基本斩波电路简介

基本斩波电路类型很多,常见的有降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

1.降压斩波电路

降压斩波电路又称直流降压器，它可以将直流电压降低。降压斩波电路如图7-7所示。

图7-7 降压斩波电路

a)电路 b)波形

(1)工作原理

在图7-7a中,晶体管VT的基极加有控制脉冲U_b,当U_b为高电平时,VT导通,相当于开关闭合,A点电压与直流电源E相等(忽略晶体管集—射极间的导通电压降),当U_b为低电平时,VT关断,相当于开关断开,电源E无法通过,在A点得到图7-7b所示的U_o电压。在VT导通期间,电源E产生电流经晶体管VT、电感L流过负载R_L,电流在流过电感L时,L会产生左正右负的电动势阻碍电流I(同时储存能量),故I慢慢增大;在VT关断时,流过电感L的电流突然减小,L马上产生左负右正的电动势,该电动势产生的电流经续流二极管VD继续流过负载R_L(电感释放能量),电流途径是L右正→R_L→VD→L左负,该电流是一个逐渐减小的电流。

对于图7-7所示的斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系:

在上式中,称为降压比,由于,故输出电压U_o低于输入直流电压E,即该电路只能将输入的直流电压降低输出,当值发生变化时,输出电压U_o就会发生改变,值越大,晶体管导通时间越长,输出电压U_o越高。

(2)斩波电路的调压控制方式

斩波电路是通过控制晶体管(或其他电力电子器件)导通关断来调节输出电压的,斩波电路的调压控制方式主要有两种:

1)脉冲调宽型。该方式是让控制脉冲的周期T保持不变,通过改变脉冲的宽度来调节输出电压,又称脉冲宽度调制型。如图7-8所示,当脉冲周期不变而宽度变窄时,晶体管导通时间变短,输出的平均电压U_o会下降。

2)脉冲调频型。该方式是让控制脉冲的导通时间不变,通过改变脉冲的频率来调节输出电压,又称频率调制型。如图7-8所示,当脉冲宽度不变而周期变长时,单位时间内晶体管导通时间相对变短,输出的平均电压U_o会下降。

2.升压斩波电路

升压斩波电路又称直流升压器，它可以将直流电压升高。升压斩波电路如图7-9所示。

图7-8 斩波电路的两种调压控制方式

图7-9 升压斩波电路

电路工作原理:在图7-9中,晶体管VT基极加有控制脉冲U_b,当U_b为高电平时,VT导通,电源E产生电流流过电感L和晶体管VT,L马上产生左正右负的电动势阻碍电流,同时L中存储能量;当U_b为低电平时,VT关断,流过L的电流突然变小,L马上产生左负右正的电动势,该电动势与电源E进行叠加,通过二极管对电容C充电,在C上充得上正下负的电压U_o。控制脉冲U_b高电平持续时间t_on越长,流过L电流时间越长,L储能越多,在VT关断时产生的左负右正电动势越高,对电容C充电越高,U_o越高。

从上面的分析可知,输出电压U_o是由直流电源E和电感L产生的电动势叠加而得,输出电压U_o较电源E更高,故称该电路为升压斩波电路。

对于图7-9所示的升压斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系:

在上式中,称为升压比,由于,故输出电压U_o始终高于输入直流电压E,当值发生变化时,输出电压U_o就会发生改变,值越大,输出电压U_o越高。

3.升降压斩波电路

升降压斩波电路既可以提升电压，也可以降低电压。升降压斩波电路可分为正极性和负极性两类。

(1)负极性升降压斩波电路

负极性升降压斩波电路主要有普通斩波电路和Cuk斩波电路。

1)普通升降压斩波电路。普通升降压斩波电路如图7-10所示。(www.xing528.com)

图7-10 普通升降压斩波电路

电路工作原理:在图7-10中,晶体管VT基极加有控制脉冲U_b,当U_b为高电平时,VT导通,电源E产生电流流过晶体管VT和电感L,L马上产生上正下负的电动势阻碍电流,同时L中存储能量;当U_b为低电平时,VT关断,流过L的电流突然变小,L马上产生上负下正的电动势,该电动势通过二极管VD对电容C充电(同时也有电流流过负载R_L),在C上充得上负下正的电压U_o。控制脉冲U_b高电平持续时间t_on越长,流过L电流时间越长,L储能越多,在VT关断时产生的上负下正电动势越高,对电容C充电越多,U_o越高。

从图7-10可以看出,该电路的负载R_L两端的电压U_o的极性是上负下正,它与电源E的极性相反,故称这种斩波电路为负极性升降压斩波电路。

对于图7-10所示的升降压斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系:

在上式中,若,输出电压U_o会高于输入直流电压E,电路为升压斩波;若1,输出电压U_o会低于输入直流电压E,电路为降压斩波。

2)Cuk升降压斩波电路。Cuk升降压斩波电路如图7-11所示。

图7-11 Cuk升降压斩波电路

电路工作原理:在图7-11中,当晶体管VT基极无控制脉冲时,VT关断,电源E通过L₁、VD对电容C充得左正右负的电压。当VT基极加有控制脉冲并且高电平到来时,VT导通,电路会出现两路电流,一路电流途径是电源E正极→L₁→VT集射极→E负极,有电流流过L₁,L₁存储能量;另一路电流途径是:C左正→VT→负载R_L→L₂→C右负,有电流流过L₂,L₂存储能量;当VT基极的控制脉冲为低电平时,VT关断,电感L₁产生左负右正电动势,它与电源E叠加经VD对C充电,在C上充得左正右负的电动势,另外由于VT关断使L₂流过的电流突然减小,马上产生左正右负的电动势,该电动势形成电流经VD流过负载R_L。

Cuk升降压斩波电路与普通升降压电路一样,在负载上产生的都是负极性电压,前者的优点是流过负载的电流是连续的,即在VT导通关断期间负载都有电流通过。

对于图7-11所示的Cuk升降压斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系:

在上式中,若,U_o＞E,电路为升压斩波;若,U_o＜E,电路为降压斩波。

(2)正极性升降压电路

正极性升降压电路主要有Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

1)Sepic斩波电路。Sepic斩波电路如图7-12所示。

图7-12 Sepic斩波电路

电路工作原理:在图7-12中,当晶体管VT基极无控制脉冲时,VT关断,电源E经过电感L₁、L₂对电容C充电,在C₁上充得左正右负的电压。当VT基极加有控制脉冲并且高电平到来时,VT导通,电路会出现两路电流,一路电流途径是电源E正极→L₁→VT集—射极→E负极,有电流流过L₁,L₁存储能量;另一路电流途径是C左正→VT→L₂→C右负,有电流流过L₂,L₂存储能量;当VT基极的控制脉冲为低电平时,VT关断,电感L₁产生左负右正电动势,它与电源E叠加经VD对C₁、C₂充电,C₁上充得左正右负的电压,C₂上充得上正下负的电压,另外在VT关断时L₂产生上正下负电动势,它也经VD对C₂充电,C₂上得到输出电压U_o。

从图7-12可以看出,该电路的负载R_L两端电压U_o的极性是上正下负,它与电源E的极性相同,故称这种斩波电路为正极性升降压斩波电路。

对于Sepic升降压斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系:

图7-13 Zeta斩波电路

2)Zeta斩波电路。Zeta斩波电路如图7-13所示。

电路工作原理:在图7-13中,当晶体管VT基极第一个控制脉冲高电平到来时,VT导通,电源E产生电流流经VT、L₁,L₁存储能量;当控制脉冲低电平到来时,VT关断,流过L₁的电流突然减小,L₁产生上负下正的电动势,它经VD对C₁充电,在C₁上充得左负右正电压;当第二个脉冲高电平到来时,VT导通,电源E在产生电流流过L₁时,还会与C₁上的左负右正电压叠加,经L₂对C₂充电,在C₂上充得上正下负电压,同时L₂存储能量;当第二个脉冲低电平到来时,VT关断,除了L₁产生上负下正电动势对C₁充电外,L₂会产生左负右正电动势经VD对C₂充得上正下负电压。以后电路会重复上述过程,结果在C₂上充得上正下负的正极性电压U_o。

对于Zeta升降压斩波电路,在一个周期T内,如果控制脉冲U_b的高电平持续时间为t_on,低电平持续时间为t_off,那么U_o电压的平均值有下面的关系: