電源設(shè)備中常用的四種變換電路

DC/DC變換

將一種直流電壓變換成另一種（固定或可調(diào)的）直流電壓稱(chēng)為DC/DC變換（亦稱(chēng)直流變換器）。這種技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的無(wú)級(jí)變速中，從而獲得平穩(wěn)地加速、減速、快速響應(yīng)的性能，80年代興起的電動(dòng)汽車(chē)就是一例。

下面介紹利用自關(guān)斷器件構(gòu)成的典型DC/DC變換電路。

最基本的斬波電路如圖形3.1所示，斬波器負(fù)載為R，當(dāng)開(kāi)關(guān)S合上時(shí)，uo=uR=Ud,并持續(xù)t1時(shí)間。當(dāng)開(kāi)關(guān)切斷時(shí)uo=uR=0,并持續(xù)t2時(shí)間，T=t1＋t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形見(jiàn)圖3.1(b)。若定義斬波器的占空比D=t1/T,則從波形圖可以獲得輸出電壓平均值為

圖3.1降壓斬波電路原理
（a）電路(b)波形

若忽略開(kāi)關(guān)的損耗，則輸入功率Pi應(yīng)與輸出功率相

等，即從直流電源側(cè)看的等效電阻Ri為

Ri=Ud/Ioa=Ud/(DUd/R)=R/D(3.3)

由式3.1可知，當(dāng)占空比D從零變到1時(shí)，輸出電壓平均值從零變到Ud，其等效電阻也隨著D而變化。

t1為斬波器導(dǎo)通時(shí)間，T為通斷周期，通常斬波器的工作方式有兩種：

（1）脈寬調(diào)制工作方式：維持T不變，改變t1。

（2）脈頻調(diào)制工作方式：維持t1不變，改變T。

普遍采用的是脈寬調(diào)制方式。因?yàn)轭l率調(diào)制方式，容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計(jì)也比較困難。

3.1降壓式（Buck）變換器

圖3.1所示的直流變換器在使用時(shí)輸出紋波較大，為降低輸出紋波，在輸出端接入電感L、電容C濾波電容，如圖3.2（a）所示，圖中V2為續(xù)流二極管。這就是降壓（Buck）式變換器，其輸出電壓平均值Uo總是小于輸入電壓Ud。通過(guò)電感中的電流（iL）是否連續(xù)，取決于開(kāi)關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。

圖3.2降壓式（Buck）變換器
（a）電路(b)波形

當(dāng)電路工作頻率較高，若電感和電容量足夠大并為理想元件，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。當(dāng)晶體管V1導(dǎo)通時(shí)，電感中電流呈線(xiàn)性上升，因而

Ud－Uoa=L(iomax－iomin)/ton=L△ion/ton

式中ton是晶體管導(dǎo)通時(shí)間。

當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中電流不能突變，電感上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管導(dǎo)通，這時(shí)

Uoa=L(iomax－iomin)/toff=L△ioff/toff

式中toff為晶體管截止時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí)△ion=△ioff=△i。

因?yàn)殡姼袨V波保持了直流分量，消除了諧波分量。輸出電流平均值為

Ioa=(iomax＋iomin)/2=Uoa/RL(3.4)

3.2升壓式（Boost）變換器

圖3.3為升壓式變換器，它由功率晶體管V1、儲(chǔ)能電感L、二極管V2及濾波電容C組成。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，負(fù)載Z由電容C供電。當(dāng)V1截止時(shí)，電感電流減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正，電感中能量釋放，與輸入電壓順極性一起經(jīng)二極管向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容充電。這樣把低壓直流變換成高壓直流。其輸出電壓平均值將超過(guò)電源電壓Ud其電路的工作波形如圖3.3(c)所示。

在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于圖3.3（b）所示的兩種狀態(tài)。

圖3.3升壓式(Boost)電路
(a)電路；(b)等效電路；（c）波形

圖3.4升/降壓式電路
(a)電路；(b)等效電路；(c)波形