電力電子技術(shù)第4章.ppt

1、 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,第4章 直流-直流變換器, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,主要內(nèi)容： 降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理、在電流連續(xù)和斷續(xù)模式下的各物理量之間的函數(shù)關(guān)系； 全橋式直流-直流變換器在單極性和雙極性控制方式時的工作原理； 影響直流-直流變換器輸出電壓紋波的因素； 幾種不同變換器的開關(guān)利用率。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.1 簡 介, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。 直流-直流變換器主要有如下幾種基本型式： 1.降壓直流-直流變換

2、器(Buck Converter) 2.升壓直流-直流變換器(Boost Converter) 3.降壓-升壓復(fù)合型直流-直流變換器(Buck- Boost Converter) 4.丘克直流-直流變換器 5. 全橋式直流-直流變換器(Full Bridge Converter), 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.2 直流-直流變換器的控制, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,基本的直流-直流變換器和它的輸出波形, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,開關(guān)管導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關(guān)管斷開時，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為 (4-1) 式中 Ts開關(guān)周期 D開關(guān)占空比，

3、 改變負載端輸出電壓有3種調(diào)制方法： 1開關(guān)周期Ts保持不變，改變開關(guān)管導(dǎo)通時間ton。也稱為脈寬調(diào)制(PWM)。 2開關(guān)管導(dǎo)通時間ton保持不變，改變開關(guān)周期Ts。 3. 改變開關(guān)管導(dǎo)通時間ton，同時也改變開關(guān)周期Ts。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,方式1的PWM是最常見的調(diào)制方式，這主要是因為后2種方式改變了開關(guān)頻率，而輸出級濾波器是根據(jù)開關(guān)頻率設(shè)計的，顯然，方式1有較好的濾波效果。 圖4-2(a)是脈寬調(diào)制方式的控制原理圖。給定電壓與實際輸出電壓經(jīng)誤差放大器得到誤差控制信號uco，該信號與鋸齒波信號比較得到開關(guān)控制信號，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到期望的輸出電壓。圖4-2(b)給出了脈

4、寬調(diào)制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關(guān)頻率。一般選擇開關(guān)頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,按照控制電壓和鋸齒波幅值的關(guān)系，開關(guān)占空比D可以表示成： (4-2) 直流-直流變換器有兩種不同的工作模式： 1. 電感電流連續(xù)模式 2.電感電流斷續(xù)模式 在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，設(shè)計變換器和它的控制器參數(shù)時，應(yīng)該考慮這兩種不同的工作模式的特性。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.3 降壓變換器, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,降壓變換器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。 在實際

5、應(yīng)用中，有如下問題： 1實際的負載應(yīng)該是感性的。即使是阻性負載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因此，圖4-1的電路可能由于電感上的感應(yīng)電壓毀壞開關(guān)管。采用圖4-3的電路，則電感中儲存的電能可以通過二極管續(xù)流釋放給負載； 2在大多數(shù)應(yīng)用中需要的是平穩(wěn)的直流電壓。而圖4-1的電路輸出電壓在0和Ud間變化。采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-3 降壓變換器電路原理圖, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖(a)所示的輸入電壓Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有開關(guān)頻率fs的諧波分量，如圖(b)所示。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,采用由電感和電

6、容組成的低通濾波器的特性如圖(c)所示。低通濾波器的角頻率fc應(yīng)大大低于開關(guān)頻率fs，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關(guān)頻率造成的紋波。假設(shè)輸出端的濾波電容足夠大，則輸出電壓的瞬時值不變，即uo=Uo。在穩(wěn)態(tài)情況下，因為電容電流平均值為0，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值Io。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.3.1 電流連續(xù)模式時的工作情況,在開關(guān)管導(dǎo)通期間ton，輸入電源經(jīng)電感流過電流，二極管反偏。這導(dǎo)致在電感端有一個正向電壓uL=Ud-Uo，如圖4-5(a)所示。這個電壓引起電感電流iL的線性增加；當開關(guān)管關(guān)斷時，由于電感中儲存電能，產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使二極管導(dǎo)通，iL經(jīng)二極管繼續(xù)流

7、動，uL= -Uo，電感電流下降，如圖4-5(b)所示。 輸出電壓 (4-5) 因此，在電流連續(xù)模式中，當輸入電壓不變時，輸出電壓Uo隨占空比而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,忽略電路所有元件的能量損耗，則 因此 故有 (4-6) 因此，在電流連續(xù)模式下，降壓變換器相當于一個直流變壓器，通過控制開關(guān)的占空比，可以得到要求的直流電壓。 由式(4-6)有，輸入電流平均值Id與輸出電流Io是變比的關(guān)系，但當開關(guān)管斷開時，瞬時輸入電流從峰值跳變到0，這樣對輸入電源會有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個適當?shù)臑V波器用來消除不必要的電流諧波。,

8、 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.3.4 輸出電壓紋波, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖4-10所示。 電壓紋波的峰-峰值Uo為: (4-24) 式(4-24)表明：通過選擇輸出端低通濾波器的角頻率fc，使fcfs，就可以抑制輸出電壓的紋波。當變換器工作在電流連續(xù)模式時，電壓脈動與輸出負載功率無關(guān)。對電流斷續(xù)模式的情況也可做類似的分析。 在開關(guān)模式的直流電源系統(tǒng)中，輸出電壓紋波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo= Uo是不會影響分析結(jié)果的。

9、, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.4 升壓變換器, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-11 升壓變換器電路原理圖, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,升壓變換器也稱為Boost變換器。正如名字所指的，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。圖4-11是升壓變換器的電路圖。 當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電源的電流流過電感和開關(guān)管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。當開關(guān)管斷開時，電感的感應(yīng)電勢使二極管導(dǎo)通，電感電流iL通過二極管和負載構(gòu)成回路，由輸入電源向負載提供能量。在下面的穩(wěn)態(tài)分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大以確保輸出電壓保持恒定，即uo= Uo。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.4.1 電流連續(xù)模式時的

10、工作情況,在穩(wěn)態(tài)時，電感電壓在一個周期內(nèi)的積分是0， 上式的兩邊除以Ts，得： (4-26) 假設(shè)電路沒有損耗，則Pd=Po， (4-27), 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-12 升壓變換器電路的情況(假定iL連續(xù)), 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.4.5 輸出電壓紋波,在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖4-17所示。 紋波的峰-峰值為 (4-40) 對于電流斷續(xù)模式也可作類似分析。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-17 升壓變換器的輸出電壓的紋波, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4

11、.6 全橋式直流-直流變換器, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-25全橋式開關(guān)模式變換器的電路結(jié)構(gòu)圖, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,在全橋式直流-直流變換器中，其輸出電壓Uo是極性可變、幅值可控的直流電，輸出電流io 的幅值和方向也是可變的。因此，該變換器可以在四個象限運行。 同一橋臂的兩個開關(guān)管不能同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則就會造成直流短路。在實際中，它們在一個短間隙中都斷開，該間隙稱為邏輯延遲時間。 如果變換器的同一橋臂的兩個開關(guān)管在任一時刻都不同時處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關(guān)管的狀態(tài)決定。以負直流母線N為參考點，A點的電壓uAN，由如下的開關(guān)狀態(tài)決定：當VTA+導(dǎo)通時或VDA+導(dǎo)通時

12、，則A點的電壓為： (4-58a) 類似地，當VTA-導(dǎo)通時，或VDA-導(dǎo)通時，則A點的電壓為： (4-58b), 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,綜上所述，uAN僅取決于橋臂A是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通，而與負載電流io的方向無關(guān)，因此UAN為： (4-59) 式中，ton 和toff分別是VTA+的導(dǎo)通時間和斷開時間，VDVTA+是開關(guān)管VTA+的占空比。 類似地， (4-60) 因此，輸出電壓Uo(=UAN -UBN)與變換器的開關(guān)占空比有關(guān)，而與負載電流io的大小和方向無關(guān)。 如果變換器同一橋臂的兩個開關(guān)管同時處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值

13、和控制電壓之間的非線性關(guān)系，所以應(yīng)該避免兩個開關(guān)管同時處于斷開的情況發(fā)生。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,全橋式變換器有兩種PWM的控制方式： 1雙極性PWM控制方式。在該控制方式下，圖4-25中的(VTA+，VTB-)和(VTA-，VTB+)被當作兩對開關(guān)管，每對開關(guān)管都是同時導(dǎo)通或斷開的。 2單極性PWM控制方式。在該控制方式下，每個橋臂的開關(guān)管是單獨控制的。 與前面幾節(jié)討論過的開關(guān)變換器不同，全橋式直流-直流變換器的輸出電流在負載低的時候，也沒有電流斷續(xù)模式。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.6.1 雙極性PWM控制方式,在雙極性控制方式中，開關(guān)管(VTA+，VTB-)和(VTB+，VTA

14、-)被當作兩對開關(guān)管對待，即兩個開關(guān)管(VTA+，VTB-)是同時導(dǎo)通和斷開的。同一橋臂的兩個開關(guān)管中，總有一個是開通的。 開關(guān)控制信號是由正負兩個方向變化的三角波與控制電壓uco比較得到的。如圖4-26所示，當ucoutri，VTB+和VTA-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通；否則VTA+和VTB-斷開，VTB+和VTA-導(dǎo)通。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,雙極性控制方式下的工作過程為： 在負載電流比較大的情況下，當ucoutri，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，直流電源經(jīng)過VTA+、負載和VTB-構(gòu)成電流回路，輸出電壓uo=Ud，電流上升；當ucoutri，使VTA+和VTB-斷開，觸發(fā)VTB+和

15、VTA-，由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經(jīng)VDB+和VDA-續(xù)流，VTB+和VTA-不能導(dǎo)通，輸出電壓uo= -Ud，同時電流下降；直至下一個周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,在負載電流較小的情況下，在ucoutri，控制信號使VTB+和VTA-斷開，觸發(fā)VTA+和VTB-，由于電感電流不能突變，因此負載電流經(jīng)VDA+和VDB-續(xù)流，使VTA+和VTB-不能導(dǎo)通，uo=Ud，同時電流上升，直至電流上升到0，VDA+和VDB-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通，由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-26 雙極性P

16、WM方式時的工作波形, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,輸出電壓Uo、占空比D、控制電壓uco之間的函數(shù)關(guān)系 (4-66) 將式(4-64)代入式(4-66)中得： (4-67) 式中 式(4-67)表明，與前面介紹的變換器相似，全橋式開關(guān)模式變換器輸出電壓平均值與輸入控制信號是線性關(guān)系。事實上，當考慮同一橋臂的兩個開關(guān)管有導(dǎo)通延遲時間時，輸出電壓Uo與控制電壓uco的關(guān)系有輕微的非線性。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,輸出電壓的波形顯示輸出電壓從+Ud變到-Ud。這就是為什么稱這種控制方式為雙極性PWM控制方式的原因。 當控制電壓uco的大小和極性變化時，式(4-64)中的占空比D1從0到1之間變化

17、，輸出電壓平均值Uo在-Ud到+Ud之間變化。 當Io0時，平均功率從輸入Ud向輸出Uo傳遞；當Io0時，平均功率從輸出Uo向輸入Ud傳遞。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.6.2 單極性控制方式的PWM,三角波與控制電壓uco和-uco進行比較以便分別確定橋臂A和橋臂B的開關(guān)信號。其控制規(guī)則如下: 如果ucoutri ，則關(guān)斷VTA-，觸發(fā)VTA+ (4-68a) 如果ucoutri ，則關(guān)斷VTB-，觸發(fā)VTB+ (4-69a) 如果-ucoutri ，則關(guān)斷VTB+，觸發(fā)VTB- (4-69b), 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,單極性控制方式的工作過程為： 在負載電流比較大的情況下， 當uc

18、outri，且-ucoutri，且-ucoutri，使VTB-斷開，觸發(fā)VTB+，由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經(jīng)VTA+和VDB+續(xù)流，使VTB+不能導(dǎo)通，uo=0，同時電流下降；直至下一個周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-27單極性PWM方式時的工作波形, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,輸出電壓平均值Uo為 (4-72) 由式(4-72)可以看出，單極性控制方式的輸出電壓平均值Uo與控制電壓uco成線性關(guān)系。 當Io0時，平均功率從輸入Ud向輸出Uo傳遞；當Io0時，平均功率從輸出Uo向輸入Ud傳遞。 如果兩種控制方式的開

19、關(guān)頻率相同，則由于單極性脈寬調(diào)制控制方式的輸出電壓波形的頻率是雙極性脈寬調(diào)制控制方式的2倍，因此前者有著較好的頻率響應(yīng)和較小的輸出電壓紋波。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,(a) 雙極性控制方式：輸出電壓紋波為： (4-74) (b) 單極性控制方式：輸出電壓紋波為： (4-77) 圖4-28中給出了在雙、單極性控制方式下輸出電壓紋波Ur，rms/Ud與占空比D的函數(shù)關(guān)系曲線。由圖可見，單極性控制方式有著較小的輸出電壓紋波。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,圖4-28 輸出電壓紋波Ur，rms與輸出電壓Uo的函數(shù)關(guān)系曲線, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.7 直流-直流變換器的比較, 電子發(fā)燒友 電子

20、技術(shù)論壇,圖4-29 不同的直流-直流變換器的開關(guān)利用率, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,從圖4-29可以看出，升壓變換器和降壓變換器的開關(guān)利用率比較高，復(fù)合型變換器和全橋式變換器的開關(guān)利用率很低。 因此，從變換器的開關(guān)利用率考慮，通常采用升壓變換器或降壓變換器。只有在要求輸出電壓在比輸入電壓高和低的范圍調(diào)節(jié)，或者要求有負的輸出電壓時，考慮采用復(fù)合型變換器。只有要求變換器必須在四個象限運行時，才使用全橋式直流-直流變換器。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.8 直流開關(guān)電源的應(yīng)用, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,直流-直流變換器主要應(yīng)用在可調(diào)的直流電源和電機驅(qū)動系統(tǒng)中。在直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中，一般不加隔離變壓器，因此前幾節(jié)介紹的幾種主要直流-直流變換器可以直接應(yīng)用在電機驅(qū)動系統(tǒng)中；而開關(guān)模式直流電源通常需要加入隔離變壓器，直流開關(guān)電源常常需要滿足下面的要求： 1當輸入電壓和負載變化時，輸出電壓必須能在容差范圍內(nèi)保持不變或輸出電壓可調(diào)。 2輸出與輸入之間需要電氣隔離。 3某些場合可能要求有多路輸出電壓，有些場合要求各輸出間也要電氣隔離。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,4.8.1 帶有電氣隔離的直流-直流變換器,輸入交流電經(jīng)二極管整流器整流