合肥工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)第七講第三章

1、12345復(fù)合型復(fù)合型DCDCDCDC變換器變換器 變壓器隔離型變壓器隔離型DC/DCDC/DC變換器變換器本章小結(jié)本章小結(jié) 6學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)DC-DCDC-DC變換器換流及其特性分析變換器換流及其特性分析 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 基本內(nèi)容7本章習(xí)題本章習(xí)題 DC-DC變換器（DC-DC converter）是指能將一定幅值的直流輸入電壓（或電流）變換成一定幅值的直流輸出電壓（或電流）的電力電子裝置，主要應(yīng)用于直流電壓變換（升壓、降壓、升降壓等）、開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機驅(qū)動等場合。 當(dāng)DC-DC變換器輸入為電壓源，并完成電壓電壓變換 時，稱之為DC-DC電壓變換

2、器 當(dāng)DC-DC變換器輸入為電流源，并完成電流電流變換 時，稱之為DC-DC電流變換器 （習(xí)慣上所稱的DC-DC變換器常指DC-DC電壓變換器 ）學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 理論上，按其變換功能可將DC-DC變換器分為以下4種基本類型：u 降壓型（減流型）DC-DC變換器， 簡稱buck變換器u 升壓型（增流型）DC-DC變換器， 簡稱boost變換器u 升降壓型（增減流型）DC-DC變換器， 簡稱boostbuck 變換器u 降升壓型（減增流型）DC-DC變換器， 簡稱buckboost變換器學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 工程上，依據(jù)DC-DC變換器是否需要電氣隔離，又可將其分為： u 有變壓器的

3、隔離型DC-DC變換器u 無變壓器的非隔離型DC-DC變換器 為討論方便，本章所簡稱的buck變換器、boost變換器、buckboost變換器及boostbuck變換器，除特加說明外，一般均指無隔離變壓器的非隔離型DC-DC變換器。由于非隔離型DC-DC變換器是DC-DC變換器的基礎(chǔ)，因此，本章首先著重討論非隔離型DC-DC變換器的基本原理及其特性，然后介紹隔離型DC-DC變換器的基本原理及其特性。 3.1 DC-DC3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 如圖所示，在變壓器的一次繞組施加交流電壓u1時，鐵芯內(nèi)磁通就變化，在二次繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。如果設(shè)一、二次繞組匝數(shù)為w

4、1、w2時，在二次繞組中產(chǎn)生的電壓可用下式表達：u1u2w1w2)w/w(uu)dt/d(wu)dt/d(wu12122211如何改變直流電壓？3.1 DC-DC3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 如左圖所示。通過串聯(lián)可變電阻改變直流電壓。R，則uL； R ，則uL 。 在串聯(lián)電阻中也流過與負載電阻電流相同的電流，將產(chǎn)生大的損耗。 使用開關(guān)器件，將直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖的形式，把這些脈沖組合在一起就得到了輸出電壓。無需加入電阻，降低損耗 由于輸出電壓由一系列脈沖組成，波形看上去就好像被周期性的斬切了一樣。所以稱為直流斬波器。 工程上，一般將以開關(guān)管按一定控制規(guī)律調(diào)制且無變壓器隔離的

5、DC-DC變換器或輸入輸出頻率相同的AC-AC變換器統(tǒng)稱為斬波器斬波器（Chopper） 當(dāng)完成AC-AC變換時，稱之為交流斬波器交流斬波器（AC Chopper）；而當(dāng)完成DC-DC變換時，則稱之為直流斬直流斬波器波器（DC Chopper） 這種開關(guān)管按一定調(diào)制規(guī)律通斷的控制為斬波控制斬波控制 3.1 DC-DC3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)3.1 DC-DC3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 斬波控制斬波控制按開關(guān)管調(diào)制規(guī)律的不同主要分為2種：u脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM， Pulse Width Modulation ） 這種控制方式是指開關(guān)

6、管調(diào)制信號調(diào)制信號的周期固定不變周期固定不變，而開關(guān)管導(dǎo)通信號導(dǎo)通信號的寬度可調(diào)寬度可調(diào)u脈沖頻率調(diào)制（脈沖頻率調(diào)制（PFM） 這種控制方式是指開關(guān)管導(dǎo)通導(dǎo)通信號信號的寬度固定不變寬度固定不變，而開關(guān)管調(diào)制信號調(diào)制信號的頻率可調(diào)頻率可調(diào) 在以上2種調(diào)制方式中，脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式是電力電子開關(guān)變換器最常用最常用的開關(guān)斬波控制方式，也是本章討論所涉及的主要開關(guān)控制方式。3.1 DC-DC3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)直流斬波器實際上是一類基本的DC-DC變換器，按其直流輸入輸出相關(guān)量的大小關(guān)系（升、降、升-降、降-升），這種基本的DC-DC變換器可分為

7、： buck型型 DC-DC變換器變換器 boost 型型 DC-DC變換器變換器 boost-buck型型 DC-DC變換器變換器 buck-boost型型 DC-DC變換器變換器 DC-DC變換器主要完成電壓變換電壓變換或電流變電流變換換功能，那么如何完成這一變換呢？3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)DC-DC電壓變換原理電路及輸入、輸出波形 圖3-1a為基本的DC-DC電壓變換原理電路，從圖中可以看出：輸入電壓源Ui通過開關(guān)管VT與負載RL相串聯(lián)串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓，UoUi；而當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷

8、關(guān)斷時，輸出電壓等于零，Uo0。得到的基本電壓變換電路的輸出電壓波形如圖3-1c所示。顯然，若令輸出電壓的平均值為Uo則UoUi ，可見，圖3-1a所示的電壓變換電路實現(xiàn)了降壓型DC-DC變換器（buck電壓變換器電壓變換器）的基本變換功能3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 問題的提出 圖3-1a所示的原理電路實現(xiàn)了基本的buck型電壓變換，但 buck型電壓變換電路的輸出電壓是脈動的輸出電壓是脈動的，如何進行改進？為了減小輸出電壓脈動幅度，可以考慮在電路中加入適當(dāng)?shù)臑V波環(huán)節(jié)濾波環(huán)節(jié)（提示：電容電壓不突變，可用于濾平電壓脈動。）3

9、.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 為抑制輸出電壓脈動抑制輸出電壓脈動，可在圖3-1a所示的基本原理電路中加入輸出濾波元件輸出濾波元件（如：電容C）如圖3-2a所示 3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)問題的提出分析已加入濾波環(huán)節(jié)的DC-DC電壓電流變換器u輸出濾波元件輸出濾波元件的加入必然使變換電路中開關(guān)管VT的電壓、電壓、電流應(yīng)力增加電流應(yīng)力增加u圖3-2a所示的DC-DC去脈動電壓變換器電路中，由于UoUi，當(dāng)開關(guān)管 VT導(dǎo)通 時，電容電容C將造成輸入輸出短路將造成

10、輸入輸出短路，以至于開關(guān)管VT流入很大的短路電流短路電流而毀壞？L3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 在圖3-2a所示的buck型DC-DC電壓變換電路中為了限制開限制開關(guān)管關(guān)管VT導(dǎo)通時的電流應(yīng)力導(dǎo)通時的電流應(yīng)力，則將緩沖電感緩沖電感L串入串入開關(guān)管VT的支路中3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 在上述改進基礎(chǔ)上，為了避免避免開關(guān)管VT關(guān)斷時緩沖電感關(guān)斷時緩沖電感L中電流的突變中電流的突變（減小電壓應(yīng)力），應(yīng)再加入續(xù)流二極管加入續(xù)流二極管VD（為電感釋放儲存的能量提

11、供通路，減緩電感電流變化率）如圖3-2c所示結(jié)構(gòu)較為完善的buck型電壓斬波器型電壓斬波器 DC-DC電流變換原理電路及輸入、輸出波形 3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 圖3-1b為基本的DC-DC電流變換原理電路，從圖中可以看出：輸入電流源Ii通過開關(guān)管VT與負載RL相并聯(lián)并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷關(guān)斷時，輸出電流等于輸入電流，即IoIi；而當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通導(dǎo)通時，輸出電流等于零，即Io0?；倦娏髯儞Q電路的輸出電流波形如圖3-1d所示。 顯然，若令輸出電流的平均值為Io，則IoIi ?？梢姡瑘D3-1b所示的電流變換電路實現(xiàn)了降流

12、型DC-DC變換器（buck電流電流變換器變換器）的基本變換功能 3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 問題的提出 圖3-1b所示的原理電路實現(xiàn)了基本的buck型電流變換，但 buck型電流變換電路的輸出電流輸出電流是脈動脈動的，如何進行改進？為了減小輸出電流的脈動幅度，也可以考慮在電路中加入適當(dāng)?shù)臑V波環(huán)節(jié)濾波環(huán)節(jié)（提示：電感中的電流不突變，可用于濾平電流脈動）L3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)為抑制輸出電流脈動抑制輸出電流脈動，可在圖3-1b所示的基本原理電路中加入

13、輸出濾波元件輸出濾波元件（如：電感L）如圖3-2b所示 3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)u圖3-2b所示的DC-DC去脈動電流變換器電路中，由于IoIi，當(dāng)開關(guān)管 VT斷開 時，電感電感L將將感應(yīng)出極高的電壓感應(yīng)出極高的電壓，從而使開關(guān)管VT過電壓過電壓而毀壞如何限制電壓電流應(yīng)力？為了限制開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力，可以考慮在電路中加入適當(dāng)?shù)木彌_環(huán)節(jié)緩沖環(huán)節(jié)（如緩沖電感，續(xù)流二極管，緩沖電容，箝位二極管）3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 在圖3-2b所示的buck型D

14、C-DC電流變換電路中，為了限制限制開關(guān)管開關(guān)管VT關(guān)斷時的電壓應(yīng)力關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，則將緩沖電容緩沖電容C并入并入開關(guān)管VT的兩端 C3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 為了避免開關(guān)管避免開關(guān)管VT導(dǎo)通時緩沖電容兩端電壓的突變導(dǎo)通時緩沖電容兩端電壓的突變（減少電流應(yīng)力），應(yīng)加入鉗位二極管加入鉗位二極管VD（阻止電容放電）如圖3-2d所示 結(jié)構(gòu)較為完善的buck型電流斬波器型電流斬波器 3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)DC-DC變換電路中的儲能元件儲能元件（電容、電

15、感）有濾波濾波與能量緩沖能量緩沖兩種基本功能：u濾波元件濾波元件常設(shè)置在變換器電路的輸入或輸出輸入或輸出u能量緩沖元件能量緩沖元件常設(shè)置在變換器電路的中間中間3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 針對 圖3-2c （圖3-2d）所示的DC-DC電壓（電流）變換電路u輸入側(cè)為恒壓（恒流）源輸入側(cè)為恒壓（恒流）源，因此電路輸入側(cè)無需濾波電電路輸入側(cè)無需濾波電容（電感）容（電感）u電路的輸出側(cè)輸出側(cè)則由于脈動脈動而需要濾波。需要濾波。即圖3-2c所示的電容C，圖3-2d所示的電感L均起濾波作用。電壓變換器與電流變換器是互補的結(jié)構(gòu)3.1.1

16、 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 一般將上述所加入的 如圖3-2 c）中的緩沖電感和續(xù)流二緩沖電感和續(xù)流二極管組成的電路極管組成的電路 或 如圖3-2 d）中的緩沖電容和鉗位二極緩沖電容和鉗位二極管組成的電路管組成的電路統(tǒng)稱為緩沖電路緩沖電路（或緩沖單元） 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)以上討論了buck型變換器的構(gòu)建，那么如何實現(xiàn)升壓型（boost）的電壓變換和升流型（boost）的電流變換呢？ 若考慮變換器輸入、輸出能量的不變性輸入、輸出能量的不變性（忽略電路及元

17、件的損耗），則buck型電壓變換器在完成降壓降壓變換的同時同時也完成了升流升流（boost）變換。同理buck型電流變換器在完成降流降流變換的同時同時也完成了升壓升壓（boost）變換。 boost型電壓變換和buck型電流變換以及boost型電流變換和buck型電壓變換存在功功能上的對偶性能上的對偶性。若已知某種升（降）壓電壓變換器電路則相應(yīng)的降（升）流電流變換器電路可以利用對偶原理對偶原理求出 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 從圖3-2c所示的buck型電壓變換器電路出發(fā)，便可以導(dǎo)出boost型電流變換器電路 1)將輸

18、入電壓源轉(zhuǎn)化為電流源將輸入電壓源轉(zhuǎn)化為電流源當(dāng)變換器電路中開關(guān)管的開關(guān)管頻率足夠高時，圖3-2c所示的buck型電壓變換器電路中的輸入電壓源支路電壓源支路可以用 并聯(lián)并聯(lián)電容的電流源電容的電流源 （Ci、Ii） 支路支路取代取代，如圖3-3b所示 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 2) 若令變換器電路中的開關(guān)管、二極管、電容、電感均為理想無損元件時，則圖3-3b所示電路的輸入功率等于輸出功率即：Ui* IiUo*Io。由于該變換器電路的降壓變換功能，使UoUi ，因此，IoIi boost型電流變換器電路 Uo Io 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 3)考慮到3-3b所示電路中濾波電感L的穩(wěn)流作用以及該電路的電