降压、升压斩波电力电子

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1、4.2基本直流斩波电路基本直流斩波电路是指降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升降压(Buck-Boost)斩波电路和丘克(Cuk)斩波电路。本节将对Sepic斩波电路和Zeta斩波电路一并给予介绍。4.2.1降压斩波电路降压斩波电路又称Buck斩波电路，该电路的特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则高于输入电流。也就是通过该电路的变换可以将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压，并实现电能的转换。降压斩波电路的拓扑结构如图4.2(a)所示。图中S是开关器件，可根据应用需要选取不同的电力电子器件，如IGBT、MOSFET、GTR等。L、C为滤波电感和电容，组成低

2、通滤波器，R为负载，VD为续流二极管。当S断开时，VD为提供续流通路。E为输入直流电压，为输出电压平均值。当选用IGBT作为开关器件时，降压斩波电路如图4.2(b)所示。(a)S为开关器件(b)IGBT为开关器件图4.2降压斩波电路的拓扑结构图根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式。4.2.1.1电感电流连续导电模式连续导电模式对应电感电流恒大于零的情形。设开关器件T的控制信号为（的波形如图4.4所示）。当为高电平时T导通，为低电平时T关断。T导通与关断时的等效电路分别如图4.3(a)、(b)所示。电路的工作原理是：设电路已处于稳定工作状态

3、，在时，使T导通，因二极管VD反向偏置，电感两端电压为，且为正。此时，电源E通过电感L向负载传递能量，电感中的电流从线性增长至，储能增加。在时刻，使T关断，而不能突变，故将通过二极管VD续流，L储能消耗在负载R上，线性衰减，储能减少。此时。由于VD的单向导电性，只能向一个方向流动，即总有≥0，从而在负载R上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值，并控制T周期性地开关，可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然T导通时间愈长，传递到负载的能量愈多，输出电压也就愈高。T导通和关断时各电量的工作波形如图4.4所示。(a)T导通VD截止(b)VD导通T截止图4.3连续导

4、电模式降压斩波电路等效电路图图4.4降压斩波电路的工作波形图在期间，T导通，根据等效电路4.3(a)，可得出电感L上的电压为（4.3）由于电感和电容无损耗，电流从Ｔ导通时的电流初值线性增长至终值为，因此上式可写成则（4.4）式中为电感电流的变化量，为输出电压的平均值。在期间，T关断，VD导通续流，根据图4.3(b)的等效电路，电流从线性衰减至，因此有即（4.5）从式（4.4）和式（4.5）消去，可得即（4.6）事实上，由于稳态工况下的电感电压波形周期性地重复，又根据假设电感为理想器件，故电感电压的平均值在一个周期内必为零。即：这就意味着T导通和关断的电压波形面积相等，即所以有（4.7

5、）当输入的直流电压不变时，输出直流电压随占空比线性变化，与其它电路参数无关。由于占空比总是小于等于1，所以输出电压总是小于或等于输入电压E。因此，这种斩波电路称为降压斩波电路。由于不考虑电路元件的损耗，则输入功率与输出功率相等，或，因此输入电流和负载电流之间的关系为（4.8）由图4.2可知，开关器件T和二极管VD承受的最大电压均为电源电压E。4.2.1.2电感电流断续导电模式在电感电流连续导电模式下的整个开关周期TS中，电感电流都大于0，且介于与之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件T关断的期间内，电感电流已降为零，且保持一定时间，电路有三种工作状态，即T导通，VD截止；T截止

6、，VD导通；T、VD都截止，电感电流为零。电路的工作原理是：在时，使T导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流线性增长至，储能增加。在时刻，使T关断，通过二极管VD续流。但在T的下一个导通周期到来之前，已衰减到零，此时续流二极管VD也截止，T和VD都截止时的等效电路如图4.5(a)所示，电感电流断续导电模式的电压电流波形如图4.5(b)所示。(a)等效电路(b)电压电流波形图4.5断续状态的等效电路和电压电流波形图根据图4.5的波形可以求得，当T导通时，电感电压为（4.9）电流的大小与T的导通时间有关。当T关断时，电感电压为（4.10）设，则由式（4.9）和式（4.10）可求得

7、即（4.11）所以（4.12）在电感电流断续导电模式下，负载电流平均值为即（4.13）将式（4.9）和式（4.12）代人式（4.13）有（4.14）而当等于时，负载电流处于临界连续状态，电感电流临界连续状态的电压电流波形如图4.6所示。图4.6临界状态的电压电流波形图4.2.1.3输出电压纹波在降压斩波电路中，当滤波电容C的容量足够大时，输出电压基本不变，近似为恒值。然而电容C的容量总是有限值的，因此输出电压含有纹波分量。在连续导电模式下，假定中所有纹波分