電力電子第三章

電力電子第三章第1頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）3.2直流/直流升壓變換器（BoostDC/DC變換器）3.3直流升壓－降壓變換器（Boost-Buck變換器或Cuk變換器）*3.4兩象限、四象限直流/直流變換器*3.5多相、多重直流/直流變換器3.6帶隔離變壓器的直流/直流變換器小結(jié)第2頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）

3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性3.1.3電感電流斷流時工作特性第3頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月如何實現(xiàn)降壓變換？第4頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理1.理想的電力電子變換器2.降壓原理3.控制方式4.輸出電壓LC濾波第5頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.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，簡化分析，假定的理想條件是：（1）開關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過渡過程時間均為零；（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出功率。第6頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.降壓原理對開關(guān)管T加驅(qū)動信號VG,開關(guān)周期為TS第7頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月VG>0,T管導(dǎo)通第8頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月VG=0,T管阻斷第9頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓變壓比為Mn次諧波幅值

輸出電壓的直流平均值

將（3-2），（3-4）代入到（3-1）中第10頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.控制方式改變開關(guān)管T的導(dǎo)通時間，即改變導(dǎo)通占空比D，即可改變變壓比M,調(diào)節(jié)或控制輸出電壓VO。(1)脈沖寬度調(diào)制方式PWM(PulseWidthModulation)

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PFM（PulseFrequencyModulation）

脈寬

不變，改變開關(guān)頻率或周期。Q：為什么實際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式？第11頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月4.輸出電壓LC濾波濾波電感的作用：對交流高頻電壓電流呈高阻抗，對直流暢通無阻濾波電容的作用：對直流電流阻抗為無窮大，對交流電流阻抗很小。Q：如何選取LC？直流輸出電壓中含有各次諧波電壓，在Buck開關(guān)電路的輸出端與負載之間加接一個LC濾波電路，減少負載上的諧波電壓。

第12頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性Buck變換器有兩種可能的運行工況：（1）電感電流連續(xù)模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指電感電流在整個開關(guān)周期中都不為零；（2）電感電流斷流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在開關(guān)管T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：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，電感電流剛好降為零。第13頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電流連續(xù)時只有兩種開關(guān)狀態(tài)(2)開關(guān)狀態(tài)2：T管阻斷,D管導(dǎo)通(1)開關(guān)狀態(tài)1：T管導(dǎo)通,D管阻斷Q:電流連續(xù)模式跟哪些因素有關(guān)?第14頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓比、導(dǎo)通比的定義

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分析方法導(dǎo)通比（占空比）：變壓比：第15頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月用波形積分的方法求變壓比vEO的直流分量V0為:第16頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無限項三角級數(shù)——傅立葉級數(shù)：第17頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無限項三角級數(shù)——傅立葉級數(shù)：F(ωt)也可表達為：

第18頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量在實際應(yīng)用中，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，從而使計算變得簡單。物理上是指不存在某些電流或電壓分量。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；Q:什么是直流分量、基波、諧波、紋波?第19頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波器電抗對諧波的阻抗為：ωL濾波器電容對諧波的阻抗為：1/ωC如果：各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。直流量通過濾波器時其大小不受任何影響。濾波第20頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月

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、電容電荷用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比電容C在一個開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：輸出電壓波動量第21頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月用電感電流表達式求變壓比T導(dǎo)通、D截止T截止、D導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)時：

第22頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3電感電流斷流時工作特性1.三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比2.臨界負載電流3.BUCK變換器輸出電壓外特性第23頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月第三種狀態(tài):T、D都截止。變壓比1.三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比第24頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月臨界連續(xù)時：2.臨界負載電流第25頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.Buck變換器輸出電壓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。電感電流連續(xù)時，變壓比等于占空比，輸出電壓與負載電流無關(guān)?？刂铺匦允蔷€性的。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。第26頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計圖3.2(a)所示的BuckDC/DC變換器。電源電壓Vs=147～220V，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。例3.1

第27頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2直流-直流升壓變換器（Boost變換器）3.2.1電路結(jié)構(gòu)和升壓原理3.2.2電感電流連續(xù)時工作特性3.2.3電感電流斷流時工作特性第28頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1電路結(jié)構(gòu)和升壓原理第29頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2電流連續(xù)時的工作特性兩種開關(guān)狀態(tài)變壓比和電壓、電流基本關(guān)系第30頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.兩種開關(guān)狀態(tài)VG>0,T管導(dǎo)通,D阻斷第31頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.兩種開關(guān)狀態(tài)VG=0,T管阻斷第32頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓比和電壓、電流基本關(guān)系理想Boost變換器的變壓比T導(dǎo)通,D截止T阻斷，D導(dǎo)通第33頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月T導(dǎo)通,D截止T阻斷，D導(dǎo)通2.變壓比和電壓、電流基本關(guān)系理想Boost變換器的變壓比第34頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓比和電壓、電流基本關(guān)系假定負載電流平均值為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：工作電流的平均值表達式第35頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓比和電壓、電流基本關(guān)系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：工作電流的其他表達式第36頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓比和電壓、電流基本關(guān)系

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，V0可近似地由下式確定理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小第37頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月

T和D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)系理想Boost變換器開關(guān)器件所承受的最大電壓

第38頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3

電感電流斷流時工作特性三種開關(guān)狀態(tài)和變壓比臨界負載電流Boost變換器輸出電壓外特性第39頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比VG>0,T管導(dǎo)通,D截止第40頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比VG=0,T管阻斷，D導(dǎo)通第41頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.三種開關(guān)狀態(tài)與變壓比VG=0,T管阻斷，D管截止

第42頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2.臨界負載電流臨界負載電流當(dāng)負載電流IO>IOB,電感電流連續(xù)當(dāng)負載電流IO=IOB

,電感電流處于連續(xù)與斷流的邊界當(dāng)負載電流IO<IOB,電感電流斷流第43頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月電感電流斷流的影響第44頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.Boost變換器輸出電壓外特性穩(wěn)態(tài)運行時，開關(guān)管T導(dǎo)通期間,電源輸入到電感中的磁能，在T截止期間全部通過二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流工況。如果變換器負載電阻變得很大，負載電流太小，這時如果占空比仍不減小、不變、電源輸入到電感的磁能不變，必使輸出電壓不斷增加。因此沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作。

第45頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.5(a)所示Boost變換器，輸入電源電壓Vs=10～30V，輸出電壓被控為恒值V，開關(guān)頻率fs=40kHz，最大輸出功率100W，電流Iomax=2.08A，最小輸出功率10W，電流Iomin=0.208A，要求變換器工作時電感電流連續(xù)，求最小升壓電感L值及輸出電壓紋波小于1%時的濾波電容C。例3.2第46頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月Boost電路的運行與控制小結(jié)一般使用PWM控制；不能空載運行；占空比不能接近1；輸入電流脈動較小，運行中對電源的擾動小。

第47頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3直流升壓－降壓變換器（Cuk變換器）3.3.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理*3.3.2電流斷流時工作特性*3.3.3兩電感有耦合的Cuk變換器第48頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：輸入輸出電流脈動小圖中由開關(guān)T、二極管D和L1、C1構(gòu)成的電路既能實現(xiàn)DC/DC升壓變換又可實現(xiàn)降壓變換，稱為直流升壓－降壓變換器，Cuk變換器。3.3.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理第49頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理VG>0,T管導(dǎo)通，D管截止第50頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理VG=0,T管阻斷，D管導(dǎo)通第51頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理VG=0,T管阻斷，D管截止第52頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月Cuk電路在不同工作情況下的波形圖第53頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：不同變換器比較第54頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月IdUd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>03.4兩象限、四象限直流—直流變換器第55頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月直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)直流電動機的特性第56頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月直流電機的四象限運行第57頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1兩象限直流—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第58頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月工作模式：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螂姍C運行于正向電動狀態(tài)，能量由輸入直流電源供向負載。(b)降壓變換電路第一象限工作3.4.1兩象限直流—直流變換器第59頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月工作模式：輸出電壓方向：正向輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍贺撓螂姍C運行于正向制動狀態(tài)，能量由負載向直流輸入電源回饋。升壓（將負載的電壓升高后向Vd回饋電能）(c)升壓變換電路3.4.1兩象限直流—直流變換器第二象限工作第60頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2四象限直流—直流變換器

第61頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2四象限直流—直流變換器第三、四象限運行等效電路第62頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月工作模式：降壓（將Vd的電壓降低后送到負載）輸出電壓方向：反向（VAB<0）輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍悍聪螂姍C運行于反向電動狀態(tài)，能量由直流輸入電源供向負載。第三象限工作3.4.2四象限直流—直流變換器第63頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月工作模式：輸出電壓方向：正向輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍悍聪螂姍C運行于反向制動狀態(tài)，能量由負載供向直流輸入電源。升壓（將負載的電壓升高后向Vd回饋電能）3.4.2四象限直流—直流變換器第四象限工作第64頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月*3.5多相、多重直流—直流變換器

把幾個結(jié)構(gòu)相同的基本變換器適當(dāng)組合可以構(gòu)成另一種復(fù)合型直流—直流變換器，稱為多相、多重直流—直流變換器。假定復(fù)合型變換器中開關(guān)管控制周期為TS，開關(guān)頻率為f，如果一個TS周期中電源側(cè)電流iS(t)脈動n次，即iS(t)脈動頻率為nf，則稱之為n相變換器。如果一個TS周期中負載電流i0(t)脈動m次，即i0(t)脈動頻率為mf，則稱之為m重變換器。第65頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月三相、三重復(fù)合型直流—直流變換器原理第66頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6帶隔離變壓器的DC-DC變換器3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器3.6.2隔離型Buck-Boost變換器—單端反激變換器*3.6.3隔離型Cuk變換器第67頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器單端變換器——變壓器磁通僅在單方向變化正激變換器——開關(guān)管導(dǎo)通時電源將能量直接傳送給負載(b)單端正激DC/DC變換器ovOF***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第68頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器N2、D2導(dǎo)電N3、D1、D3截止T導(dǎo)通：Ton=DTs期間***sVLi2i3i1iovLD3N1N2N3D1D2CsiTCBH

F

D

O

A第69頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器

D2截止；i3將N3感應(yīng)電勢經(jīng)D3反送至電源，i3減小到零;

iL

經(jīng)D1續(xù)流。T截止：Toff

=(1-D)Ts期間

Li***sV2i3iovLD3AN1N2N3D1D2CsiTCHB

F

D第70頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月開關(guān)管兩端的最大電壓T兩端的反壓為：***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第71頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月Ton=DTs期間

磁通增量

Toff=(1-D)Ts期間

最大可能磁通減量

最大運行導(dǎo)通比***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第72頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月通常取

N3=N1，故工作中的最大占空比

Dmax=0.5

因此T的反壓

最大運行導(dǎo)通比***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第73頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月雙管正激變換器T1和T2具有相同的占空比；

T1、T2導(dǎo)通時，D1、D2反偏截止，電源通過變壓器向負載輸送能量T1、T2截止時，iL經(jīng)D續(xù)流，變壓器激磁電流經(jīng)D1、D2返回電源，起去磁作用。不需要專門的去磁繞組;多一個開關(guān)管；開關(guān)管上承受的電壓僅為Vd，小于單管變換器。(c)雙管正激變換器**T2T1D2D1CLDsVLiN1

第74頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.2

隔離型Buck-Boost變換器—單端反激變換器反激變換器——開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感（變壓器）中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d單端變換器——變壓器磁通僅在單方向變化(a)Buck－Boost變換器sV-+RCLTD第75頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月T導(dǎo)通時的關(guān)系式N1*為正，D1截止，第76頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月T阻斷時的關(guān)系式第77頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月綜合通、斷兩種情況的關(guān)系式在T阻斷期結(jié)束，T再次開始導(dǎo)通的瞬間，電流從N2的轉(zhuǎn)到N1繞組的電流初值為i10

，所以穩(wěn)態(tài)運行時在一個周期TS中增加的磁通應(yīng)等于減少的磁通量，所以得到輸出直流電壓平均值N1繞組的最大電流：第78頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)系式N2繞組的最小電流電流i2不斷流的條件i2min≥0，所以有第79頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)系式開關(guān)管阻斷、D1導(dǎo)通時承受的正向電壓++第80頁，課件共85頁，創(chuàng)作于20