現(xiàn)代傳感與技術(shù)第二章

1、第二章 以基本開關(guān)變換器為基礎(chǔ)，通過對偶設(shè)計(jì)法、三端開關(guān)模型法、開關(guān)變換器級聯(lián)法實(shí)現(xiàn)電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1234基本內(nèi)容第二章 2.1開關(guān)變換器拓?fù)涓攀鯯epic輸入輸出極性相同，控制靈活。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率變低，且體積和重量相對大。既可升壓也可降壓 Zeta輸入輸出極性相同，控制靈活。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率變低，且體積和重量大。既可升壓也可降壓半橋式結(jié)構(gòu)簡單，只要兩個(gè)功率開關(guān)管。電壓利用率低，功率開關(guān)管的電流應(yīng)力較大。適合低電流輸入的場合全橋式電壓利用率高，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力都較小。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要四個(gè)功率開關(guān)管，成本高。適用于大容量場合推挽式驅(qū)動(dòng)不需隔離，變壓器雙端磁化，只要兩個(gè)功率開關(guān)管

2、。變壓器繞組利用率低，功率開關(guān)管耐壓應(yīng)力為輸入電壓的兩倍，會(huì)出現(xiàn)偏磁。適合低壓輸入的場合二極管鉗位式多電平橋不存在動(dòng)態(tài)均壓問題。輸出波形質(zhì)量有較大改善，輸出電壓的 也相對減小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。 需要多個(gè)鉗位二極管，存在直流分壓電容電壓不平衡問題，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的難度。適合高壓大功率場合飛跨電容式多電平橋開關(guān)方式靈活，對功率器件保護(hù)能力有功功率又能控制無功功率較強(qiáng)，既能控制。需要多個(gè)鉗位電容，也存在直流分壓電容電壓不平衡問題，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的難度。適合高壓大功率場合矩陣式輸入電流、輸出電壓、功率因數(shù)均可控，且能量能雙向流動(dòng)。功率器件數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大。適合能量可雙向流動(dòng)的高品質(zhì)電能

3、轉(zhuǎn)換2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元基本開關(guān)單元1.二端開關(guān)單元二端開關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元 （1）單向開關(guān)單元）單向開關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元 （2）準(zhǔn)雙向開關(guān)單元）準(zhǔn)雙向開關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元 （3) 雙向開關(guān)單元雙向開關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元2.三端開關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元三端口開關(guān)單元對外有三個(gè)端：功率開關(guān)端口，稱為有源端，用a表示；二極管端口，稱為無源端，用p表示；功率開關(guān)管和二極管相連接的端口，稱為公共端，用c表示。這

4、樣是形成三端開關(guān)單元，如圖2-5所示。注意：三端開關(guān)單元中的功率開關(guān)管和二極管的開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，即：當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)二極管關(guān)斷，而二極管導(dǎo)通時(shí)功率開關(guān)管關(guān)斷。2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元3.基本變換單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元2.1.2 開關(guān)變換器拓?fù)涞幕鹃_關(guān)單元2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則1 ：輸入端只有兩種正確的拓?fù)湫问?，即電壓源和功率開關(guān)管串聯(lián)或電流源和功率開關(guān)管并聯(lián)2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則2 輸出端只有兩種正確的拓?fù)湫问?，即二極管和電壓負(fù)載同向串聯(lián) 或二極管和電流負(fù)載反向并聯(lián) 2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)

5、則規(guī)則3 中間部分每一個(gè)支路只包含一個(gè)電壓緩沖器（電容）或一個(gè)電流緩沖器（電感）2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則4 中間部分的每一個(gè)串聯(lián)支路是一個(gè)電壓緩沖器（電容），每一個(gè)并聯(lián)支路是一個(gè)電流緩沖器（電感）2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則5 輸入電壓源不能通過開關(guān)直接與電壓緩沖器或電壓負(fù)載相連；輸入電流源不能通過開關(guān)直接與電流緩沖器或電流負(fù)載相連2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則6 電壓緩沖器不能通過二極管和電壓負(fù)載相連電流緩沖器不能通過二極管和電流負(fù)載相連2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則7 中間部分所包含的緩沖器的數(shù)目不超過兩個(gè)，且類型不同。2

6、.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則8 相鄰兩個(gè)電源（包括緩沖器和負(fù)載）類型不能相同2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則規(guī)則規(guī)則1 電壓源和功率開關(guān)管串聯(lián)；規(guī)則規(guī)則2 二極管和電流負(fù)載并聯(lián)；規(guī)則規(guī)則3 中間部分每一個(gè)支路只包含一個(gè)電壓緩沖器（電容）或一個(gè)電流緩沖器（電感）；規(guī)則規(guī)則4 中間部分每一個(gè)串聯(lián)支路是一個(gè)電壓緩沖器（電容），每一個(gè)并聯(lián)支路是一個(gè)電流緩沖器（電感）；規(guī)則規(guī)則5 輸入電壓源不能通過開關(guān)直接與電壓緩沖器相連；規(guī)則規(guī)則6 電壓緩沖器不能通過串聯(lián)一個(gè)二極管和電壓負(fù)載相連； 規(guī)則規(guī)則7 中間部分所包含的緩沖器的數(shù)目不超過兩個(gè)，且類型不同； 規(guī)則規(guī)則8 相鄰兩個(gè)電源（包括緩

7、沖器和負(fù)載）類型不能相同 ZETA變換器2.1.3基本開關(guān)變換器的拓?fù)浣M合規(guī)則2.2 開關(guān)變換器開拓?fù)涞膶ε挤ㄔO(shè)計(jì)2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 1. 電路的幾何描述電路拓?fù)?.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 圖論的幾個(gè)基本概念：2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2. 電路的對偶原理和對偶條件 所謂對偶原理是指：電路中某些元素之間的“關(guān)系”（如方程、電路、定理、定律等）用它們的對偶元素對應(yīng)地置換后得到的“新關(guān)系”（如新方程、新電路、新定理、新定律）也一定成立，則稱“新關(guān)系”與 “原關(guān)系”對偶。 表

8、2-2列出了電路中常用的對偶關(guān)系表。 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 原電路對偶電路原電路對偶電路原電路對偶電路原電路對偶電路電荷磁鏈電壓源電流源電感電容流控電壓源CCVS壓控電流源VCCS網(wǎng)孔節(jié)點(diǎn)電流電壓阻抗導(dǎo)納壓控電壓源VCVS流控電流源CCCS支路串聯(lián)支路并聯(lián)電阻電導(dǎo)支路開路支路短路開關(guān)S（由開到閉）開關(guān)S*(由閉到開)2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 3. 對偶有向幾何方向的確定2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 9090902.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 4. 對偶電路的求解2.

9、2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.1 平面電路的對偶及其對偶規(guī)則 2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 假設(shè)理想的二極管正向電壓和反向電流均為零并且不吸收或產(chǎn)生任何瞬時(shí)功率，根據(jù)對偶原理，理想二極管的對偶元件的“正向”電流和“反向”電壓均為零,同時(shí)也不吸收或產(chǎn)生任何瞬時(shí)功率值得注意的是，對偶元件的“正向”參考方向與元件參考方向相一致。很明顯，具有這種特性的器件為另一種理想的二極管，與原理想二極管相比，只是極性方向相反。因此，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，它的對偶二極管必然是關(guān)斷的，反之亦然。具體對偶圖形及特性參見表2-3。 初始開關(guān)符號和名稱對偶開關(guān)符號和名稱+VT*-di*2.2.2 開關(guān)變換器的對

10、偶設(shè)計(jì)2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)由此可得出理想功率管的有向?qū)ε家?guī)則：將含功率開關(guān)管的有向支路逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) ，即可得到含對偶功率開關(guān)管的有向支路，從而可確定對偶功率管的極性902.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) （3）變壓器的對偶規(guī)則）變壓器的對偶規(guī)則 本節(jié)討論的變壓器分為理想變壓器和全耦合變壓器。所謂理想變壓器是指：沒有任何損耗，無窮大的勵(lì)磁電感，沒有漏感，且不能儲(chǔ)能的變壓器。所謂全耦合變壓器是指：沒有任何損耗，耦合系數(shù)為1，有限勵(lì)磁電感且可以儲(chǔ)能的變壓器。以下分別討論兩種變壓器的對偶變換。2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 1）理想變壓器及其對偶理想變壓器及其對偶 由于理想變壓器具有無窮大的

11、勵(lì)磁電感，且沒有漏感，這使得勵(lì)磁電感支路的勵(lì)磁電流為零，相當(dāng)于開路。下圖是一個(gè)利用理想變壓器構(gòu)成的電路，其理想變壓器的變比是N:1。為了簡化分析，假設(shè)初級繞組與次級繞組有一公共端2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)121S12UNUUUNII基本方程121s12INIIINUU對偶方程2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)90902.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)變壓器原電路對偶電路 理想變壓器 變比N:1 變比1：N 全耦合變壓器 N:1理想變壓器 一次側(cè)、二次側(cè)并聯(lián)電感分別為L1及L21:N理想變壓器一次

12、側(cè)、二次側(cè)串聯(lián)電容分別為C1及C22.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)原電路對偶電路BUCK變換器BOOST變換器BUCK-BOOST變換器CUK變換器SEPIC變換器ZETA變換器 零電流諧振變換器零電壓諧振變換器2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 3. 復(fù)雜開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 一般認(rèn)為：不含有變壓器的開關(guān)變換器所有元件數(shù)超過10個(gè)或含有變壓器的開關(guān)變換器元件數(shù)超過8個(gè)的均可視為復(fù)雜開關(guān)變換器。顯然，不含變壓器的元件數(shù)不超過10或含有變壓器的元件數(shù)不超過8的開關(guān)變換器可視為簡單的開關(guān)變換器。一般而言：簡單的開關(guān)變換器的對偶變換可根據(jù)上述常規(guī)的對偶變換步驟直接變換

13、，無需任何化簡過程；而對于復(fù)雜開關(guān)變換器的對偶過程，需將復(fù)雜開關(guān)變換器的局部支路簡化，從而減少元件的數(shù)量以達(dá)到減少有向幾何圖支路的目的。2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 4 含有基本變換單元的開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì)2.2.2 開關(guān)變換器的對偶設(shè)計(jì) 2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端開關(guān)”模型電路 2.3.2 三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路 2.3.3 PWM軟開關(guān)變換器模型電路2.3 開關(guān)變換器拓?fù)涞娜碎_關(guān)模型法設(shè)計(jì)2.3 開關(guān)變換器拓?fù)涞娜碎_關(guān)模型法設(shè)計(jì) 三端開關(guān)模型法：以特定的三端開關(guān)模型為基礎(chǔ)來討論開關(guān)變換器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題三端口開關(guān)單元對外有三個(gè)端

14、：功率開關(guān)端口，稱為有源端，用a表示；二極管端口，稱為無源端，用p表示；功率開關(guān)管和二極管相連接的端口，稱為公共端，用c表示。2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端開關(guān)”模型電路若以“三端開關(guān)”為基礎(chǔ)，并將電感用恒流源代替，而電容則用恒壓源代替，就得到相應(yīng)變換器的模型電路?！叭碎_關(guān)”的端口連接有一定的規(guī)律，即：有源端口（端口1）和無源端口（端口2）之間都接有電壓源，而公共端（公共端）都接有電流源。三端開關(guān)模型電路 ：2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端開關(guān)”模型電路 利用三端開關(guān)模型法設(shè)計(jì)CUK變換器拓?fù)鋱D2-29 a) CUK變換器模型電路2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端開關(guān)

15、”模型電路圖2-29 b) CUK變換器電路2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端開關(guān)”模型電路 如果將三端開關(guān)模型中的電壓源分成兩個(gè)串聯(lián)電壓源，則可將三端開關(guān)模型中的端口3通過電流源分別與端口1、端口2或兩個(gè)串聯(lián)電壓源之間的節(jié)點(diǎn)相連，就可分別得到BUCK、BOOST、BUCK-BOOST變換器的模型電路。若將三端模型中的電流源分成兩并聯(lián)的電流源并分別與端口1、端口2或兩個(gè)串聯(lián)電壓源之間的節(jié)點(diǎn)相連，可得到CUK、SEPIC、ZETA變換器。以此類推，如果將三端開關(guān)模型中的電壓源分成三個(gè)或多個(gè)電壓源，通過電流源的分解和連接組合可得到更多的變換器模型電路。2.3.1基本DC-DC開關(guān)變換器“三端

16、開關(guān)”模型電路2.3.2 三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路 1準(zhǔn)諧振軟開關(guān)三端開關(guān)模型電路 傳統(tǒng)的開關(guān)變換器在功率開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)都存在開關(guān)損耗為此，可以通過加上由電感、電容組成的準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。 一般而言，準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)分為零電流準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)和零電壓準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)。由于兩者準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)的對偶性，因此只需要討論一種準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)，而另一種準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)則可以通過對偶原理相應(yīng)地求出。圖2-32 ZVS QRC三端開關(guān)模型電路a)b)a) ZVS QRC三端開關(guān)模型電路1 b) ZVS QRC三端開關(guān)模型電路22.3.2 三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路 2

17、有源鉗位軟開關(guān)變換器模型電路圖2-37a) AC ZVS三端開關(guān)模型電路圖2-37b) AC ZCS三端開關(guān)模型電路2.3.2 三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路三端開關(guān)模型的軟開關(guān)變換電路2.3.3 PWM軟開關(guān)變換器模型電路軟開關(guān)變換器模型電路 在準(zhǔn)諧振三端開關(guān)模型電路基礎(chǔ)上引入一個(gè)能控制諧振電感電流和諧振電容電壓的環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)PWM軟開關(guān)控制來引入定頻的PWM軟開關(guān)控制模式圖2-39a) ZVS PWM三端開關(guān)模型電路圖2-39b) ZCS PWM三端開關(guān)模型電路2.4 開關(guān)變換器的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 2.4.1 基本開關(guān)變換器級聯(lián)疊加的基本規(guī)則 2.4.2 基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例 2.4

18、.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?2.4.4 DC-AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)2.4.1 基本開關(guān)變換器級聯(lián)疊加的基本規(guī)則n 開關(guān)變換器級聯(lián)疊加是開關(guān)變換器拓?fù)渥儞Q的常用方法。通常當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)多重功能的開關(guān)變換器時(shí)，就可以將相應(yīng)功能的開關(guān)變換器通過級聯(lián)方式疊加起來從而實(shí)現(xiàn)多重功能的開關(guān)變換器。n 任一基本開關(guān)變換器還包括輸入和輸出部分（如輸入電源和輸出負(fù)載），所以在基本DC-DC開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加時(shí)不只是簡單的組合，同時(shí)還需要遵循以下基本疊加規(guī)則： 1. 兩個(gè)或多個(gè)基本開關(guān)變換器疊加時(shí)，所有的基本開關(guān)變換器的基本變換單元都需要保留，不可簡化或刪除；2. 第一

19、級基本開關(guān)變換器的輸入部分全部保留（包括輸入電源和輸入濾波電容或電感）;3.最后一級的基本開關(guān)變換器的輸出部分全部保留（包括輸出負(fù)載和輸 出濾波電容或電感）;4. 除第一級輸入和最后一級輸出以外的輸入輸出部分需要保持原有的輸入輸出性質(zhì)（電壓型，電流型）。2.4.1 基本開關(guān)變換器級聯(lián)疊加的基本規(guī)則2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例 BUCK-BOOST和BOOST變換器的疊加設(shè)計(jì)a) BUCK-BOOST變換器電路 b) BOOST變換器電路圖中的虛線框分別表示各自的基本變換單元。根據(jù)基本開關(guān)變換器疊加規(guī)則可將兩者疊加，其疊加設(shè)計(jì)步驟如下： 1）直接將BOOST變換器的輸出和BUCK-

20、BOOST變換器輸入連接起來，如圖c所示。2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例 2）根據(jù)疊加規(guī)則1，這兩個(gè)變換器的基本變換單元（虛線框）都需要保留。3）根據(jù)疊加規(guī)則2，保留BOOST變換器的輸入部分。4）根據(jù)疊加規(guī)則3，保留BUCKBOOST變換器的輸出部分。5）根據(jù)疊加規(guī)則4，由于BUCK-BOOST變換器是電壓型輸出，BOOST變換器是電流型輸入，因而將BUCK-BOOST變換器的輸出濾波電容C和BOOST變換器的輸入濾波電感L保留；刪除BUCK-BOOST變換器的負(fù)載；刪除BOOST變換器的輸入電源2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例 6）根據(jù)DC-DC開關(guān)變換器疊加規(guī)則5，

21、BUCK-BOOST變換器的輸出負(fù)載的電壓極性是下正上負(fù)，而BOOST變換器的輸入電壓源的電壓極性是上正下負(fù)，這就需使BOOST變換器的基本變換單元要翻轉(zhuǎn)180，如圖e所示。e) BOOST變換單元旋轉(zhuǎn)2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例7）為了使變換器的輸入和輸出“共地”，需把BOOST變換器中的二極管調(diào)到上端。f) 優(yōu)化電路2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例 采用上述級聯(lián)疊加規(guī)則，理論上可得到各種復(fù)雜的DC-DC開關(guān)變換器，但可能存在冗余的器件。 下面討論開關(guān)變換器級連疊加時(shí)功率開關(guān)單元簡化規(guī)則及其應(yīng)用2.4.2基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加設(shè)計(jì)舉例n功率開關(guān)單元的等效規(guī)則為了使級

22、聯(lián)的開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小、并簡化驅(qū)動(dòng)電路和提高可靠性，可以考慮將兩個(gè)開關(guān)變換器單元中的功率開關(guān)進(jìn)行等效合并，以進(jìn)一步簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?S1是屬于CU1單元的功率開關(guān)，S2是屬于CU2單元的功率開關(guān)，S1、S2是同步工作的（即同時(shí)開通、同時(shí)關(guān)斷），并且假設(shè)S1、S2有一個(gè)共公的節(jié)點(diǎn)。下圖是兩個(gè)基本開關(guān)變換器級聯(lián)疊加后兩個(gè)功率開關(guān)管部分的等效電路。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?1）S-S型等效規(guī)則 a) 兩個(gè)功率開關(guān)管S-S型結(jié)構(gòu) b) S-S型等效結(jié)構(gòu)V12是V1 、V2合并后的功率開關(guān)管

23、，VD1、VD2為鉗位隔離二極管。當(dāng)V12關(guān)斷時(shí)，VD1、VD2截止，從而使電壓U1、U2隔離；當(dāng)V12導(dǎo)通時(shí)，U1=U2=0。顯然，圖b與圖a電路是等效的，而圖b只需一個(gè)功率開關(guān)管，從而使DC-DC開關(guān)變換器電路得以簡化。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?2）D-DD-D型等效規(guī)則型等效規(guī)則 a)兩個(gè)功率開關(guān)管D-D型結(jié)構(gòu) b) D-D型等效結(jié)構(gòu)同樣可以把這兩個(gè)同步的功率開關(guān)管等效為一個(gè)功率開關(guān)管，并利用兩個(gè)二極管VD1、VD2進(jìn)行鉗位隔離，如圖b所示。當(dāng)V12關(guān)斷時(shí)，VD1、VD2截止，從而使電壓U1、U2隔離；當(dāng)V12導(dǎo)通時(shí)，U1=U2=0，顯然，圖b與a

24、電路是等效的。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕? 3）D-SD-S型等效規(guī)則型等效規(guī)則 a) 兩個(gè)功率開關(guān)管D-S型結(jié)構(gòu) b) D-S型等效結(jié)構(gòu)圖a中，當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，其輸入、輸出回路導(dǎo)通；當(dāng)V1、V2關(guān)斷時(shí)，其輸入、輸出回路斷開。圖b中，當(dāng)V12導(dǎo)通時(shí)，VD1、VD2導(dǎo)通，其輸入、輸出回路導(dǎo)通；當(dāng)V12關(guān)斷時(shí)，VD1、VD2截止，其輸入、輸出回路斷開。顯然，圖b與圖a等效，而圖b中的二極管VD1、VD2起著隔離輸入、輸出電流的作用。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?4 4）S-DS-D型等效規(guī)則型等效規(guī)則a) 兩個(gè)功率開關(guān)管

25、S-D型結(jié)構(gòu) b) S-D型等效結(jié)構(gòu)與D-S型結(jié)構(gòu)的工作原理類似，只是它的電流方向相反，兩功率開關(guān)管合并后的等效電路如圖b所示。當(dāng)V12關(guān)斷時(shí)，VD1、VD2截止，其輸入、輸出回路斷開；當(dāng)V12導(dǎo)通時(shí)，VD1、VD2導(dǎo)通，其輸入、輸出回路導(dǎo)通?？梢?，圖b與圖a所示電路等效，而圖b中的二極管VD1、VD2仍然起隔離輸入、輸出電流的作用。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?從以上四種變換器功率開關(guān)管級聯(lián)類型合并后的等效模型中，可以發(fā)現(xiàn)：合并后省去一個(gè)功率開關(guān)管，卻增加了兩個(gè)二極管，但是在具體的DC-DC開關(guān)變換器電路中，二極管一般可得到進(jìn)一步省略。2.4.3 DC-D

26、C開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?如果U1U2, 則VD1一直正偏而導(dǎo)通， 所以VD1不起作用，從而可以省略；另一個(gè)方面，如果U1U2,則VD2一直正偏而導(dǎo)通， 因此VD2可以省略；但如果U1U2, 則VD1 和VD2都不起作用，因而都可以省略。S-S型等效結(jié)構(gòu)：2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?下面下面利用疊加法設(shè)計(jì)一個(gè)利用疊加法設(shè)計(jì)一個(gè)BUCK-BOOSTBUCK-BOOST變換器并進(jìn)行功率開關(guān)單元的變換器并進(jìn)行功率開關(guān)單元的化簡化簡2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?）根據(jù)拓?fù)浏B加法設(shè)計(jì)的基本規(guī)則對兩者進(jìn)行疊加：1

27、 直接將BUCK變換器的輸出和BOOST變換器的輸入連接起來，如圖c所示。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?2根據(jù)疊加規(guī)則1，這兩個(gè)變換器的基本變換單元都需要保留。3根據(jù)疊加規(guī)則2，保留BUCK變換器的輸入部分。根據(jù)疊加規(guī)則3，保留BOOST變換器的輸出部分。4根據(jù)疊加規(guī)則4，由于BUCK變換器是電流型輸出，BOOST變換器是電流型輸入，因而將BUCK變換器的輸出濾波電感和BOOST變換器的輸入濾波電感合二為一；刪除BUCK變換器的負(fù)載R；刪除BOOST變換器的輸入電源。5根據(jù)疊加規(guī)則5，BUCK變換器的輸出負(fù)載的電壓的極性是上正下負(fù)，而BOOST變換器的輸入電

28、壓源的電壓極性也是上正下負(fù)，因而二者它們是相互匹配的。6對所得的電路進(jìn)行適當(dāng)分析不難確定疊加后的電路正確、合理。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?2）根據(jù)DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)開關(guān)單元的拓?fù)浜喕?guī)則對疊加后的變換器進(jìn)行簡化: 將圖d所示的功率開關(guān)管V1移到下端，如圖e所示。其目的是在不影響電路的工作的條件下，使得兩個(gè)功率開關(guān)管具有一個(gè)公共端。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?圖e所示的兩個(gè)功率開關(guān)管組成D-S型結(jié)構(gòu)，利用D-S型等效規(guī)則，將兩個(gè)功率開關(guān)管用等效電路代替，如圖f所示。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)

29、的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?對圖f所示的電路進(jìn)行分析和簡化：在圖f所示電路當(dāng)中，若功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于通過功率開關(guān)管V1和V2的電流是相同的，所以二極管VD2、VD3都可以省略。簡化后的電路如圖g所示。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?3）對簡化后的電路進(jìn)行分析、整理 對圖g所示的電路進(jìn)行分析：當(dāng)功率開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)功率開關(guān)管V關(guān)斷，電感L釋放能量給負(fù)載。g所示的電路中的兩個(gè)二極管VD1、VD2始終是串聯(lián)的，可將其等效為一個(gè)二極管VD，再將電路重新布局，得到圖h所示的電路。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?為使功率開關(guān)

30、管與電壓源的正極相連。對圖i所示電路進(jìn)行整理再將電壓源和功率開關(guān)管調(diào)換下位置，即得到如圖i所示電路。2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?為了使輸入端和輸出端共地，將圖j所示的二極管上移，得到簡化的最終電路，如圖k所示。結(jié)論：通過基本開關(guān)變換器的級聯(lián)疊加和化簡即可獲得所需的開關(guān)變換器電路2.4.3 DC-DC開關(guān)變換器級聯(lián)疊加時(shí)的功率開關(guān)單元拓?fù)浜喕?.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) n DC/ACDC/AC基本單元的串并聯(lián)拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)基本單元的串并聯(lián)拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) n DC/AC開關(guān)變換器的基本單元是一個(gè)取消電容中

31、點(diǎn)輸出的DC/AC開關(guān)變換器的半橋拓?fù)?，如圖2-52。 圖2-52開關(guān)變換器半橋基本單元 通過串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式對基本單元進(jìn)行疊加：DC/AC開關(guān)變換器半橋基本單元的并聯(lián)DC/AC開關(guān)變換器半橋基本單元的串聯(lián)2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 若將半橋基本單元串聯(lián)輸出再并聯(lián)疊加一個(gè)半橋基本單元，則能構(gòu)成一個(gè)三電平DC/AC 開關(guān)變換器橋臂拓?fù)?，如圖2-55所示圖2-55 二電平DC/AC開關(guān)變換器半橋基本單元的串并聯(lián) 三電平DC/AC開關(guān)變換器橋臂2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 如何采用

32、半橋基本單元的疊加獲得任意電平輸出的DC/AC開關(guān)變換器橋臂拓?fù)淠?？在三電平半橋開關(guān)變換器橋臂拓?fù)涞幕A(chǔ)上，再并聯(lián)疊加一組三個(gè)半橋基本單元的串聯(lián)支路后就可以形成四電平DC/AC開關(guān)變換器拓?fù)?.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 圖2-57 基于二極管鉗位式三電平基本單元疊加的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 圖2-58 基于電容鉗位式三電平基本單元疊加的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 問題：隨著電平數(shù)的增多，

33、器件呈指數(shù)上升，系統(tǒng)非常復(fù)雜所以超過五電平以后，這樣的“塔形”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)一般不予考慮。2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) n 全橋基本單元的級聯(lián)拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)全橋基本單元的級聯(lián)拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 采用若干個(gè)低壓DC/AC開關(guān)變換器全橋基本單元直接級連的方式以實(shí)現(xiàn)高壓多電平輸出。 圖2-59 基于全橋基本單元疊加的級連型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了多個(gè)全橋基本單元，并互相級聯(lián)而組成，因此稱之為級連多電平DC/AC變換器。該結(jié)構(gòu)在級連數(shù)足夠時(shí)，輸出諧波含量小

34、，工程上稱之為完美無諧波變換器2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) l優(yōu)點(diǎn)：這種級連多電平DC/AC變換器避免了大量的鉗位二極管和電壓平衡電容，在得到相同電平數(shù)的前提下，所需功率開關(guān)管相對較少；級聯(lián)型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中的功率開關(guān)管一般在基頻下開通、關(guān)斷，因此損耗小、效率高，易采用軟開關(guān)技術(shù)，并且不存在電容電壓平衡問題。l缺點(diǎn)：它需要多個(gè)獨(dú)立的直流電源，且不易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行?？傊@種結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)多電平，一般在總之，這種結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)多電平，一般在7 7電平、電平、9 9電平甚至電平甚至1111電平都電平都有廣泛應(yīng)用。尤其是該級聯(lián)拓?fù)湟殉蔀榇笕萘?/p>

35、有廣泛應(yīng)用。尤其是該級聯(lián)拓?fù)湟殉蔀榇笕萘縎VGSVG裝置的最典型主電路裝置的最典型主電路拓?fù)渲弧Ｍ負(fù)渲弧?2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) n 混合型混合型DC/AC開關(guān)變換器拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) 不同基本單元結(jié)構(gòu)的多電平DC/AC變換器都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，那么是否可以采用“取長補(bǔ)短”的方法，并利用不同的基本單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加，以獲得較好性能的DC/AC變換器拓?fù)淠?？理論上顯然是可行的，并稱這種拓?fù)浏B加方案為混合型拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)。 2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) (1) 二極

36、管鉗位式三電平基本單元二極管鉗位式三電平基本單元+電容鉗位式三電平基本單元電容鉗位式三電平基本單元 圖圖2-60 二極管鉗位式三電平基本單元二極管鉗位式三電平基本單元+電容鉗位式三電平基本單元電容鉗位式三電平基本單元將二極管鉗位式三電平基本單元和電容鉗位式三電平基本單元并聯(lián)，即構(gòu)成將二極管鉗位式三電平基本單元和電容鉗位式三電平基本單元并聯(lián)，即構(gòu)成混合混合1 1型電路拓?fù)?，如圖型電路拓?fù)?，如圖2-602-60所示。這種電路拓?fù)湫阅苌习O管鉗位式所示。這種電路拓?fù)湫阅苌习O管鉗位式和飛跨電容式三電平的特點(diǎn)，它既和飛跨電容式三電平的特點(diǎn)，它既 避免了動(dòng)態(tài)均壓問題也使開關(guān)方式靈活，避免了動(dòng)

37、態(tài)均壓問題也使開關(guān)方式靈活，對功率器件保護(hù)能力較強(qiáng)，既能控制有功功率又能控制無功功率。對功率器件保護(hù)能力較強(qiáng)，既能控制有功功率又能控制無功功率。2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) (2)混合混合2型型二極管鉗位式三電平基本單元二極管鉗位式三電平基本單元+級聯(lián)型級聯(lián)型 圖圖2-61 二極管鉗位式三電平基本單元二極管鉗位式三電平基本單元+ +級聯(lián)型級聯(lián)型將數(shù)個(gè)二極管鉗位式基本單元進(jìn)行級連便構(gòu)成了混合將數(shù)個(gè)二極管鉗位式基本單元進(jìn)行級連便構(gòu)成了混合2 2型電路拓?fù)?，如圖型電路拓?fù)?，如圖2-612-61所示。此電路既保留了二極管鉗位式多電平的優(yōu)點(diǎn)，也保

38、留了級聯(lián)所示。此電路既保留了二極管鉗位式多電平的優(yōu)點(diǎn)，也保留了級聯(lián) 型的特點(diǎn)。型的特點(diǎn)。當(dāng)級連數(shù)足夠時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠較大幅度地降低輸出諧波含量，因此這種基于二當(dāng)級連數(shù)足夠時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠較大幅度地降低輸出諧波含量，因此這種基于二極管鉗位式的級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)堪稱為雙完美無諧波結(jié)構(gòu)。但是這種電路極管鉗位式的級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)堪稱為雙完美無諧波結(jié)構(gòu)。但是這種電路使使 用了大量的功率開關(guān)管以及鉗位二極管，從而增加了逆變裝置的生產(chǎn)成本。用了大量的功率開關(guān)管以及鉗位二極管，從而增加了逆變裝置的生產(chǎn)成本。2.4.4 DC/AC開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì)開關(guān)變換器基本單元的拓?fù)浏B加設(shè)計(jì) (3) 混合混合3型型電容鉗位式三電平基本單元電容鉗位