電源設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（固定或可調的）直流電壓稱為DC/DC變換（亦稱直流變換器）。這種技術被廣泛地應用于無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速中，從而獲得平穩地加速、減速、快速響應的性能，80年代興起的電動汽車就是一例。

下面介紹利用自關斷器件構成的典型DC/DC變換電路。

最基本的斬波電路如圖形3.1所示，斬波器負載為R，當開關S合上時，uo=uR=Ud,并持續t1時間。當開關切斷時uo=uR=0,并持續t2時間，T=t1＋t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形見圖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

若忽略開關的損耗，則輸入功率Pi應與輸出功率相

等，即從直流電源側看的等效電阻Ri為

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

由式3.1可知，當占空比D從零變到1時，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為斬波器導通時間，T為通斷周期，通常斬波器的工作方式有兩種：

（1）脈寬調制工作方式：維持T不變，改變t1。

（2）脈頻調制工作方式：維持t1不變，改變T。

普遍采用的是脈寬調制方式。因為頻率調制方式，容易產生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。

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。通過電感中的電流（iL）是否連續，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的數值。

圖3.2降壓式（Buck）變換器
（a）電路(b)波形

當電路工作頻率較高，若電感和電容量足夠大并為理想元件，電路進入穩態后，可以認為輸出電壓為常數。當晶體管V1導通時，電感中電流呈線性上升，因而

Ud－Uoa=L(iomax－iomin)/ton=L△ion/ton

式中ton是晶體管導通時間。

當晶體管截止時，電感中電流不能突變，電感上感應電動勢使二極管導通，這時

Uoa=L(iomax－iomin)/toff=L△ioff/toff

式中toff為晶體管截止時間。在穩態時△ion=△ioff=△i。

因為電感濾波保持了直流分量，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、儲能電感L、二極管V2及濾波電容C組成。當晶體管導通時，電源向電感儲能，電感電流增加，感應電動勢為左正右負，負載Z由電容C供電。當V1截止時，電感電流減小，感應電動勢為左負右正，電感中能量釋放，與輸入電壓順極性一起經二極管向負載供電，并同時向電容充電。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。

在電感電流連續的條件下，電路工作于圖3.3（b）所示的兩種狀態。

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