第3章直流－直流變換器1

1、第3章 直流直流變換器 直流直流降壓變換器（Buck變換器）直流直流升壓變換器(Boost變換器)直流直流升降壓變換器（Cuk變換器)兩象限、四象限直流直流變換器多重、多相直流直流變換器帶隔離變壓器的直流直流變換器 1學(xué)習(xí)方法電路構(gòu)成的思路工作狀態(tài)和波形概念、定義公式推導(dǎo)、計算控制方法特殊問題的考慮特點歸納23.1直流直流降壓變換器（Buck變換器）3電路的開關(guān)狀態(tài)和工作波形lvOvSi+-liCiOiSV(b)開關(guān)狀態(tài)1，T導(dǎo)通D截止等值電路CLRRDSVoi+-lilv(c)開關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路TovLCTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoott

2、ttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv4變壓比、導(dǎo)通比的定義 變壓比顯然與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通比都有關(guān)系，他們之間的關(guān)系可用多種方法推導(dǎo)。導(dǎo)通比（占空比）：變壓比 ：5用波形積分的方法求變壓比vEO的直流分量V0為:CTEGRLODSVSigVovoiFoI(a)電路tgVonTonToffTsT(b)驅(qū)動信號(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV=(c)輸出電壓波形2sT-2sTsTp2ODi6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

3、項三角級數(shù)付立葉級數(shù)： 7用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量(續(xù))F(t)也可表達為： 8用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量(續(xù)) 在許多實際的電力電子變換器中，由于電路開關(guān)通-斷狀態(tài)在時間上的對稱性，使電壓、電流波形具有某些特定的對稱性，從而使其付立葉級數(shù)表達式中某些項系數(shù)為零，且其它項系數(shù)的計算也變得比較簡單。物理上這種情況就是這時電流或電壓波形中不存在某些電流或電壓分量。 比如：偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項系數(shù)為零；半波對稱(鏡對稱) 函數(shù)（奇諧波函數(shù)）：偶次諧波為零；9直流分量、基波、諧波、紋波在直流電路中分解后的常量可看成所需要的直流量，諧波都是不需要的量。RSVTEGDS

4、igVoioiCCibuck 電路圖+-+-LLilvovEOvCoo 諧波一般用濾波器濾掉, 濾波器的輸出電壓有紋波。在交流電路中一般不會有直流分量，分解出的最低次諧波常常稱為基波，其他諧波一般都是不需要的分量。10濾波RSVTEGDSigVoioiCCibuck 電路圖+-+-LLilvovEOvCoo濾波器電抗對諧波的阻抗為：濾波器電容對諧波的阻抗為：直流量通過濾波器時其大小不受任何影響。如果：各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。11用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比 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)運行表達式。電感電流、電感磁鏈電容電壓、電容

5、電荷12用電感電流表達式求變壓比T導(dǎo)通、D截止TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCooSi+-lilvCioiSVovCLR13用電感電流表達式求變壓比（續(xù)1）T 截止、 D導(dǎo)通TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo(c)開關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路RDSVoi+-lilvTovLC14用電感電流表達式求變壓比（續(xù)2）穩(wěn)態(tài)時：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv15輸出電壓波動量計算電

6、容C在一個開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為： ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiivTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo16降壓電路的控制方法PWM（Pulse Width Modulation） 周期不變，導(dǎo)通的時間變化，即導(dǎo)通比D改變從而改變變壓比，控制輸出電壓。(2) PFM（Pulse Frequency Modulation） 導(dǎo)通時間不變，導(dǎo)通的周期變化，導(dǎo)通比D也能發(fā)生變化，從而達到改變輸出電壓的目的，但D的變

7、化范圍有限。輸出電壓、輸出電流中的諧波頻率不固定，不利于濾波器的設(shè)計 。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制是DC/DC電路中最常用的控制方法。17電感電流不連續(xù)時電路的運行狀態(tài) 前面的分析都是基于電路工作中電感電流始終連續(xù)來分析的，當(dāng)運行中電流不連續(xù)時，電路就會出現(xiàn)第三種開關(guān)狀態(tài)，此時T、D都截止。 RDSVoi(d)開關(guān)狀態(tài)3，T阻斷D截止等值電路TCovTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck 電路圖+-+-LLilvovEOvCoo18電感電流不連續(xù)對運行的影響 tttttt(f)電感電流斷流時主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvSvovsTsoffTD

8、T1=sonDTT=Sv斷流后：19電感臨界連續(xù)電流計算 臨界連續(xù)時：圖3.3 電感電流波形圖tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII20Buck變換器輸出電壓的外特性 變換器的變壓比（或輸出電壓）與占空比和負載電流的函數(shù)關(guān)系稱為外特性：或，圖3.4示出Buck變換器的外特性。在電感電流連續(xù)時，變壓比等于占空比，輸出電壓，、的大小僅由確定而與負載電流無關(guān)?？刂铺匦允蔷€性的，控制規(guī)律十分簡單。在電感電流斷流的情況下，變壓比M為(3-21)式，控制特性是非線性的。外特性從線形到非線形的轉(zhuǎn)折點由臨界負載電流確定。2122例3.1 設(shè)計圖3.2(a)所示的Buck DC/DC變換

9、器。電源電壓Vs=147220V，額定負載電流11A，最小負載電流1.1A，開關(guān)頻率20KHz。要求輸出電壓Vo=110V；紋波小于1%。要求最小負載時電感電流不斷流。計算輸出濾波電感L和電容C，并選取開關(guān)管T和二極管D。233.2 直流-直流升壓變換器（Boost變換器）+110VRSV+-oV220V+-LTCRSVLVLioici+-oVCO+-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+-24理想Boost變換器的開關(guān)狀態(tài)和工作波形25理想Boost變換器的變壓比（1）26理想Boost變換器的變壓比（2）27工作電流的平均值表達式假定

10、負載電流平均值為IO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ID等于負載電流IO （電容的平均電流為零） 通過開關(guān)管T的電流平均值為：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-=11(e)電感電流連續(xù)時波形圖oonTsToffT+LDTCRSVLiDiciov28工作電流的其他表達式電感電流的脈動量為：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：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-=11oonTsToffT+LDTCRSVLiDicioV29理想Boo

11、st變換器輸出電壓紋波的大小 輸出電壓脈動等于開關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量。 可近似地由下式確定：30理想Boost變換器開關(guān)器件所承受的最大電壓 T和D所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。31電感電流連續(xù)臨界連續(xù)不連續(xù)一個周期結(jié)束時電流大于零一個周期結(jié)束時電流剛好等于零一個周期未結(jié)束時電流就等于零圖3.3 電感電流波形圖tgvLiLIonTttLiLKI(a)(b)tLiLI(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=DoffToffT=LKILK0, Id0第二象限：Ud0, Id0第三象限：Ud 0, Id 0 第四象限：Ud 041直流電動機的特性直

12、流電機電樞繞組的反電勢Ea與其勵磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比： 電樞電壓平衡方程為：轉(zhuǎn)速高低由電樞電壓的大小決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓的方向決定。 電機的轉(zhuǎn)矩方程為：轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流的大小決定，轉(zhuǎn)矩方向由電樞電流的方向決定。 轉(zhuǎn)矩方向與電機轉(zhuǎn)向相同為電動狀態(tài)，反之為制動狀態(tài)42直流電機的四象限運行ffeABeABaABKVKIRVN-=ABTeIKTf=圖3.12 四象限直流直流變換器對直流電機電樞供電)(ABAVV)(ABAII第一象限第四象限第三象限第二象限dVBAIBAIABeTN+aEdVABIABABI+aEeTNABBAIeTN+aE-dVABABI+aE-dVABIeTN(d)433.4.1 兩象限直流直流變換器UAB始終大于零工作狀態(tài)：iAB可正可負電機轉(zhuǎn)向始終為正電磁轉(zhuǎn)矩可正可負電動制動44第一象限工作工作模式：降壓（將Vd的電壓降低后送到負載）輸出電壓方向：正向輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍赫?電