直流斩波电路设计与仿真设计

电力电子技术课程设计报告

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目录

1．降压斩波电路…………………………………………………..6 一． 直流斩波电路工作原理及输出输入关系……………12 二． D c／D C变换器的设计…………………………………………18 三． 测试结果…………………………………………………………19 四． 直

流

斩

波

电

路

的

建

模

与

仿

真......................................29 五． 课

设

体

会

与

总

结....................................................30 六． 参考文献…………………………………………………………31

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摘要

介绍了一种新颖的具有升降压功能的DC／DC变换器的设计与实现，具体地分析了该DC／DC变换器的设计(拓扑结构、工作模式和储能电感参数设计)，详细地阐述了该DC／DC变换器控制系统的原理和实现，最后给出了测试结果

关键词：DC／DC变换器，降压斩波，升压斩波，储能电感，直流开关电源，PWM；直流脉宽调速

一．降压斩波电路 1.1 降压斩波原理：

U0I0tonEtonEEtontoffT

U0EMR式中ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比火导通比。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：

1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton不变，称为PWM。

V2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 EVDM3） ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 uoiGLioR+EM-

iGOiotonTi1I10Ouoi2I20t1Etoffa)t3 / 28 t.

1.2 工作原理

1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升

2）t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo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接的

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. 电感L值较大

 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析  从能量传递关系出发进行的推导

 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变  电源只在V处于通态时提供能量，为EI0ton

 在整个周期T中，负载消耗的能量为（RI0T+EMI0T）

一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等

U0I0tonEtonEEtontoffT

U0EMR输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器

该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况句会出现反电动势。

在具有升降压功能的非隔离式DC／DC变换器中，Buck-Boost变换器和Cuk变换器是负极性输出，Sepic变换器和Zeta变换器是正极性输出，但这两个变换器结构复杂，都需要两个储能电感，这必然导致变换器的损耗增加、效率变低，且体积和质

量大，引。本文针对实际研究项目中提出的要求，摒弃采用上述各种变换器，设计了一种新颖的具有升降压功能和正极性输出的D C／D C变换器，并采用该DC／DC变换器研制出达到技术指标要求的直流开关电源，获得了良好的应用价值。

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. 直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

PWM控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT）等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。

调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制系统具有反馈环节。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个

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低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。仅有这些固有部分所组成的系统是难以满足生产机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的，为了设计一个静态，动态都适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须对系统进行校正。也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加一个校正环节，使系统的动态性能也能达到指标的要求。本文中的双闭环可逆ＰＷＭ调速系统，采用集成控制器SG3524产生占空比可调的PWM波，它的部包括误差放大器,限流保护环节,比较器,振荡器,触发器,输出逻辑控制电路和输出三极管等环节，是一个典型的性能优良的开关电源控制器,输出级是由ＩＧＢＴ构成的功率控制器，进而驱动它励直流电动机，达到速度控制的目的。由于电路有开关频率高的特点，所以直流脉宽调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性，例如主电路线路简单，需用的功率元件少，低速性能好，稳速精度高，因而调速围宽，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较少，调速装置效率和电网功率因素高，系统的频带宽、快速性能好、动态抗扰能力强等等

二．直流斩波电路工作原理及输出输入关系

2.1 升压斩波电路（Boost Chopper）

升压斩波电路

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假设L和C值很大。

处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定i1，电容C向负载R供电，输出电压u0恒定。

断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为Ei1ton 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为(u0E)i1toff 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

Ei1ton=(u0E)i1toff

化简得 u0tontofftoffETE toffTT——升压比；升压比的倒数记作β，即 tofftoffβ和α的关系：a+β=1

所以输出电压为

u01E1E 1

2.2 升降压斩波电路 (buck -boost Chopper)

升降压斩波电路

V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1，同时，C维持输出电压

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. 恒定并向负载R供电，这时uLE。

V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时uLu0。

稳态时，一个周期T电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

T0uLdtuL(on)dtuL(off)dtEtonu0toff0

0tontonT所以输出电压为：

u0tontEonEE toffTtoN1（ton为 V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间）

三． D c／D C变换器的设计

3.1 变换器拓扑结构

图l所示是设计新颖的DC／DC变换器的拓扑结构。该DC／DC变换器为前后级串联结构，前级是由T1、T3、D1、D 、I 、C、R1、R 构成降压变换电路，后级是由T 、D 、I 、C构成升压变换电路，其中Dz、I 、C均出现在前、后级变换电路中。

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从图1中可以看出，采用PWM 方式控制两个主开关管T。、Tz存在一定的困难，因为它们的控制端不共地。为了实现两路控制信号共地，也只能选用功率晶体管。为此，在图1所示的主变换电路中增加了辅助开关管T1，且T。由NPN型改为PNP

型，显然T。、T 是共地的，T 、T3是同步开关的，这就实现了两路控制信号的共地。这样，原本通过控制T。、T。来控制电路的工作状态，现在是通过T 、T 来控制，T。称为降压斩波辅助开关，T。称为升压斩波主开关、T。称为降压斩波主开关。

工作模式的分析假设所用电力电子器件理想、电感和电容均为无损耗的理想储能元件以及不计线路阻抗，且变换器始终处于电流连续的状态。该DC／DC变换器有两种典型的工作模式——降压工作模式和升压工作模式，下面分别来分析这两种工作模式。1．2．1 降压工作模式当T 截止，T 以PWM 方式工作，变换器处于

降压工作模式。此时，变换器与Buck变换器相比仅仅是多了一个二极管Dz，而这一个二极管的加入对Buck变换器的工作无任何影响。因此，处于降压工作模式的变换器等效于Buck变换器，相应的电压变换关系为：

U0 （1） Ui

式中：Ui——输入电压；Uo——输出电压； T的占空比。

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. 升压工作模式

当T 全导通，T 以PWM 方式工作，变换器处于升压工作模式。此时，变换器与Boost变换器相. 比多了一个全导通的开关管T。和一个二极管D ，

而这两个器件的加入对Boost变换器的工作无任何 影响。因此，处于升压工作模式的变换器等效于 Boost变换器，相应的电压变换关系为：

U01 （2） Ui1式中：Ui——输入电压；Uo——输出电压；---T2

的占空比。由此可见，该D C／D C变换器是将Buck和Boost两个变换器串联起来，通过对两个开关管T 、T。的配合控制获得降压工作模式和升压工作模式，从而实现升降压功能和正极性输出。在理想情况下，变换器的电压变换关系为：

U0 当处于降压工作模式 Ui

U01 当处于升压工作模式 Ui1储能电感参数的设计

由图1的拓扑结构可知，该DC／DC变换器只有一个储能元件——储能电感L，所以L必须能适应降压和升压两种不同的工作模式，以使变换器无论处于哪一种工作模式，L都能存储足够的能量，从而在以PWM 方式工作的斩波开关截止时能提供给负载连续的电流。因此，L是该DC／DC变换器的关键元件，其参数的选取直接影响到变换器能否正常工作。考虑最典型的情况，假设输入电压的变化围为Umin~Umax,且当

Ui=Umax时，变换器处于降压工作模式；当Ui=Umin时，，变换器处于升压工作模式。

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所以，根据公式（1）Umax，Uo，可以得到T1的最小占空比min；根据公式(2)、Umin和Uo ，可以得到T。的最大占空比max。由于min，max分别代表了L在两种工作模式下的极端工作状态，因此可以通过分别计算这两个工作状态下的电感量，并取其中的大者作为L的设计参数，则L就能同时满足两种工作模式的要求，。具体设计步骤如下：

(1)当处于极端降压工作状态：(—min，=O) 时，电感量l 的计算公式：

3.2 D C／D C 变换器控制系统的原理和实现 控制原理

图2所示是该DC／DC变换器控制系统的控制

原理框图4，其应用背景是卫星储能／姿控两用飞轮能量回馈系统。控制系统采

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用电压、电流双闭环串级控制结构，外环是电压环，环是电流环。控制原理是电压给定U 与电压反馈U进行比较，得到的电压误差经电压调节器输出作为电流给定，r与电流反馈I进行比较，得到的电流误差经电流调节器输出对应PWM 波的脉冲宽度，然后经PWM 控制决定分配给哪个开关管，之后PWM波通过驱动电路驱动DC／DC变换器中相应的开关管工作

以上的双闭环控制是针对工作在PWM 方式下的开关管而言。由于变换器采用的是两个开关管的配合控制，两种不同的工作模式就对应两种不同的PWM开关方案，因此必须设计相应的控制逻辑分配单元来实现这两种开关方案，这在图2中以PWM 控制单元表示。

3.3 控制实现

控制系统的设计可以采用模拟控制方案和数字控制方案，这里以模拟控制方案阐述该DC／DC变换器控制系统的实现，如图3所示。

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检控制电路由两级PI调节器、PWM 波产生电路、驱动电路、故障测与保护电路等组成。两级PI调节器是控制电路的核心控制单元，两级均为带限幅输出的PI调节器，前级是电压调节器，后级是电流调节器，前后级串联构成了以输出电压为主控制对象、输出电流为副控制对象的双闭环控制系统。电压环的作用是稳定输出电压，在

输入电压或负载扰动作用下保证输出稳定。电流环是在稳态时跟随电压环，从而使系统动态响应快，调节性能好，也易于实现限流和过流保护。由于电压调节器的输出作为电流调节器的给定，故电压调节器的限幅值决定了电流调节器的最大输出

电流。此外，电流调节器的限幅值限制了最大输出电压，防止了输出电压过高的非正常状态，从而保证了系统的安全可靠。PWM波产生电路负责两种PWM开关方案的

实现，以满足变换器降压工作模式和升压工作模式的要求。由于需要产生两路控制信号，因此必须配合主变换电路进行特殊的电路设计，以解决控制逻辑的分配问题。如图3所示，电流调节器输出送到比较器IC 、IC2同相端，由一个三角波发生器产生

的三角波送到反相端，两路信号相比较叠加获得PWM 波。分析可知，两种不同

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. 的PWM 开关方案可以通过对送到比较器IC 、IC4反相端的三角波加上不同的偏移电压和来实现。当电流调节器输出电压低于5 V时，比较器IC 与三角波有交点，

输出PWM 波，该波形用于驱动T ，而比较器IC4与三角波没有交点，故无脉冲输出，T2截止；当电流调节器输出电压高于5 V时，比较器IC4与三角波有交点，输出PWM 波，该波形用于驱动T ，而比较器IC 输出高电平，T 1处于全导通状态；而且，降压工

作模式和升压工作模式的切换是平滑过渡的。这样，就得到了逻辑上合乎要求的两路控制信号，然后再经驱动电路去驱动两个开关管T1和T2。为了提高系统的可靠性，还设计了故障检测与保护电路，包括过流保护、过压保护、过热保护等。这主要利用比较器对电流、电压、温度等的检测值与设定的保护值比较，一旦发生超限现象，立即产生相应的保护动作。

四．测试结果

根据上述控制原理和实现方案，研制出采用该DC／DC变换器作为主变换电路的直流开关电源(主要设计条件与要求：输入电压l2～4O V、输出电压28 V、额定功率200 W 及效率≥85 %等)。该直流开关电源主要指标的测试结果如下：

(1)输入电压允许围：在输入电压为1O～4O V的围，输出电压保持稳定； (2)输出电压：在5O%负载条件下，平均输出电压为28．O1 V，输出电压稳定度≤O．04 ；

(3)电压调整率：在各种负载条件下，电源电压调整率≤O．18 ； (4)负载调整率：以5O%负载为基准，负载电压调整率≤O．14 ；

(5)输出电压纹波：当负载电流为3．6 A时，输出电压纹波峰一峰值(Up-p)〈=250 mV，如图4(a)；

(6)负载能力：当输出电流达到7．5 A时，输出电压仍保持稳定，对应功率≥2O0

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. w；

(7)效率：采用电阻性负载时，测试效率为87 %；

(8)动态响应：系统对输入电压和负载的突变能及时快速地响应，图4(b)所示为负载突变时的动态响应波形。测试结果表明，该直流开关电源具有良好的稳

态性能和动态特性，各项主要技术指标达到或超过卫星储能／姿控两用飞轮能量回馈系统研制项目所规定的指标要求。 结论：

这里对一种新颖的DC／DC变换器的设计和实现进行了论述，采用该DC／DC变换器作为主变换电路的直流开关电源具有以下特点：

(1)变换电路拓扑结构简单，具有明确的工作模式，易于实现模拟或数字控制。 (2)采用电压、电流双闭环控制方式，获得较高的稳态精度和良好的动态性能。 (3)具有升降压功能，正极性输出，源效应好，能适应大围的输入电压变化。 (4)仅有一个储能电感，具有可靠性高、效率高、体积小及质量轻等特点。 (5)功率容量500 W 以下，尤其适合作为卫星储能／姿控两用飞轮能量回馈系统、电动机制动再生能量回馈系统、风力发电系统和太阳能发电系统等电能变换系统的直流变换环节。

五．直流斩波电路的建模与仿真 5.1仿真模型及参数设置

(1)由IGBT构成直流降压斩波电路(Buck Chop-per)的建模和参数设置

图2为由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型，IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路，即Rs=5 ΩQ，Cs=0；电压源参数取Us=200 V，E=80 V；负载参数取R=10 Ω，L=5 mH。

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(2)直流降压斩波电路的仿真

打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为O，停止仿真时间设置为O.01 s，控制脉冲周期设置为O.001 s(频率为1 000Hz)，控制脉冲占空比为50％。参数设置完毕后，启动仿真，得到图3的仿真结果。

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由图3可以看出，负载上电压分别为100 V，160 V，80 V，满足

5.2直流升降压斩波电路(．Boost－Buck Chopper)的仿真

升降压斩波电路输出电压平均值为：

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式中：负号表示输出电压与输入电压反相。当D＝O.5时，U。=Ud；当D>O.5时，U。>Ud，为升压变换；当D<0．5时，u。图4给出了由IGBT元件组成的升降压斩波电路仿真模型，IGBT按默认参数设置并取消缓冲电路，负载R＝50 Ω，C＝3e－05 F，电感支路L＝5 mH。启动仿真，得到图5的仿真结果。

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从图5可以看出，负载上电压分别为100 V，33 V，300 V，满足

与升降压斩波理论分析吻合。

5.3 主电路元器件的选择

1、直流电压源选择DC Voltage source,其工作电压设置为200V 2、电压源串联电阻选择Series RLC Branch,参数设置为 R=50 Ω L=0 H C=inf F

3、IGBT的参数选择为默认值

4、晶闸管选择Diode,参数选择为默认值

5、外电路阻感选择Series RLC Branch1,参数设置为

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. R=10 Ω L=3 H C=inf F

6、主电路负载选择Series RLC Branch2, 参数设置为 R=50 Ω L=0 H C=inf F

7、脉冲触发元件选择Pulse Generator,参数设置为 Pulse type:Time based Amplitude:10 Period(sece):0.1 Pulse Width:60 Phase delay:0

5.4 测量元器件的选择

1、电流表选用Current Measurement,共需要两个

2、电压表选用Voltage Measurement Series RLC Branch,共需要一个 3、示波器选用Scope,共需要一个，其参数设置为 Number ofaxes:5

5.5 仿真电路图

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图11

图11即为本次仿真在软件中所设计的电路图

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5.6 结论

通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

5.7 运行结果

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六．课设体会与总结

回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感，通过这两周的电力电子课程设计，不仅对MATLAB软件有了进一步的了解，对BUCK降压电路也有的深入的认识和理解。BUCK变换器电路在电力电子学习中就是非常重要典型的电路，通过这次的课程设计仿，对电路的特点，优缺点有了更加深刻的理解。刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助，学会了如何

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. 更好的设计电路选择正确的元器件。通过在实验室测得的波形和仿真的波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。

经过这次的课程设计，发现MATLAB软件功能非常强大。平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。

最后，感老师的耐心指导和同组同学的大力支持，使我在本次设计中将遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到了更多的知识。

再次感在本次设计中给予我帮住的人，你们！

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七．参考文献

1.王兆安．黄俊．电力电子技术，第4版，机械工业，2000 2.乃国．电源技术．：中国电力，1998

3.何希才．新型开关电源设计与应用．：科学，2001

4.阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．：科学，2000 5. 汝全．电子技术常用器件应用手册【M】．机械工业

6.礼明．实际直流斩波电路中若干问题的浅析．梅山科技，2005．

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