电源设备中常用的四种变换电路

DC/DC变换

将一种直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压称为DC/DC变换（亦称直流变换器）。这种技术被广泛地应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速中，从而获得平稳地加速、减速、快速响应的性能，80年代兴起的电动汽车就是一例。

下面介绍利用自关断器件构成的典型DC/DC变换电路。

最基本的斩波电路如图形3.1所示，斩波器负载为R，当开关S合上时，uo=uR=Ud,并持续t1时间。当开关切断时uo=uR=0,并持续t2时间，T=t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形见图3.1(b)。若定义斩波器的占空比D=t1/T,则从波形图可以获得输出电压平均值为

图3.1降压斩波电路原理
（a）电路(b)波形

若忽略开关的损耗，则输入功率Pi应与输出功率相

等，即从直流电源侧看的等效电阻Ri为

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

由式3.1可知，当占空比D从零变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，其等效电阻也随着D而变化。

t1为斩波器导通时间，T为通断周期，通常斩波器的工作方式有两种：

（1）脉宽调制工作方式：维持T不变，改变t1。

（2）脉频调制工作方式：维持t1不变，改变T。

普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。

3.1降压式（Buck）变换器

图3.1所示的直流变换器在使用时输出纹波较大，为降低输出纹波，在输出端接入电感L、电容C滤波电容，如图3.2（a）所示，图中V2为续流二极管。这就是降压（Buck）式变换器，其输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ud。通过电感中的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

图3.2降压式（Buck）变换器
（a）电路(b)波形

当电路工作频率较高，若电感和电容量足够大并为理想元件，电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管V1导通时，电感中电流呈线性上升，因而

Ud－Uoa=L(iomax－iomin)/ton=L△ion/ton

式中ton是晶体管导通时间。

当晶体管截止时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时

Uoa=L(iomax－iomin)/toff=L△ioff/toff

式中toff为晶体管截止时间。在稳态时△ion=△ioff=△i。

因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。输出电流平均值为

Ioa=(iomax＋iomin)/2=Uoa/RL(3.4)

3.2升压式（Boost）变换器

图3.3为升压式变换器，它由功率晶体管V1、储能电感L、二极管V2及滤波电容C组成。当晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。当V1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样把低压直流变换成高压直流。其输出电压平均值将超过电源电压Ud其电路的工作波形如图3.3(c)所示。

在电感电流连续的条件下，电路工作于图3.3（b）所示的两种状态。

图3.3升压式(Boost)电路
(a)电路；(b)等效电路；（c）波形

图3.4升/降压式电路
(a)电路；(b)等效电路；(c)波形