第2.1章 基本的PWM變換器主電路拓?fù)?1.ppt

1、基本PWM變換器主電路拓?fù)?2.1.1 降壓斬波電路 2.1.2 升壓斬波電路 2.1.3 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 2.1.4 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路,理想的電力電子變換器,為獲得開關(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）開關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過渡過程時(shí)間均為零； （2）開關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無限大，漏電流為零； （3）電路中的電感和電容均為無損耗的理想儲(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。,Response of L and C,Inductor Volta

2、ge and Current in Steady State,Volt-seconds over T equal zero.,Capacitor Voltage and Current in Steady State,Amp-seconds over T equal zero.,當(dāng)分析電力電子電路時(shí)，有兩個(gè)重要的穩(wěn)態(tài)原理是很有用的，其一是在一周期內(nèi)；電抗器兩端的平均電壓在穩(wěn)態(tài)情況下為零。 電抗器L兩端的電壓是uL(t)，流過的電流是iL(t)。,按定義穩(wěn)態(tài)情況下iL(t0+T)必等于iL(t0)，因此,第二個(gè)重要的穩(wěn)態(tài)原理：在一周期中，流過電容器的平均電流為零。,2.1.1 降壓斬波電路,電路

3、結(jié)構(gòu),全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。,續(xù)流二極管,負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì),典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。,降壓斬波電路（Buck Chopper),2.1.1 降壓斬波電路,工作原理,圖 降壓斬波電路得原理圖及波形,t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。 t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。 通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。,2.1.1 降壓斬波電路,電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)數(shù)量關(guān)系,電流連續(xù),負(fù)載電壓平均值：,（ ）,（ ）,tonV通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間 a-導(dǎo)通占

4、空比,負(fù)載電流平均值：,2.1.1 降壓斬波電路,電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想。 基于“分段線性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析。 根據(jù)V處于通態(tài)和處于斷態(tài)，初始條件分: 電流連續(xù)CCM（Continuous Current Mode) 指電感電流在整個(gè)開關(guān)周期中都不為零； 電流斷續(xù)DCM（Discontinuous Current Mode） 指在開關(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。 電流臨界： 稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)： 指開關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。,基于“分段線性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析分析 V通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1，可列出如下方程：

5、,V斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2 ，可列出如下方程：,降壓斬波電路,降壓斬波電路,把式I10和I20用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得 上式表示了平波電抗器L為無窮大，負(fù)載電流完全平直時(shí)的負(fù)載電流平均值Io，此時(shí)負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。,負(fù)載電流斷續(xù)的情況： Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。,負(fù)載電流平均值為：,輸出電壓平均值為：,圖2-5 降壓斬波電路波形,濾波電感的作用： 對(duì)交流高頻電壓電流呈高阻抗，對(duì)直流暢通無阻 濾波電容的作用： 對(duì)直流電流阻抗為無窮大，對(duì)交流電流阻抗很小。 Q：如何選取LC？,vEo,圖2-3 降壓斬波電路原理圖,圖2-4 Buck變換器原理圖及不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖,圖

6、 Buck電路圖各點(diǎn)波形,電流連續(xù)時(shí),電流連續(xù)時(shí)只有兩種開關(guān)狀態(tài),(2) 開關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷, D管導(dǎo)通,(1) 開關(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)?,用電感電流表達(dá)式求變壓比M,T 導(dǎo)通、D截止 T 截止、D導(dǎo)通 穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流增量等于電感電流降量：,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)。,由于濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實(shí)際上就是輸出電壓的紋波電壓U0，U0的波形如圖所示。 因?yàn)閕c=iL-i0，當(dāng)ici0時(shí)，C充電，輸出電壓Uo升高；當(dāng)ici0時(shí)，C放電，輸出電壓Uo下降，假設(shè)負(fù)載電

7、流io的脈動(dòng)量很小而可以忽略，則ic=iL，即電感的峰峰脈動(dòng)電流IL即為電容C充放電電流。,電容充電電荷量即電流曲線與橫軸所圍的面積,在已知 Uc 、Vd、Vo和f的情況下根據(jù)上述公式可以確定C和L的值。 由上式可知，降低紋波電壓，除與輸入輸出電壓有關(guān)外，增大儲(chǔ)能電感L和濾波電容C可以起到顯著效果，提高電力半導(dǎo)體器件的工作頻率也能收到同樣的效果。,當(dāng)電感量小到一定值時(shí)，在t=T時(shí)刻，電感L中儲(chǔ)藏的能量剛剛釋放完畢，這時(shí) 。此時(shí)的電感量被稱為臨界電感，當(dāng)儲(chǔ)能電感L的電感量小于臨界電感時(shí)，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。 LC即為臨界電感值，式中RL為負(fù)載電阻。,濾波器電抗對(duì)諧波的阻抗為： L 濾波器電

8、容對(duì)諧波的阻抗為：1/C,如果：,各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。 直流量通過濾波器時(shí)其大小不受任何影響。,濾波,在開關(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,用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比,電容C在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：,輸出電壓波動(dòng)量,電感電流斷流時(shí)工作特性,1）. 三種開關(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,DCM三種工作狀態(tài)： Q導(dǎo)通，電感電流iL從零增長(zhǎng)到 ； Q關(guān)斷，二極管D續(xù)流，iL從 降到零； Q和D均截止，在此期間iL保持為零，負(fù)載電流由

9、輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)三種不同的電路結(jié)構(gòu)，如圖所示。 Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量為 Q截止后，電感電流從最大值線性下降，在 時(shí)刻下降到零，其減小量為：,電感電流增長(zhǎng)量和電感電流減小量在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)相等： 電感電流連續(xù)時(shí)， ，電感電流斷續(xù)時(shí)， 變換器輸出電流等于電感電流平均值： 上式表明，電感電流斷續(xù)時(shí)， 不僅與占空比有關(guān)，而且與負(fù)載電流有關(guān)。,圖2-9 電感電流斷續(xù)時(shí)波形,P17 圖2-10,第三種狀態(tài) :T、D都截止。 變壓比,臨界連續(xù)時(shí)：,臨界負(fù)載電流,問題： BUCK電路中，L、C 對(duì)電感電流iL脈動(dòng)大小和輸出電容電壓uc的脈動(dòng)大小分別有何影響？,問題：比較CC

10、M和DCM工作時(shí)，電壓增益和電流增益公式，電感上電壓的差別。 問題：試述CCM和DCM工作的優(yōu)缺點(diǎn)。,問題： BUCK電路中，L、C 對(duì)電感電流iL脈動(dòng)大小和輸出電容電壓Uc的脈動(dòng)大小分別有何影響？,解： L I L ，C UC f I ，UC I ，UC 確定，則： f C ，L ,Buck電路MATLAB仿真,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)載電流無關(guān)。控制特性是線性的。 在電感電流斷流的情況下，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。,降壓斬波電

11、路的另種分析方法,從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo),由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為Io不變,電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為,在整個(gè)周期T中，負(fù)載消耗的能量為,輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。,一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。,降壓斬波電路的另種分析方法,2.1.2 升壓斬波電路（Boost Chopper）,保持輸出電壓,儲(chǔ)存電能,電路結(jié)構(gòu),1) 升壓斬波電路的基本原理,圖2-11 升壓斬波電路及工組波形,2.1.2 升壓斬波電路,工作原理 假設(shè)L和C值很大。 V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定

12、。 V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。,圖 升壓斬波電路及工組波形,a) 電路圖,b) 波形,2.1.2 升壓斬波電路,設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為 設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：,2.1.2 升壓斬波電路,電壓升高得原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住,如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即 ： 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。,輸出電流的平均值Io為：,（),電源電流的平均值Io為：,（),圖2-14 Boost電路

13、及不同開關(guān)狀況下等效電路,圖2-15 2-16 Boost電路各點(diǎn)工作波形,1) 電感電流連續(xù)模式CCM（Continuous current mode） 開關(guān)狀態(tài)1：Q導(dǎo)通 Q管導(dǎo)通，輸入電壓加到儲(chǔ)能電感L兩端，二極管D被反向截止，流過電感的電流： 開關(guān)狀態(tài)2：Q截止 Q管截止，二極管正向偏置而導(dǎo)通，電源功率和儲(chǔ)存在L中的能量通過二極管D輸送給負(fù)載和濾波電容C。此時(shí)流過電感的電流為：,只有Q管導(dǎo)通期間（內(nèi)）儲(chǔ)能電感L增加的電流等于Q管截止期間（內(nèi)）減少的電流，電路才能達(dá)到平衡。才能保證儲(chǔ)能電感中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率。解得： 當(dāng)占空比從零變到1時(shí)，輸出電壓從Ui變到任意大

14、。,變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,電感電流的脈動(dòng)量為：,通過開關(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,設(shè)負(fù)載阻抗Z=RL，從能量守恒定律出發(fā)，輸出電流IO=U0/RL，電感平均電流即為輸入電流IL=Ii：,電感電流的最大值： 電感電流的最小值： 電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。,當(dāng)電感量小到一定值時(shí)，在t=T時(shí)刻，電感L中儲(chǔ)藏的能量剛剛釋放完畢，這時(shí) ， 此時(shí)的電感量被稱為臨界電感，當(dāng)儲(chǔ)能電感L的電感量小于臨界電感時(shí)，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。,濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實(shí)際

15、上就是輸出電壓的紋波電壓。 若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，則在導(dǎo)通期間電容泄放電荷量應(yīng)等于在關(guān)斷期間電容充電電荷量，反映了電容峰-峰電壓脈動(dòng)量： 由此可知，降低紋波電壓，除與輸出電壓有關(guān)外，增大濾波電容C可以起到顯著效果，提高電力半導(dǎo)體器件的工作頻率也能收到同樣的效果。,Boost變換器在電感電流斷續(xù)時(shí)有三種開關(guān)狀態(tài)： Q導(dǎo)通，電感電流從零增長(zhǎng)到ILMAX； Q關(guān)斷，二極管D續(xù)流，電感電流從ILMAX降到零； Q和D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)等效電路如圖所示。 Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量為： Q截止后，電感電流從ILMAX線性下降，并在 時(shí)刻下降到零

16、，即：,2）電感電流斷續(xù)工作方式 DCM（Discontinuous current mode）,2）電感電流斷續(xù)工作方式 DCM（Discontinuous current mode）,2）電感電流斷續(xù)工作方式DCM,2）電感電流斷續(xù)時(shí)輸出、輸入電壓比,變壓比和電壓、電流基本關(guān)系,輸出電壓脈動(dòng)等于開關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量，U0可近似地由下式確定,理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小,電感電流斷流時(shí)工作特性波形,三種開關(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,三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG0, T管導(dǎo)通,D截止,三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG=0, T管阻斷，D導(dǎo)通,三

17、種開關(guān)狀態(tài)與變壓比,VG=0, T管阻斷，D管截止,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,Boost變換器輸出電壓外特性,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(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。 因此沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作。,Boost電

18、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。,2.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper),電路結(jié)構(gòu),圖2-19 升壓斬波電路,2.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,基本工作原理,a),圖2-19 升降壓斬波電路及其波形 a）電路圖 b）波形,V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。 V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。,2.1.3升降

19、壓斬波電路和Cuk斬波電路,數(shù)量關(guān)系,穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,（ ）,V處于通態(tài) uL = E,V處于斷態(tài) uL = - uo,2.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,圖2-4b中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：,（ ）,由上式得：,（ ）,結(jié)論,當(dāng)0 1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2 1時(shí)為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。,其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。,（ ）,Buck-Boost電路 圖2-19 為Buck-Boost電路原理圖，它即能夠工作在B

20、uck型，又能夠工作在Boost型。 它的輸入電壓極性與輸出電壓極性相反，輸入為正時(shí)輸出為負(fù)，在Buck和Boost變換器中存在一個(gè)能量從電源流入負(fù)載的期間，而在Buck-Boost變換器中，能量首先儲(chǔ)存在電感中，然后再由電感向負(fù)載釋放能量。,圖2-20 Buck-Boost電路原理圖,1)、電感電流連續(xù)模式CCM（Continuous current mode） 在電感電流連續(xù)條件下，工作于圖2-20所示的兩種狀態(tài)。 狀態(tài)1：Q導(dǎo)通 Q管導(dǎo)通，二極管D反偏關(guān)斷，能量從輸入電源流入，并存儲(chǔ)在電感L中，L上的電壓上正下負(fù)，等于輸入電壓，此時(shí)負(fù)載電流由慮波電容C提供。,在ton期間內(nèi)電感電流的增量

21、為：,狀態(tài)2：Q關(guān)斷 在t=ton時(shí)刻，Q關(guān)斷，由于電感中電流不能突變，L上呈現(xiàn)的感應(yīng)電勢(shì),當(dāng)該感應(yīng)電勢(shì)超過輸出電壓UO時(shí)，二極管導(dǎo)通，電感L上存儲(chǔ)的能量通過D向負(fù)載和電容C釋放，補(bǔ)充了電容C在ton期間損失的能量，負(fù)載電壓極性與輸入電壓極性相反。 電流按線性規(guī)律直線下降，電感電流的減少量為,狀態(tài)2：Q關(guān)斷 顯然，電路平衡時(shí)，才能保證儲(chǔ)能電感L中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率。因此電流在開通和關(guān)斷期間變化相等，得輸出電壓平均值 改變占空比就能獲得所需的輸出電壓。,結(jié)論： 當(dāng)D=0.5時(shí)，U0=Ui； 當(dāng)D0.5時(shí)，U0Ui，為升壓型； 當(dāng)D0.5時(shí)，U0Ui，為降壓型。 這樣，就可

22、以得到高于或低于輸入電壓的任何輸出電壓。在要求輸出電壓一定的情況下，容許輸入電壓有較大的變化都能夠工作。,假設(shè)電路中所有的器件為理想開關(guān)，即變換器無功率損耗，輸入功率等于輸出功率。 負(fù)載阻抗為 ： 由于輸入平均電流與電感平均電流有以下關(guān)系,Q管截止時(shí)承受的反向電壓為： Q管開通時(shí)，加于二極管D上的反向電壓為,2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuous current mode） 電感電流斷續(xù)工作時(shí)Book-Boost變換器有三種開關(guān)狀態(tài)： Q導(dǎo)通，電感電流從零增長(zhǎng)到最大值； Q關(guān)斷，二極管續(xù)流，電感電流從最大值降到零； Q和D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。 這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖2-22a、b、c所示。 Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量為： Q截止后，電感電流線性下降，并在 時(shí)刻下降到零，即：,2）電感電流斷續(xù)工作方式DCM,2）電感電流斷續(xù)時(shí)輸出、輸入電壓比,2.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路,2)