電力電子技術(shù)直流變換

1、第五章DC-DC變換技術(shù)DC-DC有什么用？如何變換？v電壓，電流v降壓與升壓降壓電路的兩種方式LLoIRV 特點：v開關(guān)調(diào)節(jié)模式與線性調(diào)節(jié)模式相比具有明顯的特點：v1、功耗小、效率高。在DC-DC變換中，電力半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，工作頻率很高，目前這個工作頻率已達到數(shù)百甚至1000KHz，這使電力半導(dǎo)體器件功耗減少、效率大幅度提高。v2、體積小、重量輕。由于頻率提高，使脈沖變壓器、濾波電感、電容的體積、重量大大減小，同時，由于效率提高，散熱器體積也減小。還由于DC-DC變換無笨重的工頻變壓器，所以DC-DC變換體積小、重量輕。v3、穩(wěn)壓范圍寬。目前DC-DC變換中基本使用脈寬調(diào)制（PWM

2、）技術(shù)，通過調(diào)節(jié)脈寬來調(diào)節(jié)輸出電壓，對輸入電壓變化也可調(diào)節(jié)脈寬來進行補償，所以穩(wěn)壓范圍寬。vDC-DC變換分類： 1）按激勵方式劃分。由于電力半導(dǎo)體器件需要激勵信號，按激勵方式劃分為它激式和自激式兩種方式。2） 按調(diào)制方式劃分。目前在變換中常使用脈寬調(diào)制（PWM）和頻率調(diào)制（PFM）兩種方式。3）按儲能電感與負載連接方式劃分?？煞譃榇?lián)型和并聯(lián)型兩種。4）按電力半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中是否承受電壓、電流應(yīng)力劃分。可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)。所謂軟開關(guān)是指電力半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中承受零電壓（ZVS）或零電流（ZIS）。5）按輸入輸出電壓大小劃分?？煞譃榻祲盒秃蜕龎盒?。6）按輸入與輸出之間是否有電氣隔離

3、劃分?？煞譃楦綦x型和不隔離型。降壓斬波電路（Buck） 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。v工作原理工作原理t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。v數(shù)量關(guān)系：若LR，則流過L的電流I在VT通和斷時保持不變，則有：RTItEI2LonL負載上的輸出平均電壓Ud=？RTIEtLonEETtondUT不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM

4、）。ton不變，變T 頻率調(diào)制。ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。斬波電路三種控制方式EETtondUContinuouspowerguiv+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementSeries RLC BranchScopeRPulseGeneratornode 10gmdsMosfetDiodeDC Voltage Sourcei+-Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementCBuck電路MATLAB仿真 升壓

5、斬波電路（升壓斬波電路（Boost Chopper）保持輸保持輸出電壓出電壓儲存電能儲存電能 電路結(jié)構(gòu)1) 升壓斬波電路的基本原理v工作原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jul-2000Sheet of File:D:licircuitlihong.ddbDrawn By:QDLCZVduciCioBoost電路圖iLQDLCZVduciCioiLQDLC

6、ZVduciCioiLQDLCZVduciCioiLbQ導(dǎo)通Q關(guān)斷Q關(guān)斷時電感電流為零adcv數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：off1otIEU ontEI1EtTEtttUoffoffoffonooffoontIEUtEI11)(化簡得： T/toff1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b ，即。 b和a的關(guān)系：因此也可表示為 off/tT1EEU111oTtoffv電壓升高得原因： 電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果

7、忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載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。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUI1oo電源電流的平均值I1為：REIEUI2oo11 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 (buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)v基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL升降壓斬波電路及其波形a）電路圖 b）波形V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波

8、電路。v數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffonoV處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE 結(jié)論當(dāng)0 a 1/ /2時為降壓，當(dāng)1/ /2 a 1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost 變換器。例1.在圖所示的降壓斬波電路中，已知E200V，R=10 ，L值極大，Em=30V 。采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=50us， ton=20us 時，計算輸出電壓平均值Ud 輸出電流平均值Id。例2.畫出升壓斬波電路，其中已知 E=50V ,L值和C值極大，R

9、=20 ，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng) T=40us , ton=25us 時，計算輸出電壓平均值U0 輸出電流平均值I0。 Cuk Cuk電路電路v由于Buck-Boost變換器的電感L在中間，其輸入和輸出電流的脈動都很大。針對這一缺點，美國加州理工大學(xué)的Slobdan Cuk教授提出了單管Cuk變換器，該變換器使用了兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，從而減小了電流脈動。vCuk變換器的電路形式如圖所示，其中L1、L2為儲能電感，Q為功率開關(guān)管，D為續(xù)流二極管，C為傳輸能量的耦合電容。vCuk變換器能夠提供一個反極性、不隔離的輸出電壓，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，而且其輸入電流和輸出電流都

10、是連續(xù)的、非脈動的，這些特點使Cuk變換器有著廣闊的應(yīng)用前景。工作原理工作原理V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流。V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。圖3-5 Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Sep-2000 Sheet of File:D:licircuitlihong.ddbDrawn By:QDLC2ZVduciC2ioQ導(dǎo)通iL1bLCiC1121+-QDLC2ZVdu

11、ciC2ioCuk電路圖iL1aLCiC1iD121+-QDLC2ZVduciC2ioQ關(guān)斷iL1cLCiD121+-QDLC2ZVducQ關(guān)斷時二極管電流為零dLC121+-v同理：數(shù)量關(guān)系Tti0C0dV處于通態(tài)的時間ton，則電容電流和時間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時間toff，則電容電流和時間的乘積為I1 toff。由此可得：off1on2tItI1onononoff12ttTttIIEEtTtEttU1ononoffono 優(yōu)點優(yōu)點（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很 小，有利于對輸入、輸出進行濾波。隔離的DC-DC變換器原理v在實際應(yīng)用中，

12、有許多場合需要輸出電壓和輸入電壓隔離，或需要多路輸出，此時需要高頻變壓器來完成這些功能。 1、 單端DC-DC變換器原理及設(shè)計 v上一節(jié)介紹的四種基本類型的變換器加上變壓器隔離后，可以引申出各種類型的單端變換器：Buck型引申為Forward型（單端正激）變換器；Boost型引申為Fly-back型（單端反激）變換器 。v1）Fly-back（單端反激）變換器原理v Fly-back（單端反激）變換器原理圖如圖所示。在工作過程中，變壓器起了儲能電感的作用，實際上是耦合電感，用普通導(dǎo)磁材料作鐵芯時，鐵芯必須留有氣隙，保證在最大負載電流時鐵芯不會飽和。Fly-back（單端反激）變換器由于電路簡單

13、，所用器件少，適于多路輸出場合應(yīng)用。123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-M ar-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 DISANTUDrawn B y:VC CTQD1CRN1 N2ipisVO*v等效電路如圖所示，功率晶體管的門極被激勵而導(dǎo)通時，輸入電壓加到變壓器的初級繞組兩端，由于變壓器對應(yīng)的極性，次級繞組下正上負，二極管截止，次級繞組中沒有電流流過，負載電流由濾波電容提供。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Mar-2001Sh

14、eet of File:F:李宏電路圖DISANTUDrawn By:VINTQD1CRN1 N2VO*VINTQD1CRN1 N2VO*VINTQD1CRN1 N2VO*abcFly-back變換器不同開關(guān)狀態(tài)的等效電路圖工作原理工作原理v功率晶體管Q截止，原邊繞組開路，次級繞組的電壓極性上正下負，二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)通期間儲存在變壓器中的能量通過二極管向負載釋放，同時向電容充電。數(shù)量關(guān)系v主要研究Vin與Vo之間的關(guān)系由能量守恒觀點可知：offoonintIVtIV21inoffonoVtItIV21ininononinoffonoVnnVtTtnnVttIIV1121221v2 2）Forw

15、ardForward（單端正激）變換器（單端正激）變換器vForward變換器（單端正激變換器）實際上是在降壓式BUCK變換器中插入隔離變壓器而成v下圖給出了輸入端接復(fù)位繞組的單端正激變換器的主電路。開關(guān)管Q按PWM方式工作，D1是輸出整流二極管，D2是續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。變壓器有三個繞組，W1原邊繞組，W2副邊繞組，W3復(fù)位繞組，符號*表示繞組同名端。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:D3D1D2VINT

16、QCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf(a)Q導(dǎo)通(b)Q關(guān)斷(c)Q關(guān)斷，磁復(fù)位完成（a ）Q導(dǎo)通（b） Q 關(guān)斷，變壓器磁復(fù)位

17、（c ）Q 關(guān)斷工作原理工作原理1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf(a)Q導(dǎo)通(b)Q關(guān)斷(c)Q關(guān)斷，磁復(fù)位完成（a ）Q導(dǎo)通（b） Q 關(guān)斷，變壓器磁復(fù)位（c ）Q 關(guān)斷因為線圈通過的是

18、單向脈動激磁電流，如果沒有每個周期都作用的去磁環(huán)節(jié)，剩磁通的累加可能導(dǎo)致出現(xiàn)飽和。這時開關(guān)導(dǎo)通時電流很大；斷開時，過電壓很高，導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。正激變換器變壓器鐵芯的磁復(fù)位有許多方法，在輸入端接復(fù)位繞組是最常用的方法。復(fù)位繞阻的作用復(fù)位繞阻的作用剩余磁通實質(zhì)是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉(zhuǎn)移到別處，就是磁芯復(fù)位的任務(wù)。具體的磁芯復(fù)位線路可以分成兩種：一種是把鐵芯殘存能量自然的轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的電子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端；另一種是通過外加能量的方法強迫鐵芯的磁狀態(tài)復(fù)位。下圖中的復(fù)位繞組就是將變壓器鐵芯的儲能反饋到輸入電源1234ABCD4321DCBATitl

19、eNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W*+-uuuw1w2w3VO+-iLf(a)Q導(dǎo)通(b)Q關(guān)斷(c)Q關(guān)斷，磁復(fù)位完成（a ）Q導(dǎo)通（b） Q 關(guān)斷，變壓器磁復(fù)位（c ）Q 關(guān)斷數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系v設(shè)變壓器原邊的電流為I1，副邊的電流為I2，則有v輸入能量為：v輸出能

20、量為：onintIV1TIVo2TIVtIVoonin21inonoVTtIIV21ininonoVWWVTtIIV1221P1513 3）半橋式）半橋式DC-DCDC-DC變換器變換器v半橋變壓器是由半橋逆變器、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，因而也屬于直流-交流-直流變換器。123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-Jan-2002Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 LIHONG2.ddbDrawn B y:Q2Q1C1C2D1D2TrLW1W21W22*lkABDDLCRffLDR1R2VOinV工作原理工

21、作原理123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-Jan-2002Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 LIHONG2.ddbDrawn B y:Q2Q1C1C2D1D2TrLW1W21W22*lkABDDLCRffLDR1R2VOinV整個電路由四個部分組成半橋逆變器、高頻變壓器和輸出整流濾波電路半橋逆變器123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-Jan-2002Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 LIHONG2.ddbDrawn B y:Q2Q1C1C2D1D2TrLW1W21W22*lkABDDLCRffLDR1R2VOinV這樣就在負載上得到了一個電流方向隨時間變化的交流電v高頻變壓器和輸出整流電路123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-Ja