斩波电路(一) —— 概述和降压斩波电路原理

我们接下来这节课呢

要将讲述有关斩波电路的知识

我们先讲一下斩波电路的概述

那么如何改变电源的电压呢

如果对交流电来说

我们很容易就想到了

我们可以用一个变压器来改变电压

那如果是直流电怎么办

那么斩波电路呢专门用于改变直流电的电压

那么在讲斩波电路之前我们介绍什么叫变流机组

对于电源的电压频率等参数进行变化的装置叫做变流器

那么在有电力电子开关之前呢

我们也是有变流需求的

这时候变流呢是通过变流机组来完成

它的原理很简单

就是一个电动机加一个发电机的组合

你看，如果我们有任何一种电

我都能找到对应的电动机

把电能转化成机械能

那么你需要哪种电

总是能找到这种发电机

用电动机带动发动机的方法

我们就可以得到任意电源

就是变流机组的原理

那么变流机组呢？我们可以看到

它很无敌，而且无赖

但是呢？

由于机械装置效率低，而且它的噪声非常恐怖

所以，在有电力电子开关以后，我们就淘汰掉这种变流机组

而进入“静止式变流”时代

这个静止由 static 演化而来

就是相对于电机要运动，所谓静止

那么类似的概念还有固态

也是从 static 来的

比如我们的固态继电器

那么斩波电路实际上是最简单的一类静止式变流装置

因为它只变换电压

但是在我们现实生活中

斩波电路的应用极其广泛

我们几乎所有的家用电器里面

都含有基于斩波原理的开关电源

都含有基于斩波原理的开关电源

我们学习内容包括以下内容

包括几种斩波电路的拓扑的学习

降压，电荷泵，升压，升降压

Cuk，Speic，Zeta

Cuk，Speic，Zeta

这七种斩波电路的拓扑

那我们学完以后达到什么学习目的呢

就是能够不靠记忆

能够去推导画出电路长什么样

能够得出输出电压的公式

完全不靠记忆，真正靠理解

我们还要能够定性的分析

开关频率，电感大小，电容以及等效串联电阻

负载的轻重，对电路产生的影响

这是我们所要学习的内容

这是我们所要学习的内容

下面我们就开始降压斩波电路的学习

那么降压斩波电路的原始模型是这样的

比如我一个房间取暖

需要一千瓦的取暖器

但是手边的只有一个两千瓦的电器

我怎么办呢？

通常人们都是这么办的

我加一个开关

我让这个取暖器间歇工作

比如工作一分钟歇一分钟

那么我实现的效果就相当于这个房间

用的是一千瓦的电暖气

事实上，在我们现实生活中

制热或者制冷的这种用电器

大多数都是用这种方法来实现来变换功率的

比如说电磁炉，微波炉，再比如空调

那么这种热磁式的负载在可以接受电流的断续

但是，对于大部分负载来说

隔一段时间工作一次是不行的

那么我们所知道的三种基本元件电阻电容电感

那么哪种元件的可以维持电流连续呢？

电感

那么我们现在给负载串联上一个电感

这样负载上的电流了就能保持连续

但这个电路有一个问题

就是有电感的电路，电感上一旦流过

开关闭合，流过自左向右的电流以后

那么开关断开，这个电流并不能消失啊

怎么办呢

我们可以给这个地方加一个二极管

那么，这个二极管就取到续流的作用

它可以让电感电流继续由这条支路进行流动

它就叫做续流二极管

我们在电力电子的主电路中

二极管也看成是开关的一种

分析所有开关的办法都是一样的

当开关导通的时候

我们把它等效为电路当导线

开关断开了，直接把它擦掉就可以了

我们来看当开关闭合的时候

二极管上承受的是上正下负的反压

所以呢，我们可以把二极管擦掉

它不导通，不导通就擦掉

那么电源通过电感给负载供电，电流逐渐增大

那么，当开关断开的时候呢

开关断开了，显然我们就可以把开关擦掉

并且二极管导通那么等效为一根导线

电感上的电流对负载进行放电

磁场能转化为电能，那么逐渐减小

二极管D保证了电感能够继续形成回路

那么在所有输出为电压源的电路当中的负载端

我们都会并联一个大电容，以保证它是电压输出。

我们添加这个电容，并且呢

我们把开关换成 MOSFET 开关

就构成了一个完整的 Buck 降压斩波电路

那么下面对 Buck 电路进行理论计算

在真正计算之前的我们讲一下我们计算的理论基础

也就是说当斩波电路中

电感电路连续的时候能有个简单计算办法

也就是说，稳态时电感上平均电压为0

这条结论呢，也许大家很难理解

如果我给出另外一条结论

我说稳态时流经电容的平均电流为零

大家可能就更好理解了

我们想象一下

如果一个电容流进的电流不等于流出的电流

那么这个电容上的电压肯定会变化，而不是稳态

那么电感的功能特性和电容是对偶的

如果电感上两端电压平均值不为零

那么这个电感的电流要么会持续上升

要么会持续下降

那么我们通过计算开关闭合时候的电感电压

和开关断开时候的电感电压

我们就可以很容易地计算出输出电压到底是多少

我们来看开关闭合时候电路等效成这样子

电源，电感和负载构成一个网孔

我们假设我们的电路设计合理

那么最后电容上的电压 Uo

纹波就比较小，我们可以几乎看成它是恒定不变的

那么这时候我们列出电感上的电压等于多少呢

根据基尔霍夫定理，E 减去 Uo

开关断开时候，断开时候，我们要把开关抹掉

那么二极管等效为一根导线

现在的网孔，变成了电感和电容直接串联构成一个回路

那么这个时候电感断开时候的电压，就等于 -Uo

根据电感上平均电压为零，我们列出这样的方程

闭合时候电感电压乘以闭合时间

加上断开时候电感电压乘以断开时间

平均电压为零

我们代入我们刚刚分析得到的电压值

简单移项求解以后，我们就可以得到输出电压

它等于什么呢？

开关闭合时间去除以总时间，总周期

这个量实际上就是占空比 D

也就是说，输出电压正比于占空比

我们前面讨论的是电感电流连续的情况

如果电感电流不连续

那么关断时间需要分成两段来进行分析

在电感有电流的这段时间

我们知道电感上电压，我们分析过，是 -Uo

那么当电感没有电流的时间段 T-OFF2 呢

电感上电压为零，为什么？

因为电感上电压是电流的变化率产生的

你电流都为零了，没有变化，当然就没有电压

那么这个式子方程变成了三项相加等于零

由电感稳态时候平均电压为0，依然是成立的

只不过现在分成三段

闭合段，断开但有电感电流段和没有电感电流段

我们同样求解得到输出电压表达式

唯一不一样的呢，就是这个地方是 T-OFF1，电感不连续的时候

我们来看电感连续的时候，我们的方程是占空比乘以 E

底下分母是整个周期，是 T-ON 和 T-OFF1 加上 T-OFF2

我们对比左右两个式子

显然左边大于右边，因为它分母要小

也就说当电感电流不连续的时候，输出电压会变高

我们接下来这节课呢

要将讲述有关斩波电路的知识

我们先讲一下斩波电路的概述

那么如何改变电源的电压呢

如果对交流电来说

我们很容易就想到了

我们可以用一个变压器来改变电压

那如果是直流电怎么办

那么斩波电路呢专门用于改变直流电的电压

那么在讲斩波电路之前我们介绍什么叫变流机组

对于电源的电压频率等参数进行变化的装置叫做变流器

那么在有电力电子开关之前呢

我们也是有变流需求的

这时候变流呢是通过变流机组来完成

它的原理很简单

就是一个电动机加一个发电机的组合

你看，如果我们有任何一种电

我都能找到对应的电动机

把电能转化成机械能

那么你需要哪种电

总是能找到这种发电机

用电动机带动发动机的方法

我们就可以得到任意电源

就是变流机组的原理

那么变流机组呢？我们可以看到

它很无敌，而且无赖

但是呢？

由于机械装置效率低，而且它的噪声非常恐怖

所以，在有电力电子开关以后，我们就淘汰掉这种变流机组

而进入“静止式变流”时代

这个静止由 static 演化而来

就是相对于电机要运动，所谓静止

那么类似的概念还有固态

也是从 static 来的

比如我们的固态继电器

那么斩波电路实际上是最简单的一类静止式变流装置

因为它只变换电压

但是在我们现实生活中

斩波电路的应用极其广泛

我们几乎所有的家用电器里面

都含有基于斩波原理的开关电源

都含有基于斩波原理的开关电源

我们学习内容包括以下内容

包括几种斩波电路的拓扑的学习

降压，电荷泵，升压，升降压

Cuk，Speic，Zeta

Cuk，Speic，Zeta

这七种斩波电路的拓扑

那我们学完以后达到什么学习目的呢

就是能够不靠记忆

能够去推导画出电路长什么样

能够得出输出电压的公式

完全不靠记忆，真正靠理解

我们还要能够定性的分析

开关频率，电感大小，电容以及等效串联电阻

负载的轻重，对电路产生的影响

这是我们所要学习的内容

这是我们所要学习的内容

下面我们就开始降压斩波电路的学习

那么降压斩波电路的原始模型是这样的

比如我一个房间取暖

需要一千瓦的取暖器

但是手边的只有一个两千瓦的电器

我怎么办呢？

通常人们都是这么办的

我加一个开关

我让这个取暖器间歇工作

比如工作一分钟歇一分钟

那么我实现的效果就相当于这个房间

用的是一千瓦的电暖气

事实上，在我们现实生活中

制热或者制冷的这种用电器

大多数都是用这种方法来实现来变换功率的

比如说电磁炉，微波炉，再比如空调

那么这种热磁式的负载在可以接受电流的断续

但是，对于大部分负载来说

隔一段时间工作一次是不行的

那么我们所知道的三种基本元件电阻电容电感

那么哪种元件的可以维持电流连续呢？

电感

那么我们现在给负载串联上一个电感

这样负载上的电流了就能保持连续

但这个电路有一个问题

就是有电感的电路，电感上一旦流过

开关闭合，流过自左向右的电流以后

那么开关断开，这个电流并不能消失啊

怎么办呢

我们可以给这个地方加一个二极管

那么，这个二极管就取到续流的作用

它可以让电感电流继续由这条支路进行流动

它就叫做续流二极管

我们在电力电子的主电路中

二极管也看成是开关的一种

分析所有开关的办法都是一样的

当开关导通的时候

我们把它等效为电路当导线

开关断开了，直接把它擦掉就可以了

我们来看当开关闭合的时候

二极管上承受的是上正下负的反压

所以呢，我们可以把二极管擦掉

它不导通，不导通就擦掉

那么电源通过电感给负载供电，电流逐渐增大

那么，当开关断开的时候呢

开关断开了，显然我们就可以把开关擦掉

并且二极管导通那么等效为一根导线

电感上的电流对负载进行放电

磁场能转化为电能，那么逐渐减小

二极管D保证了电感能够继续形成回路

那么在所有输出为电压源的电路当中的负载端

我们都会并联一个大电容，以保证它是电压输出。

我们添加这个电容，并且呢

我们把开关换成 MOSFET 开关

就构成了一个完整的 Buck 降压斩波电路

那么下面对 Buck 电路进行理论计算

在真正计算之前的我们讲一下我们计算的理论基础

也就是说当斩波电路中

电感电路连续的时候能有个简单计算办法

也就是说，稳态时电感上平均电压为0

这条结论呢，也许大家很难理解

如果我给出另外一条结论

我说稳态时流经电容的平均电流为零

大家可能就更好理解了

我们想象一下

如果一个电容流进的电流不等于流出的电流

那么这个电容上的电压肯定会变化，而不是稳态

那么电感的功能特性和电容是对偶的

如果电感上两端电压平均值不为零

那么这个电感的电流要么会持续上升

要么会持续下降

那么我们通过计算开关闭合时候的电感电压

和开关断开时候的电感电压

我们就可以很容易地计算出输出电压到底是多少

我们来看开关闭合时候电路等效成这样子

电源，电感和负载构成一个网孔

我们假设我们的电路设计合理

那么最后电容上的电压 Uo

纹波就比较小，我们可以几乎看成它是恒定不变的

那么这时候我们列出电感上的电压等于多少呢

根据基尔霍夫定理，E 减去 Uo

开关断开时候，断开时候，我们要把开关抹掉

那么二极管等效为一根导线

现在的网孔，变成了电感和电容直接串联构成一个回路

那么这个时候电感断开时候的电压，就等于 -Uo

根据电感上平均电压为零，我们列出这样的方程

闭合时候电感电压乘以闭合时间

加上断开时候电感电压乘以断开时间

平均电压为零

我们代入我们刚刚分析得到的电压值

简单移项求解以后，我们就可以得到输出电压

它等于什么呢？

开关闭合时间去除以总时间，总周期

这个量实际上就是占空比 D

也就是说，输出电压正比于占空比

我们前面讨论的是电感电流连续的情况

如果电感电流不连续

那么关断时间需要分成两段来进行分析

在电感有电流的这段时间

我们知道电感上电压，我们分析过，是 -Uo

那么当电感没有电流的时间段 T-OFF2 呢

电感上电压为零，为什么？

因为电感上电压是电流的变化率产生的

你电流都为零了，没有变化，当然就没有电压

那么这个式子方程变成了三项相加等于零

由电感稳态时候平均电压为0，依然是成立的

只不过现在分成三段

闭合段，断开但有电感电流段和没有电感电流段

我们同样求解得到输出电压表达式

唯一不一样的呢，就是这个地方是 T-OFF1，电感不连续的时候

我们来看电感连续的时候，我们的方程是占空比乘以 E

底下分母是整个周期，是 T-ON 和 T-OFF1 加上 T-OFF2

我们对比左右两个式子

显然左边大于右边，因为它分母要小

也就说当电感电流不连续的时候，输出电压会变高