直流直流變換器.ppt

第 3 章 直流/直流變換器,3 直流/直流變換器,3.1 直流/直流降壓變換器（Buck DC/DC 變換器） 3.2 直流/直流升壓變換器（Boost DC/DC 變換器） 3.3 直流升壓降壓變換器（Boost-Buck變換器或Cuk變換器） *3.4 兩象限、四象限直流/直流變換器 *3.5 多相、多重直流/直流變換器 3.6 帶隔離變壓器的直流/直流變換器 小結(jié),3.1 直流/直流降壓變換器（Buck DC/DC 變換器）,3.1.1 電路結(jié)構(gòu)和降壓原理 3.1.2 電感電流連續(xù)時(shí)工作特性 3.1.3 電感電流斷流時(shí)工作特性,如何實(shí)現(xiàn)降壓變換？,3.1.1 電路結(jié)構(gòu)和降壓原理,1.理想的電力電子變換器 2.降壓原理 3.控制方式 4.輸出電壓LC濾波,1. 理想的電力電子變換器,為獲得開(kāi)關(guān)型變換器的基本工作特性，簡(jiǎn)化分析，假定的理想條件是： （1）開(kāi)關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄啵驈淖钄嘧優(yōu)閷?dǎo)通的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間均為零； （2）開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無(wú)限大，漏電流為零； （3）電路中的電感和電容均為無(wú)損耗的理想儲(chǔ)能元件； （4）線路阻抗為零。電源輸出到變換器的功率等于變換器的輸出功率。,2. 降壓原理,對(duì)開(kāi)關(guān)管T加驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG ,開(kāi)關(guān)周期為T(mén)S,VG0, T管導(dǎo)通,VG=0, T管阻斷,輸出電壓,變壓比為M,n次諧波幅值,輸出電壓的直流平均值,將（3-2），（3-4）代入到（3-1）中,3.控制方式,改變開(kāi)關(guān)管T的導(dǎo)通時(shí)間，即改變導(dǎo)通占空比D ，即可改變變壓比M, 調(diào)節(jié)或控制輸出電壓VO。 (1) 脈沖寬度調(diào)制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 開(kāi)關(guān)頻率不變，改變輸出脈沖電壓的寬度 (2) 脈沖頻率調(diào)制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脈寬 不變，改變開(kāi)關(guān)頻率或周期。 Q：為什么實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式？,4.輸出電壓LC濾波,濾波電感的作用： 對(duì)交流高頻電壓電流呈高阻抗，對(duì)直流暢通無(wú)阻 濾波電容的作用： 對(duì)直流電流阻抗為無(wú)窮大，對(duì)交流電流阻抗很小。 Q：如何選取LC？,直流輸出電壓中含有各次諧波電壓，在Buck開(kāi)關(guān)電路的輸出端與負(fù)載之間加接一個(gè)LC濾波電路，減少負(fù)載上的諧波電壓。,3.1.2 電感電流連續(xù)時(shí)工作特性,Buck變換器有兩種可能的運(yùn)行工況： （1）電感電流連續(xù)模式 CCM(Continuous Current Mode)： 指電感電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都不為零； （2）電感電流斷流模式 DCM（Discontinuous Current Mode）： 指在開(kāi)關(guān)管T阻斷期間內(nèi)經(jīng)二極管續(xù)流的電感電流已降為零。 二者的臨界： 稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)： 指開(kāi)關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。,1.電流連續(xù)時(shí)只有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài),(2) 開(kāi)關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷, D管導(dǎo)通,(1) 開(kāi)關(guān)狀態(tài)1：T管導(dǎo)通,D管阻斷,Q: 電流連續(xù)模式跟哪些因素有關(guān)?,2. 變壓比、導(dǎo)通比的定義,變壓比與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通比都有關(guān)系，它們之間的關(guān)系可用多種方法推導(dǎo)。由此了解電力電子電路的分析方法,導(dǎo)通比（占空比）：,變壓比 ：,用波形積分的方法求變壓比,vEO的直流分量V0為:,用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量,周期性函數(shù)可以分解為無(wú)限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)：,用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量,周期性函數(shù)可以分解為無(wú)限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)：,F(t)也可表達(dá)為：,用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量,在實(shí)際應(yīng)用中，由于電路開(kāi)關(guān)通-斷狀態(tài)在時(shí)間上的對(duì)稱性，使電壓、電流波形具有某些特定的對(duì)稱性，從而使計(jì)算變得簡(jiǎn)單。物理上是指不存在某些電流或電壓分量。 偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項(xiàng)系數(shù)為零； 半波對(duì)稱(鏡對(duì)稱) 函數(shù)（奇諧波函數(shù)）：偶次諧波為零；,Q:什么是直流分量、基波、諧波、紋波?,濾波器電抗對(duì)諧波的阻抗為： L,濾波器電容對(duì)諧波的阻抗為：1/C,如果：,各諧波經(jīng)過(guò)濾波器后幾乎衰減為零。 直流量通過(guò)濾波器時(shí)其大小不受任何影響。,濾波,在開(kāi)關(guān)電路中，常常利用電路前一周期初始狀態(tài)與后一周期初始狀態(tài)相同這一條件來(lái)求電路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行表達(dá)式。 電感電流、電感磁鏈 電容電壓、電容電荷,用開(kāi)關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比,電容C在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：,輸出電壓波動(dòng)量,用電感電流表達(dá)式求變壓比,T導(dǎo)通、D截止 T 截止、 D導(dǎo)通 穩(wěn)態(tài)時(shí)：,3.1.3 電感電流斷流時(shí)工作特性,1. 三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和變壓比 2. 臨界負(fù)載電流 3. BUCK變換器輸出電壓外特性,第三種狀態(tài) :T、D都截止。 變壓比,1.三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和變壓比,臨界連續(xù)時(shí)：,2. 臨界負(fù)載電流,3. Buck變換器輸出電壓外特性,變換器的變壓比（或輸出電壓）與占空比和負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系稱為外特性。 電感電流連續(xù)時(shí)，變壓比等于占空比，輸出電壓與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。控制特性是線性的。 在電感電流斷流的情況下，變壓比M為(3-21)式，控制特性是非線性的。 外特性從線形到非線形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)由臨界負(fù)載電流確定。,設(shè)計(jì)圖3.2(a)所示的Buck DC/DC變換器。電源電壓Vs=147220V，額定負(fù)載電流11A，最小負(fù)載電流1.1A，開(kāi)關(guān)頻率20KHz。要求輸出電壓Vo=110V；紋波小于1%。要求最小負(fù)載時(shí)電感電流不斷流。計(jì)算輸出濾波電感L和電容C，并選取開(kāi)關(guān)管T和二極管D。,例3.1,3.2 直流-直流升壓變換器（Boost變換器）,3.2.1 電路結(jié)構(gòu)和升壓原理 3.2.2 電感電流連續(xù)時(shí)工作特性 3.2.3 電感電流斷流時(shí)工作特性,3.2.1 電路結(jié)構(gòu)和升壓原理,3.2.2 電流連續(xù)時(shí)的工作特性,兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài) 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,1.兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài),VG0, T管導(dǎo)通,D阻斷,1.兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài),VG=0, T管阻斷,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,理想Boost變換器的變壓比,T導(dǎo)通,D截止,T 阻斷，D導(dǎo)通,T導(dǎo)通,D截止,T 阻斷，D導(dǎo)通,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,理想Boost變換器的變壓比,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,假定負(fù)載電流平均值為IO,輸入電流和電感電流的電流平均值均為：,通過(guò)二極管的電流ID等于負(fù)載電流IO （電容的平均電流為零）,通過(guò)開(kāi)關(guān)管T的電流平均值為：,工作電流的平均值表達(dá)式,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,電感電流的脈動(dòng)量為：,通過(guò)開(kāi)關(guān)管T和D的電流最大值與電感電流的最大值相等：,工作電流的其他表達(dá)式,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,輸出電壓脈動(dòng)等于開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量，V0可近似地由下式確定,理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小,T和D所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。,2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,理想Boost變換器開(kāi)關(guān)器件所承受的最大電壓,3.2.3 電感電流斷流時(shí)工作特性,三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和變壓比 臨界負(fù)載電流 Boost變換器輸出電壓外特性,1.三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG0, T管導(dǎo)通,D截止,1.三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG=0, T管阻斷，D導(dǎo)通,1.三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG=0, T管阻斷，D管截止,2. 臨界負(fù)載電流,臨界負(fù)載電流,當(dāng)負(fù)載電流IOIOB,電感電流連續(xù) 當(dāng)負(fù)載電流IO=IOB ,電感電流處于連續(xù)與斷流的邊界,當(dāng)負(fù)載電流IOIOB,電感電流斷流,電感電流斷流的影響,3. Boost變換器輸出電壓外特性,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通期間,電源輸入到電感中的磁能，在T截止期間全部通過(guò)二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負(fù)載電流很小，就會(huì)出現(xiàn)電流斷流工況。 如果變換器負(fù)載電阻變得很大，負(fù)載電流太小，這時(shí)如果占空比仍不減小、不變、電源輸入到電感的磁能不變，必使輸出電壓不斷增加。 因此沒(méi)有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開(kāi)路情況下工作。,圖3.5(a)所示Boost變換器，輸入電源電壓 Vs=1030V，輸出電壓被控為恒值V，開(kāi)關(guān)頻率fs=40kHz，最大輸出功率100W，電流Iomax=2.08A，最小輸出功率10W，電流Iomin=0.208A，要求變換器工作時(shí)電感電流連續(xù)，求最小升壓電感L值及輸出電壓紋波小于1%時(shí)的濾波電容C。,例3.2,Boost電路的運(yùn)行與控制小結(jié),一般使用PWM控制； 不能空載運(yùn)行； 占空比不能接近1； 輸入電流脈動(dòng)較小，運(yùn)行中對(duì)電源的擾動(dòng)小。,3.3 直流升壓降壓變換器（Cuk變換器）,3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理 *3.3.2 電流斷流時(shí)工作特性 *3.3.3 兩電感有耦合的Cuk變換器,優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出電流脈動(dòng)小,圖中由開(kāi)關(guān)T、二極管D和L1、C1構(gòu)成的電路既能實(shí)現(xiàn)DC/DC升壓變換又可實(shí)現(xiàn)降壓變換，稱為直流升壓降壓變換器，Cuk變換器。,3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,VG0, T管導(dǎo)通，D管截止,3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,VG=0, T管阻斷，D管導(dǎo)通,3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,VG=0, T管阻斷，D管截止,Cuk電路在不同工作情況下的波形圖,小結(jié)：不同變換器比較,第一象限： Ud0, Id0,第二象限： Ud0, Id0,第三象限： Ud 0, Id 0,第四象限： Ud 0,3.4 兩象限、四象限直流直流變換器,直流電機(jī)電樞繞組的反電勢(shì)Ea與其勵(lì)磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比：,電樞電壓平衡方程為：,轉(zhuǎn)速高低由電樞電壓的大小決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓的方向決定。,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：,轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流的大小決定，轉(zhuǎn)矩方向由電樞電流的方向決定。,轉(zhuǎn)矩方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相同為電動(dòng)狀態(tài)，反之為制動(dòng)狀態(tài),直流電動(dòng)機(jī)的特性,直流電機(jī)的四象限運(yùn)行,3.4.1 兩象限直流直流變換器,UAB始終大于零,工作狀態(tài)：,iAB可正可負(fù),電機(jī)轉(zhuǎn)向始終為正,電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù) 電動(dòng) 制動(dòng),工作模式：,降壓（將Vd的電壓降低后送到負(fù)載）,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,正向,電機(jī)運(yùn)行于正向電動(dòng)狀態(tài)，能量由輸入直流電源供向負(fù)載。,(b)降壓變換電路,第一象限工作,3.4.1 兩象限直流直流變換器,工作模式：,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,負(fù)向,電機(jī)運(yùn)行于正向制動(dòng)狀態(tài)，能量由負(fù)載向直流輸入電源回饋。,升壓（將負(fù)載的電壓升高后向Vd回饋電能）,(c)升壓變換電路,3.4.1 兩象限直流直流變換器,第二象限工作,3.4.2 四象限直流直流變換器,3.4.2 四象限直流直流變換器,第三、四象限運(yùn)行等效電路,工作模式：,降壓（將Vd的電壓降低后送到負(fù)載）,輸出電壓方向：,反向（VAB0）,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,反向,電機(jī)運(yùn)行于反向電動(dòng)狀態(tài)，能量由直流輸入電源供向負(fù)載。,第三象限工作,3.4.2 四象限直流直流變換器,工作模式：,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,反向,電機(jī)運(yùn)行于反向制動(dòng)狀態(tài)，能量由負(fù)載供向直流輸入電源。,升壓（將負(fù)載的電壓升高后向Vd回饋電能）,3.4.2 四象限直流直流變換器,第四象限工作,*3.5 多相、多重直流直流變換器,把幾個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本變換器適當(dāng)組合可以構(gòu)成另一種復(fù)合型直流直流變換器，稱為多相、多重直流直流變換器。 假定復(fù)合型變換器中開(kāi)關(guān)管控制周期為T(mén)S，開(kāi)關(guān)頻率為f，如果一個(gè)TS周期中電源側(cè)電流iS(t)脈動(dòng)n次，即iS(t)脈動(dòng)頻率為nf，則稱之為n相變換器。 如果一個(gè)TS周期中負(fù)載電流i0(t)脈動(dòng)m次，即i0(t)脈動(dòng)頻率為mf，則稱之為m重變換器。,三相、三重復(fù)合型直流直流變換器原理,3.6 帶隔離變壓器的DC-DC變換器,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器 3.6.2 隔離型Buck-Boost變換器單端反激變換器 *3.6.3 隔離型Cuk變換器,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器,單端變換器變壓器磁通僅在單方向變化 正激變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將能量直接傳送給負(fù)載,(b) 單端正激DC/DC變換器,O,F,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器,N2、D2導(dǎo)電 N3、D1、D3截止,T導(dǎo)通：,Ton=DTs期間,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器,D2截止； i3將 N3感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)D3反送至電源，i3減小到零; iL 經(jīng)D1續(xù)流。,T截止：,Toff = (1-D)Ts期間,開(kāi)關(guān)管兩端的最大電壓,T兩端的反壓為：,Ton=DTs期間,磁通增量,Toff = (1-D)Ts期間,最大可能磁通減量,最大運(yùn)行導(dǎo)通比,通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5,因此T的反壓,最大運(yùn)行導(dǎo)通比,雙管正激變換器,T1和T2具有相同的占空比； T1、T2導(dǎo)通時(shí)，D1、D2反偏截止，電源通過(guò)變壓器向負(fù)載輸送能量 T1、T2截止時(shí)，iL經(jīng)D續(xù)流，變壓器激磁電流經(jīng)D1、D2返回電源，起去磁作用。 不需要專門(mén)的去磁繞組; 多一個(gè)開(kāi)關(guān)管；開(kāi)關(guān)管上承受的電壓僅為Vd，小于單管變換器。,3.6.2 隔離型Buck-Boost變換器單端反激變換器,反激變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在電感（變壓器）中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載 單端變換器變壓器磁通僅在單方向變化,(a)BuckBoost變換器,T導(dǎo)通時(shí)的關(guān)系式,N1*為正，D1截止 ，,T阻斷時(shí)的關(guān)系式,綜合通、斷兩種情況的關(guān)系式,在T阻斷期結(jié)束，T再次開(kāi)始導(dǎo)通的瞬間，電流從N2的轉(zhuǎn)到N1繞組的電流初值為i10 ，所以 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)在一個(gè)周期TS中增加的磁通應(yīng)等于減少的磁通量 ，所以得到輸出直流電壓平均值 N1繞組的最大電流：,關(guān)系式,N2繞組的最小電流 電流i2不斷流的條件i2min0，所以有,關(guān)系式,開(kāi)關(guān)管阻斷、D1導(dǎo)通時(shí)承受的正向電壓,+,+,雙管反激變換器,T1、T2同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)阻斷；導(dǎo)通時(shí)將電源能量?jī)?chǔ)存在變壓器中，阻斷時(shí)儲(chǔ)存的能量送給負(fù)載，原方繞組電流通過(guò)D1、D2和電源續(xù)流、去磁。 T1、T2所承受