第03章 直流直流变换器

null第 3 章 直流/直流变换器第 3 章 直流/直流变换器3 直流/直流变换器3 直流/直流变换器3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器） *3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 *3.5 多相、多重直流/直流变换器 3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 小结3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 3.1.1 电路结构和降压原理 3.1.2 电感电流连续时工作特性 3.1.3 电感电流断流时工作特性如何实现降压变换？如何实现降压变换？3.1.1 电路结构和降压原理3.1.1 电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器 2.降压原理 3.控制方式 4.输出电压LC滤波1. 理想的电力电子变换器1. 理想的电力电子变换器 为获得开关型变换器的基本工作特性，简化，假定的理想条件是： （1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零； （2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零； （3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。2. 降压原理2. 降压原理对开关管T加驱动信号VG ,开关周期为TSVG>0, T管导通VG>0, T管导通VG=0, T管阻断VG=0, T管阻断输出电压输出电压变压比为Mn次谐波幅值 输出电压的直流平均值 将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中3.控制方式3.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，即可改变变压比M, 调节或控制输出电压VO。 (1) 脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度 (2) 脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脉宽 不变，改变开关频率或周期。 Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？4.输出电压LC滤波4.输出电压LC滤波滤波电感的作用： 对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻 滤波电容的作用： 对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。 Q：如何选取LC？直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。 3.1.2 电感电流连续时工作特性 3.1.2 电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况： （1）电感电流连续模式 CCM(Continuous Current Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零； （2）电感电流断流模式 DCM（Discontinuous Current Mode）： 指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。 二者的临界： 称为电感电流临界连续状态： 指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。1.电流连续时只有两种开关状态1.电流连续时只有两种开关状态(2) 开关状态2：T管阻断, D管导通(1) 开关状态1：T管导通,D管阻断Q: 电流连续模式跟哪些因素有关?2. 变压比、导通比的定义2. 变压比、导通比的定义 变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种推导。由此了解电力电子电路的分析方法导通比（占空比）：变压比 ：用波形积分的方法求变压比用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量V0为:用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数： 用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数： F(ωt)也可达为： 用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。 偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零； 半波对称(镜对称) 函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波?滤波滤波滤波器电抗对谐波的阻抗为： ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC如果：各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。 直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。用开关电路的稳态条件求变压比用开关电路的稳态条件求变压比 在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。 电感电流、电感磁链 电容电压、电容电荷电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为： 输出电压波动量用电感电流表达式求变压比用电感电流表达式求变压比T导通、D截止 T 截止、 D导通 稳态时：3.1.3 电感电流断流时工作特性3.1.3 电感电流断流时工作特性1. 三种开关状态和变压比 2. 临界负载电流 3. BUCK变换器输出电压外特性1.三种开关状态和变压比1.三种开关状态和变压比第三种状态 :T、D都截止。 变压比2. 临界负载电流2. 临界负载电流临界连续时：3. Buck变换器输出电压外特性3. Buck变换器输出电压外特性变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。 电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性的。 在电感电流断流的情况下，变压比M为(3-21)式，控制特性是非线性的。 外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。 例3.1例3.1图3.2(a)所示的Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=147～220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。3.2 直流-直流升压变换器（Boost变换器）3.2 直流-直流升压变换器（Boost变换器）3.2.1 电路结构和升压原理 3.2.2 电感电流连续时工作特性 3.2.3 电感电流断流时工作特性3.2.1 电路结构和升压原理3.2.1 电路结构和升压原理3.2.2 电流连续时的工作特性3.2.2 电流连续时的工作特性两种开关状态 变压比和电压、电流基本关系1.两种开关状态1.两种开关状态VG>0, T管导通,D阻断 1.两种开关状态1.两种开关状态VG=0, T管阻断2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比T导通,D截止T 阻断，D导通2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系T导通,D截止T 阻断，D导通理想Boost变换器的变压比2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系假定负载电流平均值为IO输入电流和电感电流的电流平均值均为： 通过二极管的电流ID等于负载电流IO （电容的平均电流为零） 通过开关管T的电流平均值为：工作电流的平均值表达式2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系电感电流的脉动量为： 通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：工作电流的其他表达式2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系 输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定理想Boost变换器输出电压纹波的大小2. 变压比和电压、电流基本关系2. 变压比和电压、电流基本关系 T和D所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压3.2.3 电感电流断流时工作特性3.2.3 电感电流断流时工作特性三种开关状态和变压比 临界负载电流 Boost变换器输出电压外特性1.三种开关状态与变压比1.三种开关状态与变压比VG>0, T管导通,D截止 1.三种开关状态与变压比1.三种开关状态与变压比VG=0, T管阻断，D导通1.三种开关状态与变压比1.三种开关状态与变压比VG=0, T管阻断，D管截止 2. 临界负载电流2. 临界负载电流临界负载电流当负载电流IO>IOB,电感电流连续 当负载电流IO=IOB ,电感电流处于连续与断流的边界当负载电流IO0, T管导通，D管截止3.3.1 电路结构和工作原理3.3.1 电路结构和工作原理VG=0, T管阻断，D管导通3.3.1 电路结构和工作原理3.3.1 电路结构和工作原理VG=0, T管阻断，D管截止Cuk电路在不同工作情况下的波形图Cuk电路在不同工作情况下的波形图小结：不同变换器比较小结：不同变换器比较3.4 两象限、四象限直流—直流变换器3.4 两象限、四象限直流—直流变换器第一象限： Ud>0, Id>0第二象限： Ud>0, Id<0第三象限： Ud < 0, Id < 0 第四象限： Ud < 0, Id>0直流电动机的特性直流电动机的特性直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速N的乘积成正比： 电枢电压平衡方程为：转速高低由电枢电压的大小决定，转速方向由电枢电压的方向决定。 电机的转矩方程为：转矩大小由电枢电流的大小决定，转矩方向由电枢电流的方向决定。 转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态直流电机的四象限运行直流电机的四象限运行3.4.1 两象限直流—直流变换器3.4.1 两象限直流—直流变换器UAB始终大于零工作状态：iAB可正可负电机转向始终为正电磁转矩可正可负 电动 制动3.4.1 两象限直流—直流变换器3.4.1 两象限直流—直流变换器工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向 电机运行于正向电动状态，能量由输入直流电源供向负载。(b)降压变换电路第一象限工作3.4.1 两象限直流—直流变换器3.4.1 两象限直流—直流变换器工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向 电机运行于正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路第二象限工作3.4.2 四象限直流—直流变换器 3.4.2 四象限直流—直流变换器 3.4.2 四象限直流—直流变换器3.4.2 四象限直流—直流变换器第三、四象限运行等效电路3.4.2 四象限直流—直流变换器3.4.2 四象限直流—直流变换器工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：反向（VAB<0）输出电压大小：输出电流方向：反向 电机运行于反向电动状态，能量由直流输入电源供向负载。第三象限工作3.4.2 四象限直流—直流变换器3.4.2 四象限直流—直流变换器工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：反向 电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）第四象限工作*3.5 多相、多重直流—直流变换器 *3.5 多相、多重直流—直流变换器 把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合型直流—直流变换器，称为多相、多重直流—直流变换器。 假定复合型变换器中开关管控制周期为TS，开关频率为f，如果一个TS周期中电源侧电流iS(t)脉动n次，即iS(t)脉动频率为nf，则称之为n相变换器。 如果一个TS周期中负载电流i0(t)脉动m次，即i0(t)脉动频率为mf，则称之为m重变换器。 三相、三重复合型直流—直流变换器原理三相、三重复合型直流—直流变换器原理3.6 带隔离变压器的DC-DC变换器3.6 带隔离变压器的DC-DC变换器3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器 3.6.2 隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器 *3.6.3 隔离型Cuk变换器3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器单端变换器——变压器磁通仅在单方向变化 正激变换器——开关管导通时电源将能量直接传送给负载(b) 单端正激DC/DC变换器OF3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器N2、D2导电 N3、D1、D3截止T导通：Ton=DTs期间3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器3.6.1 隔离型Buck变换器—单端正激变换器 D2截止； i3将 N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零; iL 经D1续流。T截止：Toff = (1-D)Ts期间 开关管两端的最大电压开关管两端的最大电压T两端的反压为：最大运行导通比最大运行导通比Ton=DTs期间 磁通增量 Toff = (1-D)Ts期间 最大可能磁通减量 最大运行导通比最大运行导通比通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5 因此T的反压 双管正激变换器双管正激变换器T1和T2具有相同的占空比； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量 T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。 不需要专门的去磁绕组; 多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器。3.6.2 隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器3.6.2 隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器反激变换器——开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载 单端变换器——变压器磁通仅在单方向变化(a)Buck－Boost变换器T导通时的关系式T导通时的关系式N1*为正，D1截止 ，T阻断时的关系式T阻断时的关系式综合通、断两种情况的关系式综合通、断两种情况的关系式在T阻断期结束，T再次开始导通的瞬间，电流从N2的转到N1绕组的电流初值为i10 ，所以 稳态运行时在一个周期TS中增加的磁通应等于减少的磁通量 ，所以得到输出直流电压平均值 N1绕组的最大电流：关系式关系式N2绕组的最小电流 电流i2不断流的条件i2min≥0，所以有关系式关系式开关管阻断、D1导通时承受的正向电压++双管反激变换器双管反激变换器T1、T2同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储存在变压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方绕组电流通过D1、D2和电源续流、去磁。 T1、T2所承受的最高电压仅为电源电压Vs 例3.3 例3.3 设计图3.12(b)所示的单端反激DC/DC变换器。输入直流电压Vs=12V±10%，开关频率fs=100KHz，额定负载电流1A，最小负载电流0.1A，要求输出电压Vo恒定为48V，电压纹波小于1%。假定开关管T及二极管D1通态电压降均为1V。计算变压器变比N2/N1，计算必须的电感L1，确定C值并选择开关管T及二极管D1。 关于单端反激变换器的小结关于单端反激变换器的小结在负载为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。 不需要专门的去磁绕组，电路简单。 依靠变压器绕组电感在开关T阻断时释放存储的能量而对负载供电，磁通也只在单方向变化，因此通常仅用于100-200W以下的小容量DC/DC变换（如控制系统所需的辅助电源 ）。 双管单端反激变换器多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vs，小于单管变换器。 *3.6.3 隔离型Cuk变换器*3.6.3 隔离型Cuk变换器 电源和负载之间有电气隔离的Cuk型变换器如图3.13(b)所示，将图3.13(a)中非隔离Cuk变换器中的电容一分为二，令其值足够大以致电容电压在一个开关周期中近似恒定不变，之间插入一个变压器，变压器的原方绕组、副方绕组的同名端如图3.13(b)中所示,则图3.13(b)完全等效于图3.13(a)，两者的所有特性完全相同。 小结小结M>D输出电压 变压比Buck电路Boost电路Cuk电路电流连续时电流不连续时