第3章直流直流變換器

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）直流直流/ /直流變換器直流變換器3 3 直流直流/ /直流變換器直流變換器3.1 3.1 直流直流/ /直流降壓變換器（直流降壓變換器（Buck DC/DC Buck DC/DC 變換器）變換器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升壓變換器（直流升壓變換器（Boost DC/DC Boost DC/DC 變換器）變換器） 3.3 3.3 直流升壓降壓變換器（直流升壓降壓變換器（Boost-BuckBoost-Buck變換器或變換器或CukCuk變換器）變換器） * *3.4 3.4 兩象限、四象限直流兩象限、四象限直流/ /直流變換器直流變換器 *

2、 *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流變換器直流變換器 3.6 3.6 帶隔離變壓器的直流帶隔離變壓器的直流/ /直流變換器直流變換器 小結(jié)小結(jié)3.1 3.1 直流直流/ /直流降壓變換器（直流降壓變換器（Buck DC/DC Buck DC/DC 變換器）變換器） 3.1.1 3.1.1 電路結(jié)構(gòu)和降壓原理電路結(jié)構(gòu)和降壓原理3.1.2 3.1.2 電感電流連續(xù)時(shí)工作特性電感電流連續(xù)時(shí)工作特性3.1.3 3.1.3 電感電流斷流時(shí)工作特性電感電流斷流時(shí)工作特性如何實(shí)現(xiàn)降壓變換？如何實(shí)現(xiàn)降壓變換？3.1.1 電路結(jié)構(gòu)和降壓原理電路結(jié)構(gòu)和降壓原理1.理想的電力電子變換器理想的電

3、力電子變換器2.降壓原理降壓原理3.控制方式控制方式4.輸出電壓輸出電壓LC濾波濾波1. 理想的電力電子變換器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：定的理想條件是：（1）開關(guān)管）開關(guān)管T和二極管和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的從導(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；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）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；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；）電路

4、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）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。出功率。OOSSIVIV2. 降壓原理降壓原理q對(duì)開關(guān)管對(duì)開關(guān)管T加驅(qū)動(dòng)信號(hào)加驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG ,開關(guān)周期為開關(guān)周期為TSSSoffonSODVVTTVV2VG0, T管導(dǎo)通管導(dǎo)通SLDSEOiiiV0SonDTTVG=0, T管阻斷管阻斷LDEOii 0SonSoffTDTTT)1 ( 輸出電壓輸出電壓1)-(3 )cos()(10nnEOtnaCt2)-(3 221 21)(2120sSSEOoODVDVVtdvCV變壓比為變壓比為M3)-

5、(3 2/SSSOVDVMVVn次諧波幅值次諧波幅值 4)-(3 )sin(2)2sin(2nDnVnnVaSSn5)-(3 )cos()sin(2)(1nSSEOtnnDnVDVtV輸出電壓的直流平均值輸出電壓的直流平均值 將（將（3-2），（），（3-4）代入到（）代入到（3-1）中）中3.3.控制方式控制方式改變開關(guān)管改變開關(guān)管T的導(dǎo)通時(shí)間，即改變導(dǎo)通占空比的導(dǎo)通時(shí)間，即改變導(dǎo)通占空比D ，即可改變變壓比即可改變變壓比M, 調(diào)節(jié)或控制輸出電壓調(diào)節(jié)或控制輸出電壓VO。(1) 脈沖寬度調(diào)制方式脈沖寬度調(diào)制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 開關(guān)頻率不變，改變輸出脈

6、沖電壓的寬度開關(guān)頻率不變，改變輸出脈沖電壓的寬度(2) 脈沖頻率調(diào)制方式脈沖頻率調(diào)制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脈寬脈寬 不變，改變開關(guān)頻率或周期。不變，改變開關(guān)頻率或周期。Q：為什么實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用：為什么實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式？方式？4.4.輸出電壓輸出電壓LC濾波濾波濾波電感的作用：濾波電感的作用：對(duì)交流高頻電壓電流呈高阻抗，對(duì)交流高頻電壓電流呈高阻抗，對(duì)直流暢通無阻對(duì)直流暢通無阻濾波電容的作用：濾波電容的作用：對(duì)直流電流阻抗為無窮大，對(duì)對(duì)直流電流阻抗為無窮大，對(duì)交流電流阻抗很小。交流電流阻抗很小。Q：如何選?。喝绾芜x取LC？直流輸出電壓

7、中含有各次諧波電壓，在直流輸出電壓中含有各次諧波電壓，在Buck開關(guān)電路的輸出開關(guān)電路的輸出端與負(fù)載之間加接一個(gè)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。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)工作特性電感電流連續(xù)時(shí)工作特性BuckBuck變換器有兩種可能的運(yùn)行工況：變換器有兩種可能的運(yùn)行工況：（1 1）電感電流連續(xù)模式）電感電流連續(xù)模式 CCM(Continuous Current Mode)CCM(Continuous Current Mode)： 指電感電流在整個(gè)開關(guān)周期中都不為零；指電感電流在整個(gè)開關(guān)周期中都不為零；（2 2）電感電流斷流模式）電感電流

8、斷流模式 DCMDCM（Discontinuous Current ModeDiscontinuous Current Mode）：）：指在開關(guān)管指在開關(guān)管T T阻斷期間內(nèi)經(jīng)二極管續(xù)流的電感電流已降為零。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：二者的臨界：稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)：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。指開關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。1.1.電流連續(xù)時(shí)只有兩種開關(guān)狀態(tài)電流連續(xù)時(shí)只有兩種開關(guān)狀態(tài)6)-(3 OSLSVVdtdiLdtdiL7)-(3 DLfVVTDLVVTLVViSOSSOSonOSL9)-(3 )1 ()1

9、(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL8)-(3 OSVdtdiL(2) 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷管阻斷, D管導(dǎo)通管導(dǎo)通(1) 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)1：T管導(dǎo)通管導(dǎo)通,D管阻斷管阻斷Q: 電流連續(xù)模式跟哪些因素有關(guān)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、導(dǎo)通比的定義SonTTD/0/SMVVsonDTTsoffTDT)1 ( 變壓比與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通比都有關(guān)系，它們之間變壓比與電路結(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分析方法導(dǎo)通比（占空比）：導(dǎo)通比（占空比）：變壓比變壓比

10、：用波形積分的方法求變壓比用波形積分的方法求變壓比vEO的直流分量的直流分量V0為為:2022211ssononTEOTsTSTSSonsSVvdtTV dtTVTTD V用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)周期性函數(shù)可以分解為無限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)：傅立葉級(jí)數(shù)： 10)sin()cos()(nnntnbtnaatF202000)()(21)()(1)(1tdtFtdtFTdttFTaT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFT

11、bTn用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)周期性函數(shù)可以分解為無限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)：傅立葉級(jí)數(shù)： 10)sin()cos()(nnntnbtnaatFF(t)也可表達(dá)為： 10)cos()(nnntnCCtF20000)()(21)(1tdtFdttFTaCT22nnnbaC用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量12sin()cosSEOSnSvDVnDn tnVT在實(shí)際應(yīng)用中，由于電路開關(guān)通在實(shí)際應(yīng)用中，由于電路開關(guān)通-斷狀態(tài)在時(shí)間上的斷狀態(tài)在時(shí)間上的對(duì)稱性對(duì)稱性，使電壓、電流波形具有某些特定

12、的對(duì)稱性，從而使計(jì)算變得簡(jiǎn)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。單。物理上是指不存在某些電流或電壓分量。q偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項(xiàng)系數(shù)為零；偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項(xiàng)系數(shù)為零；q半波對(duì)稱半波對(duì)稱(鏡對(duì)稱鏡對(duì)稱) 函數(shù)（奇諧波函數(shù)）：偶次諧波為零；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：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：濾波器電容對(duì)諧波的阻抗為：1/C如果：如果：CL1q各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。各

13、諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。q直流量通過濾波器時(shí)其大小不受任何影響。直流量通過濾波器時(shí)其大小不受任何影響。濾波濾波 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。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。q 電感電流、電感磁鏈電感電流、電感磁鏈q 電容電壓、電容電荷電容電壓、電容電荷iL VCQ 用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比電容電容C在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為： fiTiQLsL8222120min0max008)1

14、(LCfVDCQVVV輸出電壓波動(dòng)量輸出電壓波動(dòng)量用電感電流表達(dá)式求變壓比用電感電流表達(dá)式求變壓比T導(dǎo)通、導(dǎo)通、D截止截止T 截止、截止、 D導(dǎo)通導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)時(shí)：穩(wěn)態(tài)時(shí)：00(1)LsSLsViDTLVViD TL 0SSVMDVV故有3.1.3 電感電流斷流時(shí)工作特性電感電流斷流時(shí)工作特性1. 三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比2. 臨界負(fù)載電流臨界負(fù)載電流3. BUCK變換器輸出電壓外特性變換器輸出電壓外特性升高使00VVEOTTSonDMl第三種狀態(tài)第三種狀態(tài) :T、D都截止。都截止。l變壓比變壓比1.三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比臨界連續(xù)時(shí)：臨界連續(xù)時(shí)：SVconst時(shí)08

15、KmiSIVLf2. 臨界負(fù)載電流臨界負(fù)載電流00012122(1)2(1)2LKLSSSSoIIIVVDTLVVDLfVDDLfVDLf時(shí)constV 0LfVIKmo2003. Buck變換器輸出電壓外特性變換器輸出電壓外特性變換器的變壓比（或輸出電變換器的變壓比（或輸出電壓）與占空比和負(fù)載電流的壓）與占空比和負(fù)載電流的函數(shù)關(guān)系稱為外特性。函數(shù)關(guān)系稱為外特性。電感電流連續(xù)時(shí)，變壓比等電感電流連續(xù)時(shí)，變壓比等于占空比，輸出電壓與負(fù)載于占空比，輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。控制特性是線性電流無關(guān)。控制特性是線性的。的。在電感電流斷流的情況下，在電感電流斷流的情況下，變壓比變壓比M為為(3-21)式，

16、控制特式，控制特性是非線性的。性是非線性的。外特性從線形到非線形的轉(zhuǎn)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。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，并選取開關(guān)管T和二極管D。例例3.13.2 3.2 直流直流- -直流升壓變換器直流升壓變換器（BoostBoost變換器）變換器）3.2.1 電路結(jié)構(gòu)和升壓原理電路結(jié)構(gòu)和升壓原理3.2.2 電感電流連續(xù)時(shí)工作特性電

17、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)的工作特性電流連續(xù)時(shí)的工作特性1. 兩種開關(guān)狀態(tài)兩種開關(guān)狀態(tài)2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系1.兩種開關(guān)狀態(tài)兩種開關(guān)狀態(tài)SonDTTlVG0, T管導(dǎo)通管導(dǎo)通,D阻斷阻斷 1.兩種開關(guān)狀態(tài)兩種開關(guān)狀態(tài)SonSoffTDTTT)1 ( lVG=0, T管阻斷管阻斷TTSonDTDTSoff)1 ( LSL didtVSLsViD TLLSoL didtVV0(1)SLsVViD TL0/1/(1)SMV VD2. 變壓比和電壓

18、、電流基本關(guān)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系l理想理想Boost變換器的變壓比變換器的變壓比T導(dǎo)通導(dǎo)通,D截止截止T 阻斷，阻斷，D導(dǎo)通導(dǎo)通T導(dǎo)通導(dǎo)通,D截止截止T 阻斷，阻斷，D導(dǎo)通導(dǎo)通TSDTon TSDToff)1( SSVTonVD Ts電感的磁鏈增量為：0/1/(1)SMV VD00()() (1)SSVVToffVVDTs電感磁鏈的減小量為：tVdtdiLdtdV 2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系l理想理想Boost變換器的變壓比變換器的變壓比2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系假定負(fù)載電流平均值為假定負(fù)載電流平均值為IO01/1OSLS

19、IIIVo VID001TSDIIIID輸入電流和電感電流的電流平均值均為：輸入電流和電感電流的電流平均值均為： 通過二極管的電流通過二極管的電流ID等于負(fù)載電流等于負(fù)載電流IO （電容的平均電流為零）（電容的平均電流為零） 通過開關(guān)管通過開關(guān)管T的電流平均值為：的電流平均值為：l工作電流的平均值表達(dá)式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)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系電感電流的脈動(dòng)量為：電感電流的脈動(dòng)量為：00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLVD DTD DVLLfmaxmaxmax0012(1)12TDLSLIIIIiID DVDLf通過開關(guān)管通過開關(guān)管T和和D的電流最大

20、值與電感電流的最大值相等：的電流最大值與電感電流的最大值相等：l工作電流的其他表達(dá)式工作電流的其他表達(dá)式000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs2. 變壓比和電壓、電流基本關(guān)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)系 輸出電壓脈動(dòng)等于開關(guān)管輸出電壓脈動(dòng)等于開關(guān)管T導(dǎo)通期間電容導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量，的電壓變化量， V0可近似地由下式確定可近似地由下式確定l理想理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小變換器輸出電壓紋波的大小 T T和和DD所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。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)系變壓比和電壓、電流基本關(guān)

21、系l理想理想Boost變換器開關(guān)器件所承受的最大電壓變換器開關(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)和變壓比三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比2. 臨界負(fù)載電流臨界負(fù)載電流3. Boost變換器輸出電壓外特性變換器輸出電壓外特性1.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比lVG0, T管導(dǎo)通管導(dǎo)通,D截止截止 ssLLDTLVIimax1.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比lVG=0, T管阻斷，管阻斷，D導(dǎo)通導(dǎo)通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/111.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比lVG=0, T管阻斷，管阻斷，

22、D管截止管截止 DM11)1 (111)1 (11111111DDDDDDDDDDDDDVVMso2max)1 (2)1 (2)1 (2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB)1/( ),1/(1DVVDMso)1/(1DM2. 臨界負(fù)載電流臨界負(fù)載電流l臨界負(fù)載電流l當(dāng)負(fù)載電流IOIOB,電感電流連續(xù)l當(dāng)負(fù)載電流IO=IOB ,電感電流處于連續(xù)與斷流的邊界l當(dāng)負(fù)載電流IO0, T管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，D管截止管截止3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理lVG=0, T管阻斷，管阻斷，D管導(dǎo)通管導(dǎo)通3.3.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作

23、原理lVG=0, T管阻斷，管阻斷，D管截止管截止Cuk電路在不同工作情況下的波形圖電路在不同工作情況下的波形圖小結(jié)：不同變換器比較小結(jié)：不同變換器比較 1. Buck 變換器 2. Boost 變換器 3. Cuk 或 Boost-Buck 變換器 4. Buck-Boost 變換器 電 路結(jié)構(gòu) 電 流連 續(xù)時(shí) 變比 M DVVMSO DVVMSO11 MMD1 DDVVMSO1 MMD1 臨界負(fù)載電流 DLfVISOOB12 D 越小，OBI越大 OBI最大值SOOBmLfVI2/ 212DDLfVISOOB 3/1D時(shí)，OBI最大值 SOOBmLfVI227/ 212DLfVISOOB

24、D 越小，OBI越大，OBI最大值SOOBmLfVI2/ 電 流不 連續(xù)時(shí) 變 壓比 SSOSOOSOLfVIDDLfVIDVVM2/ 2/4112222 SSOSOOLfVIDLfVIDM21 27112122272 SSOSOOSOLfVIDLfVIDVVM2/ 2/2 IdUd第一象限：第一象限：Ud0, Id0第二象限：第二象限：Ud0, Id0第三象限：第三象限：Ud 0, Id 0 第四象限：第四象限：Ud 03.4 3.4 兩象限、四象限直流兩象限、四象限直流直流變換器直流變換器直流電機(jī)電樞繞組的反電勢(shì)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)速與其勵(lì)磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比：的乘積成正比： NKEea 電樞電壓平衡方程為：電樞電壓平衡方程為：ABABaABaVIRVEeABeABaABeaKVKIRVKEN轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速高低由電樞電高低由電樞電壓的壓的大小大小決定，轉(zhuǎn)決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓速方向由電樞電壓的的方向方向決定。決定。ABTeIKT 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流大小由電樞電流的的大小大小決定