極管整流器電容濾波器直流斬波器電池負載單相或三相交流電開關(guān)模式的直流斬波器廣泛用于直流電機的驅(qū)動和直流供電系統(tǒng)之中。斬波器的輸入電壓通常是未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電壓。第六章開關(guān)模式的直流斬波器

降壓斬波器―Buck斬波電路升壓斬波器―Boost斬波電路降壓/升壓斬波器―Buck-Boost斬波電路Cúk斬波器全橋斬波器下頁上頁返回下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.2直流斬波器的控制UdR+-+-U0開關(guān)模式的DC-DC斬波器是利用一個或多個開關(guān)將某個直流電壓等級轉(zhuǎn)換成另一個電壓等級。直流輸入電壓是給定的，通過開關(guān)器件的導通和關(guān)斷持續(xù)時間（ton和toff）的控制實現(xiàn)輸出電壓平均值。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

u00ttonU0UdtoffTs

輸出電壓u0的平均值U0取決于ton和toff。控制輸出電壓的方法之一是保持開關(guān)頻率為一個恒定值，脈寬調(diào)制技術(shù)開關(guān)周期保持不變，然后再調(diào)節(jié)開關(guān)導通的持續(xù)時間，以此控制輸出電壓的平均值。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

占空比開關(guān)在一個開關(guān)周期中的導通時間與整個開關(guān)周期之比。放大器比較器U0整定值U0實際值重復波形輸入開關(guān)控制信號uctr在恒頻開關(guān)模式下，開關(guān)控制信號將電壓控制信號uctr與一個重復波形進行比較，然后將比較后的信號經(jīng)放大后作為開關(guān)控制信號，控制開關(guān)的通斷。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ust.m開關(guān)控制信號通tonTs斷通斷ustUctr>ustuctrUctr<usttoff根據(jù)圖中uctr和鋸齒波的峰值Ust.m可知，開關(guān)占空比為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.3降壓斬波器（BUCK斬波器）

降壓斬波電路的平均輸出電壓比它的輸入電壓Ud低，它主要用于調(diào)節(jié)直流電源的輸出，或調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速。UdR+-+-U0u00ttonU0UdtoffTs下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)開關(guān)的占空比計算降壓斬波器基本電路的平均輸出電壓：將式帶入到上式得：k=Ud/Ust.m

只要改變占空比ton/Ts，就能夠改變輸出電壓U0。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

降壓斬波器存在兩點問題實際負載可能是感性的。即使在純電阻負載情況下，連接線路中總會有雜散電感存在，這表明電路中的開關(guān)應能吸收或耗散掉感性能量，這樣有可能會損壞開關(guān)。輸出電壓在0～Ud之間波動。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

通過圖中的二極管解決儲存的感性能量，通過一個電感和電容構(gòu)成的低通濾波器來解決大部分輸出電壓的波動問題。LUd+-+-u0iidiL+-uLu0=U0+-Ri0C低通濾波器下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

沒有低通濾波器時斬波器的輸出電壓波形除了有一個直流電壓U0外，還含有隨開關(guān)頻率fs波動的諧波，以及它的倍數(shù)次諧波，低通濾波器帶有衰減特性。u0itonU0UdtofftUfsua的頻譜fU0U2fsU3fsfs2fs3fs下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

低通濾波器帶有衰減特性，是由于圖中的負載電阻R所造成的。在選擇低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc時，總是使它比開關(guān)頻率低得多，這樣就可將輸出電壓中含有開關(guān)頻率分量的紋波基本上消除。0-40dB-80dBfc(log坐標)10fc100fcf下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

u0itonU0UdtofftUfsua的頻譜fU0U2fsU3fsfs2fs3fs在開關(guān)閉合期間，圖中的二極管變?yōu)榉聪蚱茫藭r，輸入電源將能量送到負載和電感中。在開關(guān)斷開時，電感中的電流則經(jīng)過二極管將它所儲存的能量轉(zhuǎn)移到負載中。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

u0itonU0UdtofftUfsua的頻譜fU0U2fsU3fsfs2fs3fs在降壓斬波電路中，電感中的平均電流等于平均輸出電流I0，因在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，流過電容的平均電流為零。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.3.1

連續(xù)導通模式ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0連續(xù)導通模式電感中的電流連續(xù)，即iL(t)>0。當開關(guān)閉合時，并假定閉合的持續(xù)時間為ton，則電感電流通過開關(guān)，并對二極管形成反偏。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

R+Ud-+-U0+uL

-LiL

C電感上的電壓uL=Ud-U0為正，這個電壓使電感電流iL線性增加。+Ud-+uL

-LiL

CR+-U0當開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，電感電流iL繼續(xù)保持流動，這個電流此時是經(jīng)過二極管形成通路，如圖所示，此時的電感電壓uL=﹣U0。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

穩(wěn)態(tài)運行波形每個周期的波形重復，電感電壓uL(t)在一個周期內(nèi)的積分為零。考慮到Ts=ton+toff，該積分可表示為：ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

或ABt0Ud-U00tiLuLTsiL=I0tontoff-U0

在電流連續(xù)模式下，只要輸入電壓Ud保持不變，輸出電壓U0與占空比D的關(guān)系即為線性關(guān)系，且與其它電路參數(shù)沒有關(guān)系。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

u0itonU0UdtofftUfsua的頻譜fU0U2fsU3fsfs2fs3fs上式可由uoi的平均值推得。假設電感電壓的平均值為零，在穩(wěn)定運行條件下的電感電壓平均值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

經(jīng)移項后可得，U0/Ud=ton/Ts=D若所有的電路器件都不存在損耗，則Pd=P0因此UdId=U0I0，整理后得：

電流連續(xù)模式下的降壓斬波器相當于一個直流變壓器，匝數(shù)比可通過開關(guān)占空比的控制調(diào)節(jié)。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.3.2開關(guān)的連續(xù)與斷續(xù)導通邊界Ud–U0uLtiL.miL.iLB

–i0Btoffton當電感電流iL(t)下降到零時，正好對應關(guān)斷周期的結(jié)束。則有：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

斷續(xù)當Ts、Ud、U0、L和D的值給定時，如果輸出電流，或平均電感電流小于下式的ILB時，則iL(t)將變得不連續(xù)。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ud保持不變時的斷續(xù)導通模式6.3.3電流斷續(xù)導通模式因U0

=DUd，在式表示的臨界連續(xù)導通模式下，平均電感電流為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

D00.51.0iLB=ioBUd為常數(shù)由上式看出，在連續(xù)導通模式下，當D=0.5處時，輸出電流達到它的最大值：由上兩式導出：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ud–U0uLtiL.miL.iLB

–i0Btoffton假定斬波器在給定的Ts、Ud、L和D一組參數(shù)下處于圖中所示連續(xù)導通模式的臨界狀態(tài)，且所有這些參數(shù)均保持不變，則當輸出負載減小時平均電感電流將下降。此時U0將增加，同時出現(xiàn)電感電流的斷續(xù)。uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

在D2Ts的時間段內(nèi)，電感電流、電感電壓均為零，負載電阻所需的功率由濾波電容提供。此時有：經(jīng)整理后得：D+D1<1.0

uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

uLDTsU0tiLiLmiLB=ioBD1TsD2TsTs由圖可知：所以由上兩式可得到：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

考慮到式的關(guān)系有：將式帶入上式后得：最后可得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)式和導出：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

1.00.750.500.25000.51.01.52.0D=1.00.30.1斷續(xù)運行區(qū)Ud為常數(shù)Ud保持恒定時，降壓斬波器在兩種模式下的運行特性。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ud保持為常數(shù)時的斷續(xù)導通模式因Ud=U0/D，在連續(xù)導通模式的邊界處，平均電感電流可由式推得：保持U0為常數(shù)，在D=0時ILB為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

由式和推得：當斬波器的輸出電壓U0保持不變時，由上式和及得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

為常數(shù)D1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25U0為常數(shù)、Ud/U0取不同值時，占空比D隨I0/ILB.max變化的曲線。

連續(xù)運行模式和斷續(xù)運行模式的邊界則由式ILB=(1-D)ILB.max確定。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.3.4輸出電壓的紋波tttuL-U0000Ud–u0DQDI1/2IL=I0Ts/2DU0U0iLu0設iL中的所有紋波分量都流經(jīng)電容，平均電流分量流經(jīng)負載電阻。紋波電壓的峰-峰值DU0為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

+Ud-+uL

-LiL

CR+-U0借助圖中在關(guān)斷時間段toff內(nèi)的關(guān)系表示DIL的值：由上式和得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

進一步推得：式中,fs=1/Ts

通過合適地選擇輸出端低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc就可減小輸出電壓紋波，此處只要滿足fc<<fs即可。只要斬波器是在連續(xù)導通模式下運行，則輸出紋波的大小就與輸出負載的容量無關(guān)。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4升壓斬波器（BOOST斬波器）

+Ud-+uL

-RLiLCi0升壓斬波器對直流電源進行調(diào)節(jié)，以及直流電動機的再生制動。升壓斬波器的輸出電壓高于它的輸入電壓。當開關(guān)器件處于導通狀態(tài)時，電源將能量傳送到電感中；當開關(guān)器件處于斷開狀態(tài)時，電源和電感同時都向輸出部分提供能量。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4.1升壓斬波器的連續(xù)導通模式tttuLUd00Ud–u0ILTsiLtontoff升壓斬波器連續(xù)導通模式下iL(t)>0。電感電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)對時間的積分應為零:下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

假設電路不存在損耗，即Pd=P0，或UdId=U0

I0，由此可得：對式等號兩端同除以Ts，并經(jīng)重新整理后得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4.2連續(xù)和斷續(xù)導通模式的邊界0toniLttoffuLTsIL=ILBiL.m臨界狀態(tài)下的關(guān)斷時間終點時刻，電流iL降為零。臨界狀態(tài)的電感電流平均值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

因：所以可表示為：升壓斬波器的電路中id=iL，根據(jù)上兩式，臨界導通模式下的平均輸出電流為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

U0為常數(shù)D0IoB1/31.00.750.500.25ILB當D=0.5時，ILB達到最大值ILB.max：應用中，升壓斬波器的輸出電壓U0保持不變，占空比D不斷變化，輸入電壓不斷改變。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

當D=1/3=0.333時,IoB的最大值為：U0為常數(shù)D0IoB1/31.00.750.500.25ILBIoB的最大值為：ILB的最大值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4.3升壓斬波器的斷續(xù)導通模式0toniLttoffuLTsUd-U0UdUd和D保持不變時連續(xù)導通邊界處的波形0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTsUd和D保持不變時斷續(xù)導通邊界處的波形下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTs令電感電壓在一個開關(guān)周期的積分值為零：移項整理后可得：因Pd

=P0，所以：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

0iLtuLDTsUd-U0UdD1TsD2TsTs斬波器的平均輸入電流等于電感電流，其表達式為：將上式代入到式中得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

U0為常數(shù)D01/31.00.750.500.251.2500.750.500.251.0電流斷續(xù)工作區(qū)在電流斷續(xù)模式下，如果在每個開關(guān)周期都不對U0進行控制，那么電感中的能量為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

例

在某一升壓斬波器中，欲采用占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓U0，并使之維持在48V。設斬波器輸入電壓的波動較大，波動范圍為12～36V，負載所需的最大輸出功率為120W。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求斬波器總是以電流斷續(xù)的方式運行。已知開關(guān)頻率為50kHz，同時假設所有電路器件均為理想器件，電容C可認為足夠大。試根據(jù)以上條件計算電感L的值最大能達到多少？下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

解

由給定條件知：U0=48V，Ts=20ms，I0.max=120W/48V=2.5A。根據(jù)題意，所求的最大電感值就是要保證電流為斷續(xù)工作模式，為此，可先假設電感電流處于連續(xù)導通的臨界狀態(tài)。U0為常數(shù)D0IoB1/31.00.750.500.25ILB由于斬波器輸入電壓Ud的波動范圍為12～36V，在臨界連續(xù)導通模式下，要求占空比D在0.75～0.25之間變化。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

U0為常數(shù)D0IoB1/31.00.750.500.25ILB在0.75～0.25之間變化范圍內(nèi)，將IoB的最小值D=0.75代入下式：令所得值為輸出電流的最大臨界值IoB.max=2.5A，因此，所求電感值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4.4器件的寄生效應1.00D寄生效應特征

升壓斬波器中，器件的寄生效應與電路中電感、電容、開關(guān)以及二極管的損耗有關(guān)。變化時，因當占空比的值較高時，開關(guān)利用率偏低，使得實際的U0/Ud逐漸下降。當占空比逐漸向“1”下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.4.5輸出電壓的紋波tt(1-D)Tstoff00iDtonU0DU0DTsDQDQID=I0設二極管電流iD的所有紋波分量都從電容流過，平均電流從負載電阻通過，假設輸出電流保持恒定，則電壓紋波的峰-峰值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

令時間常數(shù)t=RC，并將電壓波動用輸出電壓為基數(shù)的標幺值來表示，則可寫為：tt(1-D)Tstoff00iDtonU0DU0DTsDQDQID=I0下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5升/降壓斬波器

（Buck-Boost斬波器）

Buck-Boost斬波器主要用于直流電源的調(diào)節(jié)，這種斬波器具有負極性輸出端，其輸出電壓的幅值可以比輸入電壓高，也可以比輸入電壓低。Buck-Boost斬波器可以由兩個基本的降壓和升壓斬波電路級聯(lián)而成，若兩個斬波器的占空比相同，則總的輸出電壓與輸入電壓之比即為這兩個基本斬波器輸出與輸入電壓之比的乘積。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-由式和可知，級聯(lián)后的輸出電壓與輸入電壓之比為：

隨著占空比D的變化，輸出電壓可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-當開關(guān)閉合時，電感從電源得到能量，此時二極管由于反偏而處于截止狀態(tài)；在電感中的能量轉(zhuǎn)移到輸出負載之中，而電源此時并不提供任何能量給負載。穩(wěn)態(tài)分析時，一般均假設輸出電容足夠大，能使輸出電壓u0(t)維持在它的穩(wěn)定值U0附近，即可近似認為u0(t)U0。當開關(guān)斷開時，儲存下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5.1連續(xù)導通模式UdDTs=ton00iLuL(1-D)Ts=toff-U0IL=Id+I0tt+Ud-+uL

-RLiLC-U0++Ud-+uL

-RLiLC-U0+電感電流在連續(xù)導通模式下的關(guān)波形下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

穩(wěn)態(tài)運行條件下，電感電壓在一個開關(guān)周期的積分為零，因此有：經(jīng)移項整理后得：假定輸入功率Pd等于輸出功率P0，還可推導出：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5.2Buck-Boost斬波器的連續(xù)和斷續(xù)導通邊界IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m開關(guān)關(guān)斷時間結(jié)束時，電感電流iL(t)為零。平均電流為：穩(wěn)態(tài)運行時，電容電流的平均值為零:-U0++Ud-LidiLCRi0+uL-下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

平均電感電流為：平均輸出電流為：D=0時ILB的極大值為：D=0時IoB的極大值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

可得：根據(jù)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

U0為常數(shù)1.00.750.500.25000.51.00.750.25DILB/ILB.maxIoB

/Iob.max輸出電壓U0保持恒定不變時，ILB和IoB隨D變化的曲線。IB=ILBuLiLtDTs(1-D)Ts-U00iL.m下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5.3斷續(xù)導通模式uLiLUd0tDTsD2Ts-UdD1Ts令電感電壓在一個開關(guān)周期的積分值為零：經(jīng)整理后得：根據(jù)輸入功率等于輸入功率的概念：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

uLiLUd0tDTsD2Ts-UdD1Ts根據(jù)右圖可推出：因U0為常數(shù)，根據(jù)前面各關(guān)系式，可得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

1.00.750.500.25000.51.00.750.251.25U0為常數(shù)電流斷續(xù)工作區(qū)在不同U0/Ud下占空比D隨電流比I0/IoB.max變化的曲線。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

例

已知某一Buck-Boost斬波器的開關(guān)頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容足夠大，輸入電壓Ud=15V?，F(xiàn)欲將輸出電壓維持在10V，并給負載提供10W的功率。試計算此時的占空比D=?

根據(jù)已知條件可知，輸出電流I0=10/10=1A。由于導通模式還無法確定，可以先假定電流處于臨界連續(xù)導通狀態(tài)，因此，應用式可得：解解得:D=0.4

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將D=0.4代入式可得:將D=0.4和IoB.max=5A代入式IoB=IoB.max(1-D)2

得：因?qū)嶋H輸出電流I0=1A，它小于IoB=1.8A，實際運行電流為斷續(xù)，以上臨界初始估算值不符合實際情況。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

在電流斷續(xù)模式下，應用式得實際所求的占空比為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5.4斷續(xù)導通模式0D寄生效應特征器件的寄生特性對斬波器的電壓轉(zhuǎn)換比和反饋調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性有很大影響。生器件模型加到仿真程序中，以對斬波器有一個較為真實的穩(wěn)態(tài)特性分析。在對斬波器進行設計時，可將這樣的寄下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.5.5輸出電壓的紋波u0tt(1-D)Ts00iDU0DU0DTsDQDQID=I0假設輸出電流保持恒定，則紋波電壓的峰-峰值為：經(jīng)移項和整理后得：式中t=RC為時間常數(shù)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

+Ud--uL2+RL2iL2C2-U0+TiL1C1D+uL1-L1穩(wěn)定運行條件下，由于電感電壓UL1和UL2在一個開關(guān)周期的積分值為零，因此有：UC1=Ud

+U0

6.6Cúk

直流斬波器下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

斷斷通通Ud0tttt000iL2uL2iL1uL1(1-D)Ts-toffDTs=tonIL1IL2Ud-UC1=-U0UC1-U0-U0UC1的幅值比Ud和U0都要高。設C1足夠大，以至在穩(wěn)態(tài)運行下可忽略電容電壓的波動，即認為電容電壓的瞬時值uC1(t)近似等于它的平均值UC1。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ud+uCL

-RDiL1C-U0+L2L1iL2+uL1--uL2+當開關(guān)處于斷開位置時，電感電流iL1和iL2均經(jīng)過二極管形成各自的閉合回路，此時電源和電感L1經(jīng)由二極管形成的閉合回路向電容C1充電。因UC1高于輸入電壓Ud，所以電流iL1會逐漸減小。與此同時，儲存在電感L2中的能量則會轉(zhuǎn)移到負載上，電感電流iL2也將逐漸衰減。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

Ud-uCL

+RDiL1C-U0+L2L1iL2+uL1--uL2+當開關(guān)處于閉合位置時，UC1使二極管反偏而使其關(guān)斷，此時的電感電流iL1和iL2都會流經(jīng)開關(guān)而形成各自的閉合回路。因UC1>U0，C1可通過開關(guān)放電，將自身所儲存的能量輸出給負載和L2中。這樣，iL2得到增加，此時電源也給電感L1補償能量，使iL1增加。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

假設電容電壓UC1穩(wěn)定，根據(jù)電感L1、L2在一個開關(guān)周期上的平均電壓為零的概念，于是得到：經(jīng)整理后有:經(jīng)整理后有:解釋Cúk斬波器原理的第一種方式下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

和兩式相等因此，設Pd=P0，用Id表示

IL1、I0表示IL2，因此有：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

假設電感電流iL1和iL2均為平穩(wěn)電流。當開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，傳遞到C1中的電荷等于IL1(1-D)Ts；當開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，電容的放電量則為IL2DTs。穩(wěn)定運行條件下，一個開關(guān)周期中流動的平均凈電荷為零，因此有：解釋Cúk斬波器原理的第二種方式下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

由于輸入功率等于輸出功率，還可得:采用Cúk電路的優(yōu)點是輸入電流和輸出級的電流中基本上不含有紋波，在Cúk電路中就有可能完全消除iL1和iL2的紋波，從而能有效地降低外部濾波電路的要求。Cúk電路的缺點是電容C1要足夠大，使之能完全吸收紋波電流的能量。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

例

設某一Cúk電路的開關(guān)頻率為50kHz，L1=L2=1mH，C1=5mF。已知輸出電容已足夠大，使輸出電壓能維持恒定?，F(xiàn)利用Cúk電路將輸入電壓為Ud=10V調(diào)節(jié)到輸出電壓為U0=5V，負載功率為5W，同時假設電路中的所有器件均為理想器件?，F(xiàn)分別假設C1兩端電壓為恒定值，或假設電感電流iL1和iL2為恒定值時，試分別計算兩種方法所得到的結(jié)果各為多少？并計算它們的偏差。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

解

設電容電壓為恒定值，由式UC1=Ud+U0有：

uC1(t)=UC1=10+5=15V假設電流連續(xù)，根據(jù)式可得：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)式可得到在開關(guān)的斷開時間段內(nèi)電流的波動幅值分別為：由于UC1–Ud=U0，在L1=L2的條件下，會出現(xiàn)DiL1=DiL2的情況。

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因DiL1<Id(=IL1)，DiL2<I0(=IL2)，所以，斬波器工作在連續(xù)導通狀態(tài)。IL1和IL2為恒定值的假設條件下所產(chǎn)生的偏差分別為：因負載功率為5W，根據(jù)式求得：I0=1A，Id=0.5A下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

設iL1和iL2為恒定值。根據(jù)上圖可知，在開關(guān)斷開期間有：斷斷通通Ud0tttt000iL2uL2iL1uL1(1-D)Ts-toffDTs=tonIL1IL2Ud-UC1=-U0UC1-U0-U0下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)iL1=IL1=0.5A的假設，可推得：根據(jù)題意，折算到百分數(shù)后的值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.7全橋直流斬波器全橋斬波器開關(guān)模式直流電機驅(qū)動在單相不間斷電源UPS中的直流到正弦交流的轉(zhuǎn)換在變壓器隔離的開關(guān)模式直流電源中，由直流到中高頻交流電的轉(zhuǎn)換下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

全橋直流斬波器+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

通態(tài)當給全橋斬波電路中開關(guān)一個觸發(fā)信號時，這個開關(guān)的導通或不導通，取決于輸出電流i0的方向。導通狀態(tài)當給全橋斬波電路中開關(guān)一個觸發(fā)信號時，這個開關(guān)經(jīng)觸發(fā)后有電流流過。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

封鎖時間全橋斬波器同一橋臂的兩個開關(guān)短時地同時處于斷態(tài)的時間段。

封鎖時間就可避免出現(xiàn)橋臂直通的短路現(xiàn)象。如果斬波器中任一橋臂的兩個開關(guān)不是同時處于斷態(tài)，則全橋直流斬波器的輸出電流i0就應連續(xù)，因此，輸出電壓完全由開關(guān)狀態(tài)所決定的。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

當TA+為通態(tài)、TA-為斷態(tài)時：uAN=Ud

+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

當TA-為通態(tài)、TA+為斷態(tài)時：uAN=0

+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

橋臂A的輸出電壓與輸入電壓Ud和TA+的占空比有關(guān)，平均值表達式可寫為：DTA+：TA+的占空比ton：TA+的導通時間toff

：TA+的斷開時間下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

橋臂B的輸出電壓與Ud和TB+的占空比有關(guān)，與該橋臂的輸出電流無關(guān)：DTB+：TB+的占空比

斬波器的輸出電壓幅值U0(=UAN–UBN)可通過控制開關(guān)占空比來實現(xiàn)，且它與輸出電流i0的幅值和方向無關(guān)。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

雙極性PWM開關(guān)模式將（TA+、TB-）和（TA-、TB+）看成是兩個開關(guān)對，而每對開關(guān)的導通和關(guān)斷是同時發(fā)生的。單極性PWM開關(guān)模式將單極性的PWM看成是雙PWM開關(guān)信號，此時，逆變器每個橋臂上兩個開關(guān)的控制與其它橋臂的控制無關(guān)。橋式斬波器PWM調(diào)制方式下頁上頁返回(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：導通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0導通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)6.7.1雙極性PWM開關(guān)

假設開關(guān)信號由具有開關(guān)頻率的三角波utri與電壓控制波uctr經(jīng)比較后形成，當uctr

>utri時，TA+和TB-觸發(fā)導通，否則TA-和TB+觸發(fā)導通。第六章開關(guān)模式的直流斬波器

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0t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2utri若任意選定一個圖示的時間起點，則對應的占空比可表示為：式中，Utri.m表示三角波的極值。在上圖中，當t=t1時，utri=uctr，根據(jù)上式可知：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

開關(guān)對1（TA+、TB-）的導通持續(xù)時間ton為：根據(jù)上式可導出開關(guān)對1的占空比為：開關(guān)對2（TB+、TA-）的占空比為：D2=1﹣D1

(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：導通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0導通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)已求占空比和式可得UAN和UBN以及對應的輸出電壓：(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：導通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0導通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

將代入到式得：式中，k=Ud/Utri.m

（常數(shù)）

開關(guān)模式的斬波器與單個開關(guān)的斬波器平均輸出電壓均與輸入控制信號成線性關(guān)系，相當于是一個線性放大器。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

(TA-,TB+)000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNUdtu0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：導通器件：(TA-,TB+)i0I0(DA-,DB+)(DA+,DB-)tI0>0導通器件：i0I0tutri(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,TB+)(DA-,DB+)(TA-,TB+)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)輸出電壓u0的波形在+Ud和-Ud之間跳變。D1在0～1之間變化，主要是由控制電壓信號uctr的幅值和極性決定。根據(jù)式下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

同時忽略封鎖時間，由此可以得出：根據(jù)雙極性PWM全橋斬波器的輸出電壓U0可在-Ud～Ud之間連續(xù)變化，且該輸出電壓與輸出電流i0無關(guān)。雙極性PWM全橋斬波器，平均輸出電流I0既可以為正，也可以為負。當I0的值比較小時，i0在一個周期的值可能會出現(xiàn)有正有負的情況。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

6.7.2單極性PWM開關(guān)模式當TA+和TB+同時處于通態(tài)，則無論電流i0的方向如何，輸出電壓u0為零。當TA-和TB-同時處于通態(tài)時，輸出電壓為零。+-idNBTB+UdTA+DB+DA+TB-TA-DB-DA-i0La0uBNu0=uAN-uBNRaeai0u0uAN下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNtu0=uAN-uBNU0Udt工作器件：(TA-,TB-)i0I0(DA+,DB-)tI0>0i0I0t(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)Utri.At1t1t1t12t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)(DA-,TB-)(DA-,TB-)Tsuctr與utri的比較結(jié)果用于橋臂A的控制。-uctr與utri的比較結(jié)果用于橋臂B的控制。輸出方式為：若uctr>utri，觸發(fā)TA+

若-uctr>utri，觸發(fā)TB+

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開關(guān)TA+的占空比D1由式確定。開關(guān)TB+的占空比D2由式D2=1﹣D1確定。輸出電壓為：

在單極性PWM開關(guān)模式下，平均輸出電壓U0與雙極性PWM開關(guān)模式的輸出電壓表達式是一樣的，且都是與uctr呈線性關(guān)系。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

例

在全橋直流斬波器中，已知輸出電壓Ud為常數(shù)，現(xiàn)欲通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。若以平均輸出電壓U0為變量，在單極性和雙極性PWM兩種開關(guān)模式下，試計算輸出電壓中的紋波電壓有效值Ur=?解

雙極性PWM開關(guān)模式：0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：(TA-,TB+)(TA+,TB-)(TA-,TB+)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

輸出電壓u0的波形不受uctr/Utri.m比值的影響，輸出電壓的有效值為：U0.rms=Ud

0u0=uAN-uBNU0Ud-U=dt工作器件：(TA-,TB+)(TA+,TB-)(TA-,TB+)輸出電壓的平均值U0可直接由下式求得。下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

根據(jù)有效值的定義和式U0.rms=Ud

、U0=(2D1-1)Ud的關(guān)系，輸出電壓的紋波為：

隨著D1從0逐漸增加到1，U0也會由-Ud逐漸過渡到Ud。00-0.5-1.01.0(b)0.51.00.750.500.25(a)下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

單極性PWM開關(guān)模式：000000t=0Utri.muctrtt1t1Ts/2uANUdtuBNtu0=uAN-uBNU0Udt工作器件：(TA-,TB-)i0I0(DA+,DB-)tI0>0i0I0t(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)I0<0(DA+,DB-)(TA+,TB-)Utri.At1t1t1t12t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)(TA+,TB-)(TA-,DB-)(DA-,TB-)(DA-,TB-)Ts圖中的時間間隔為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

u0=uAN-uBN0U0Udt工作器件：(TA-,TB-)(TA+,TB-)(TA+,TB-)2t12t1(TA+,TB+)(TA+,TB-)根據(jù)上圖uctr>0時輸出電壓u0的波形和式輸出電壓的有效值為：下頁上頁返回第六章開關(guān)模式的直流斬波器

可得單極性PWM開關(guān)模式下輸出電壓中紋波電壓的有效值為：根