引言：

直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路

也称斩波电路（DC Chopper）。

将直流电变为另一固定电压（电流）或可调电压（电流） 的直流电。

可直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输 出之间不隔离。 （非隔离型直流-直流变流器）

间接直流变流电路

在直流变流电路中增加了交流环节。

在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离， 因此也称为隔离型直流-直流变流器。

直接直流斩波电路种类

四种典型电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、 丘克斩波电路。

多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。

间接直流斩波电路种类

由逆变电路、整流电路及中间变压器构成。

有单端正激、双端正激、单端反激、推挽、半桥、全桥等多种电路形式。

根据电路是否具备双向电能传输能力，可分为单向型和双向型。

直接直流变流电路

共讲述四种典型电路，对三种最基本的电路—降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路进行重点介绍。

两个基本原理：

伏秒平衡：稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的积分为零。

安秒平衡或电荷平衡：稳态条件下，流过电容的电流在一个开关周期内的积分为零。

降压斩波电路

降压（Buck）斩波电路

使用全控型器件S。

设置了续流二极管VD，在S关断时给电感电流提供通道 。

两种工作模式： 电感电流连续模式 、电感电流断续模式

电感电流连续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，二极管VD 处于截止状态，VD电压Uvd = Ui 。由于 Ui > Uo，负载电流iL按指数曲线上升。

t1~t2时段：开关S关断，二极管VD 导通，电感电流通过VD续流，VD电压 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小通常 使串联的电感L值较大。

数量关系

电感电压在一个周期的平均值UL可以表示为

根据伏秒平衡，有UL=0，可得

电感电流断续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，二极管VD 处于截止状态。Ui > Uo，电感L的电流 不断增长。

t1~t2时段：开关S关断，二极管VD 导通，电感通过VD续流，电感电流不断 减小。

t2~t3时段：t2时刻电感电流减小到 零，VD关断，电感电流保持零值，电感两端的电压也为零。

降压斩波电路处于连续和断续的临界状态时，每个开关周期开始和结束 的时刻，电感电流正好为零。

电感电流连续时，Uo =DUi 。

电流断续时，总有Uo＞DUi ，且负载电流越小，Uo越高。

输出空载时， Uo =Ui 。

升压斩波电路

升压（Boost）斩波电路

升压斩波电路也存在电感电流连续和电感电流断续两种工作模式。

电感电流连续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，二极管VD处 于截止状态。电感L两端的电压为Ui ，电 感电流不断增长。

t1~t2时段：开关S关断，二极管VD导 通，电感通过VD向电容C放电，电感电流 不断减小。

数量关系

电感电压在一个周期的平均值UL可以表示为

由伏秒平衡，UL=0，可得

由于0≤D≤1，因此升压型电路的输出电压高于其输入电压，且与输入电压极性相同。

D→1时，Uo→∞，故应避免D接近1，以免造成电路损坏。

电感电流断续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，二极管VD 处于截止状态。电感L两端的电压为Ui ， 电感电流不断增长。

t1~t2时段：开关S关断，二极管VD 导通，电感通过VD向电容C放电，电感 电流不断减小。

t2~t3时段：t2时刻电感电流减小到 零，二极管VD关断，电感电流保持零值 ，并且电感两端的电压也为零。

电路处于连续与断续的临界状态时，每个开关周期的开始或结束的时刻 电感电流正好为零。此时波形如下图。

电感电流断续时，总是有Uo＞Ui /(1-D)，且负载电流越小，Uo越高。

输出空载时，Uo→∞，故升压电路不应空载，否则会产生很高的电压造 成电路中元器件的损坏。

升降压斩波电路

升降压（Buck-Boost）斩波电路

升降压斩波电路也存在电感电流连续和电感电流断续两种工作模式。

电感电流连续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，二极管 VD处于断态。电感L两端的电压为Ui ， 电感电流不断增长。

t1~t2时段：开关S关断，二极管 VD导通，电感通过VD向电容C放电， 电感电流不断减小。

数量关系

电感电压在一个周期的平均值UL可以表示为

由伏秒平衡，UL=0，可得

等式右边的负号表示升降压电路的输出电压与输入电压极性相反，其数值既可以高于其输入电压，也可以低于输入电压。

断续工作模式与前述拓扑分析思路相同。 负载电流很小时，电感电流将不连续，电压比的公式不再满足等式，此时输出电压|Uo|＞DUi /(1-D)，且负载电流越小，Uo越高。

输出空载时，|Uo|→∞，故升降压电路也不应空载，否则会产生 很高的电压造成电路中元器件的损坏。

升降压型电路可以灵活的改变电压的高低，还能改变电压极性， 因此常用于电池供电设备中产生负电源的电路，还用于各种开关稳压器中。

丘克斩波电路

丘克（Cuk）斩波电路

丘克电路可以看成是由升压型电路和降压型电路前后级联而成的。

电感电流连续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，VD为断 态，L和L1的电流均增加；

t1~t2时段：开关S关断，VD导通 ，L经Ui ，VD，C1回路续流，L1经VD 和C续流。

数量关系

等式右边的负号表示输出电压与输入电压极性相反，其数值既可以高于其输入电压，也可以低于输入电压。

D→1时，|Uo|→∞，故应避免D过于接近1，以免造成电路损坏。

电感电流断续工作模式

负载电流很小时，电感电流将不连续，电压比的公式不再满足等式，输出电压|Uo|＞DUi /(1-D)，且负载电流越小，|Uo|越高。

输出空载时，|Uo|→∞，故丘克电路也不应空载，否则会产生很 高的电压造成电路中元器件的损坏。

丘克电路的特点与升降压电路相似，因此也常用于相同的用途。 丘克电路较为复杂，因此使用不甚广泛。 丘克电路一个突出的优点是输入和输出回路中都有电感，因此输出电压纹波和输入电流纹波均较小，在某些有特殊要求的场合使用比较合适。

多重斩波电路

对相同结构的基本斩波电路进行组合， 可构成多重斩波电路。一个控制周期中负载电流脉波数称为斩波电路的重数。

图为的三重降压斩波电路由三个降压斩波电路单元并联而成。

总输出电流为三个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的三倍，脉动频率也为三倍。

总的输出电流脉动幅值变得很小 。

所需平波电抗器总重量大为减轻。

总输出电流最大脉动率（电流脉动幅 值与电流平均值之比）与重数的平方成反比。

多重斩波电路各斩波电路单元可互为备用，使得总体的可靠性提高。

间接直流变流电路

间接直流变流电路中增加了交流环节，也称为直—交—直电路。

采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因：

(1) 输出端与输入端需要隔离。

(2) 某些应用中需要相互隔离的多路输出。

(3) 输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。

(4) 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。

 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路。

单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流。 主要有正激电路和反激电路。

双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。 主要有半桥、全桥和推挽电路。

正激电路

单开关正激（Forward）电路

正激电路也存在电感电流连续和电感电流断续两种工作模式。

电流连续工作模式

t0~t1时段：开关S导通，变压器绕组N1上正下负，与其耦合的绕组N2也 是上正下负。因此VD1处于通态，VD2 为断态，电感L的电流逐渐增长。

t1~t2时段：开关S关断，电感L通过VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。

S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为：

开关S开通后，变压器的激磁电流im1由零开始，随着时间的增加而线性 增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。

变压器的磁心复位时间为

电感电流连续时正激电路输出电压为

电流断续工作模式

如果输出电感电流不连续，与降压斩波电路相似，输出电压Uo将 高于计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下有

正激型电路的电压比关系和降压型电路非常相似，仅有的差别在于变压器的变比。

正激电路的电压比可以看成是将输入电压Ui 按变压器变比折算至变压器二次侧后根据降压型电路得到的。

后面的半桥、全桥和推挽电路也是如此。

双开关正激电路的工作原理与单开关正激电路基本相同。

双管正激电路中每个开关承受的断态电压均为Ui ，比相同条件下的单管正激电路低，故双管正激电路适合用于高压输入的电源中使用。

正激电路简单可靠，广泛用于功率为数百瓦~数千瓦的开关电源中。

但变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第I象限，没有得到充分利用。同样的 功率，其变压器体积、重量和损耗都大于全桥、半桥和推挽电路。

在电源和负载条件恶劣、干扰很强的环境下使用的开关电源，又对体积、 重量及效率要求不太高时，采用正激电路较合适。而工作条件较好，对体积、 重量及效率要求严格的电源应采用全桥、半桥和推挽电路。

反激电路

反激（Flyback）电路

反激电路可以看成是将升降压型电路中的电感换成相互耦合的电感N1和 N2得到的。

反激型电路中的变压器在工作中总是经历着储能—放电的过程，这一点 与正激电路以及后面要介绍的几种隔离型电路不同。变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。

电流连续工作模式

t0~t1时段：S开通后，VD处于断态， 绕组N1的电流线性增长，电感储能增加。

t1~t2时段：S关断后，N1绕组的电 流被切断，VD导通，变压器中的磁场能 量通过N2绕组和二极管VD向输出端释放。

S关断后的电压为

输出、输入间的电压比为

电流断续工作模式

t0~t1时段：S开通后，二极管VD处 于断态，N1绕组的电流线性增长，电感 储能增加；

t1~t2时段：S关断后，N1绕组的电流 被切断， VD导通，变压器中的磁场能量通过N2绕组和二极管VD向输出端释放。

t2时刻变压器中的磁场能量释放完毕，N2 绕组电流下降到零，VD关断。 t2~t3时段：电路处于开关状态3，N1 和N2绕组电流均为零，电容C向负载提供 能量。

反激电路的结构最为简单，元件数少，因此成本较低，广泛适用 于各种功率为数瓦~数百瓦的小功率开关电源。

在各种家电、计算机设备、工业设备中广泛使用的小功率开关电源中基本都采用反激电路。

但该电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的第I象限，利用率低，而且开关元件承受的电流峰值较大，不适合用于较大功率的电源。

半桥电路

半桥电路

S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui /2的交流电压。

改变开关的占空比，就可改变二次侧整流电压ud的平均值，也就 改变了输出电压Uo。

S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui 。

t0~t1时段：S1导通时，二极管VD1处于通态，电感电流流经变压器绕组上半部分N2、二极管VD1和滤波电容C及负载R，电感 电流增长。

t1~t2时段：S1、S2都处于断态，变压器绕组N1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组N2和N2’中的电流大小相 等、方向相反（忽略变压器的励磁电流），所以VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电感电流。电感L的电流逐渐下降。

t2~t3时段：S2导通时，二极管VD2处于通态，电感电流流经变压器绕组下半部分N2’ 、二极管VD2和滤波电容C及负载R，电感电流增长。

t3~t4时段：与t1~t2时段相同。

由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器偏 磁和直流磁饱和的问题。

为了避免上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通而造成短路损 坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并应留有裕量。

当滤波电感L的电流连续时：

电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在负载为零的极限情况时：

半桥电路中变压器的利用率高，且没有偏磁的问题，可以广泛用于功率为数百瓦~数千瓦的电源中。

与全桥电路相比开关元件数量少(但电流等级大)，同样的功率下成本略低， 可以用于对成本要求较苛刻的场合。

全桥电路

全桥电路

全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui 的交流电压。

改变占空比就可以改变输出电压Uo。

每个开关断态时承受的峰值电压均为Ui 。

t0~t1时段：S1、S4通，二极管VD1、VD4通，电感电 流流经变压器绕组N2、二极管VD1、VD4、滤波电容C及负 载R，电感电流增长。

t1~t2时段：所有开关都处于断态，变压器绕组N1中的 电流为零，电感通过VD1、VD4和VD2、VD3续流，每个二 极管流过电感电流的一半。电感L的电流逐渐下降。

t2~t3时段：S2、S3通，二极管VD2、VD3通，电感电 流流经变压器绕组N2、二极管VD2、VD3、滤波电容C及负 载R，电感电流增长。

t3~t4时段：与t1~t2时段相同。

若S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压中将含有直流分量， 会在变压器一次侧电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和，故应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。

为了避免上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并应留有裕量。

当滤波电感L的电流连续时：

全桥电路在电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在 负载为零的极限情况下，

所有隔离型开关电路中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥电路可以达到最大的功率，因此该电路常用于中大功率的电源中。

特别是结构简单、效率高的移相全桥型软开关电路被广泛应用。

目前，全桥电路被用于功率为数百瓦~数十千瓦的各种工业用电源中。

推挽电路

推挽电路

推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1 ’两端分别 形成相位相反的交流电压。

改变占空比就可以改变输出电压Uo。 S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui 。

t0~t1时段：S1通，二极管VD1通，电感电流流经变压 器绕组N2、二极管VD1、滤波电容C及负载R，电感电流增 长。

t1~t2时段：所有开关都处于断态，变压器绕组N1中的 电流为零，电感通过VD1和VD2续流，每个二极管流过电感 电流的一半。电感L的电流逐渐下降。

t2~t3时段：S2通，二极管VD2通，电感电流流经变压 器绕组N2’、二极管VD2、滤波电容C及负载R，电感电流 增长。

t3~t4时段：电路处于开关状态4，与开关状态2相同。

若S1与S2的导通时间不对称，则变压器一次绕组电压中将含有直流分量， 会在变压器一次侧电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和。与全桥电路不同的是，推挽电路无法在变压器原边串联隔直电容，因此只能靠精 确的控制信号和电路元件参数的匹配来避免直流分量的产生。

如果S1和S2同时处于通态，就相当于变压器一次侧绕组短路。因此必须 避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，并且要留有死区。

 当滤波电感L的电流连续时：

在电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在负载为零的极限情况下，

推挽电路的一个突出优点是在输入回路中仅有1个开关的通态压降，而半 桥电路和全桥电路都有2个，因此在同样的条件下产生的通态损耗较小，这对 很多输入电压较低的电源十分有利，因此这类电源应用推挽电路比较合适。

整流电路

全波整流 vs 全桥整流

根据2种电路各自不同的特点，通常在输出电压较低的情况下全波电路比较合适，而在高压输出的情况下，应采用全桥电路。

同步整流的缺点是需要对MOSFET的通与断进行控制，使控制电路变得更复杂。

同步整流管的控制是同步整流技术中的重要问题，较简单的一种是变压器绕组控制的自驱动方式。同步整流管的栅极驱动信号取自同步整流管所在的主电路中的某一电压。

这种控制方法的优点是电路结构简单，增加的元件少，但问题是变压器 的绕制较为复杂。

双向直流-直流变流电路

非隔离双向DC-DC电路

二象限斩波电路

输出电压与输入电压极性相同，输出电流可正可负。分别以输出电压和 输出电流为轴，画出该电路的工作平面，可以看出电路的工作点位于I、II两 个象限，故称为二象限斩波电路。

开关S1和S2交替导通，二者导通时间互补，并留有一定的死区时间，以 防止同时导通造成短路。

电感L的电流iL＞0时，电流分别流过S1和 VD2，此时电路的工作状况与降压斩波电路相似。

电感L的电流iL＜0时，电流分别流过S2和 VD1，此时电路的工作状况与升压斩波电路相似。

iL有时为正、有时为负时，电流相继流过 VD1、S1、VD2和S2。

输出电压和输入电压间的电压比为

二象限斩波电路中电感电流可正可负，在忽略死区时间的条件下， 不存在电感电流断续的问题。

该电路可以灵活、快速的控制负载电流，可以用于需要电能双向 传输，但又不需要改变输出电压极性的场合，如蓄电池充放电电源、 直流电机不可逆调速装置等。

四象限斩波电路

输出电流可正可负，输出电压也可正可负。电路的工作点可以位于I、II、 III、IV四个象限，故称为四象限斩波电路。

S1和S4同时开关，S2和S3同时开关。S1和S2交替导通，S3和S4交替导通，同侧上下两个开关的导通时间互补，并留有一定的死区时间，以防止同 时导通造成短路。

S1、S4的占空比大于50%时，Uo＞0。

S1、S4的占空比小于50%时，Uo＜0。

电感电流i L＞0时，电流分别流过S1、S4和VD2、VD3。

i L＜0时，电流分别流过S2、S3和VD1、VD4。

四象限斩波电路可以用于既需要电能双向传输，又需要改变输出电压极 性的场合，如直流电机可逆调速装置等。

隔离型双向DC-DC电路

隔离型双向DC-DC电路通常由两组逆变电路通过高频变压器及其 等效漏感联结构成，逆变电路可以采用半桥、全桥等电路形式。

采用全桥电路构成的双向DC-DC变流器由于控制方案灵活多样， 性能优异得到了广泛的关注。

双向DC-DC变流器的控制方式多种多样，应用最为广泛和典型的 控制方式为移相控制：控制开关管的开通与关断时间使变流器不同开 关管之间产生移相角，通过改变移相角的大小控制变流器的能量传输 大小和方向。

双有源桥（Dual-Active Bridge，DAB）电路

主要元器件包含了一次侧全桥（逆变电路）和二次侧全桥（整流电路）， 两个直流侧滤波电容，一个高频变压器及其等效漏感。

在桥式电路中，互为对角的两个开关同时导通，而同一半桥上下两开关 交替导通，使逆变电路的AB端和整流电路的CD端分别形成幅值为Ui 和Uo的 交流电压。

AB端通过电感L与变压器一次侧连接，CD端直接与变压器二次侧连接， 将二次侧电压折算到一次侧，可以等效为图

如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交— 直—交—直电路，通常被称为开关电源。

由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器 都大大减小，体积和重量都远远小于相控整流电源。

此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。

数百kW以下的功率范围内，开关电源已经取代了相控整流电源。

本章小结

直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路包括4种基本斩波电路，其中最基本的是降压斩波和升压斩波两种。

间接直流变流电路可以分为单端和双端电路两大类。单端电路包括正激和反激；双端电路包括全桥、半桥和推挽。

每类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法，本章仅介绍了其中最具代表性的拓扑形式和控制方法。

双端电路的整流电路可以有多种形式，本章介绍了常用的全桥和全波两种，它们具有各自的特点和不同的应用场合。