第3章 DC-DC變換.ppt

1、1,電力電子學 電力電子變換和控制技術 （第三版） 陳 堅 編著 華中科技大學,3 直流/直流變換器,3.1 直流/直流降壓變換器（Buck DC/DC 變換器） 3.2 直流/直流升壓變換器（Boost DC/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 3.7 具有中間交流環(huán)節(jié)（DC-AC-DC）變壓器隔離型直流變換電源,3.1 直流/直流降壓變換器（Buck DC/DC 變換器）,3.1.1 電路結構和降壓原理 3.1.2 電感

2、電流連續(xù)時工作特性 3.1.3 電感電流斷流時工作特性,3.1.1 電路結構和降壓原理,主電路結構及元器件的作用 理想化假設：為簡化數(shù)學分析 開關電路的常用分析方法 降壓原理、PWM控制方式 工作波形及數(shù)學關系 LC濾波電路,3.1.1 電路結構和降壓原理,Buck變換器的電路結構：元器件的作用？,2. 數(shù)學分析的理想化假設,為簡化波形分析和數(shù)學推導，假設元器件全理想的。即 （1）對開關管有： 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； 從通到斷、從斷到通的過渡過程時間為零。 只用分析開關的通態(tài)和斷態(tài) （2）電感、電容均為無損耗的理想儲能元件； （3）線路阻抗為零。 （4）在

3、以上假設下，必有“電源輸出到變換器的功率等于變換器的輸出功率。”的結論。,3、Buck電路的分析思路,關于開關管T加驅動信號VG 穩(wěn)態(tài)時為周期性通斷信號 開關周期為TS 導通時間記為Ton、 關斷時間記為Toff， 開關頻率為fs 占空比D：也叫“導通比”，是開關管導通時間與周期的比值。 它們之間的關系式：,3、Buck電路的分析思路（續(xù)）,Buck電路的工作狀態(tài)與開關T、D的導斷狀態(tài)間的關系 因為T、D不可能同時通，所以有三種狀態(tài)： （1）T為通態(tài)、D斷態(tài) （2）T為斷態(tài)、D通態(tài)-二極管續(xù)流 （3）T、D都關斷的狀態(tài)-電感L的電流斷流,根據(jù)電感L電流的工況，Buck變換器有兩種可能的運行工作

4、模式： （1）電感電流連續(xù)模式(CCM):在整個開關周期中電感電流不為零 （2）電感電流斷流模式（DCM）:在開關管T阻斷態(tài)后期一段時間內電感電流為零。 （3）兩模式的臨界點稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài):開關管阻斷期結束時電感電流剛好降為零。,4. 降壓原理分析與推導,T為通態(tài)、D斷態(tài),T為斷態(tài),D續(xù)流,4. 降壓原理分析與推導（續(xù)）,“降壓變換器” 名稱的有由來,5. 控制方式,改變開關管T的導通時間，即改變導通占空比D ，即可改變變壓比M, 調節(jié)或控制輸出電壓VO。 (1) 脈沖寬度調制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 開關頻率不變，改變輸出脈沖電壓的寬度 (2)

5、 脈沖頻率調制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脈寬 不變，改變開關頻率或周期。 Q：為什么實際應用中廣泛采用PWM方式？,6、輸出電壓的LC濾波,n次諧波幅值,VEO中含有大量諧波，對其進行傅里葉分解如下：,輸出電壓的直流平均值！ 再次求得直流分量！,大量的諧波！ 最低次諧波頻率為fs,傅立葉級數(shù)是分析開關電路的一種數(shù)學工具！,6.輸出電壓的LC濾波（續(xù)）,濾波電感L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？,為減少負載上的諧波電壓、電流，在Buck開關電路的輸

6、出端與負載之間加接一個LC濾波電路。,濾波器電抗對諧波的阻抗為： L,濾波器電容對諧波的阻抗為：1/C,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。,6.輸出電壓的LC濾波（3）,3.1.2 電感電流連續(xù)時工作特性（CCM模式）,分析推導開關電路中的參量之間的關系、畫出工作波形，是正確理解電路、正確設計電路的基礎。 除傅里葉級數(shù)法外，下面是常用的幾種推導方法。,用波形積分的方法求平均值、變壓比,利用條件“電路前一周期初始狀態(tài)與后一周期初始狀態(tài)相同”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 下面用“穩(wěn)態(tài)時電感電流變化量相等”條件，求BU

7、CK電路的變壓比,1. 電感電流連續(xù)時的工作原理,E,O,(1) T管導通,D管阻斷,A,B,(2) T管阻斷, D管導通,1.電感電流連續(xù)時的工作原理（續(xù)）,用“穩(wěn)態(tài)時電感電流變化量相等”推導出了輸入電壓與輸出電壓之間的關系！,1.電感電流連續(xù)時的工作原理（續(xù)）,變壓比 ：,變壓比與電路結構、運行狀態(tài)和導通比都有關系。 在電感電流連續(xù)情況下， 變壓比M只與占空比D有關，負載電流大小無關。,1.電感電流連續(xù)時的工作原理（續(xù)）,2.電感電流連續(xù)時的主要波形,輸出電流平均值Io =電感電流的平均值IL,濾波電感電流脈動值,Q：當Ui和Uo一定時，如果負載 電流變化，電感電流脈動是 否變化？,3.電

8、感電流連續(xù)時相關物理量的計算,A：不變！,T和D的最大電流就是ILMAX T和D截止時所承受的電壓都是Vs 設計Buck變換器時選用T、D依據(jù)。,4. 濾波電容C的工作狀態(tài)分析,高頻周期性充放電狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)平均電流為零。 若濾波電容足夠大，則電容電壓（輸出電壓）視為恒定的直流電壓。 當C不很大時，則電容電壓存在一定的脈動。 一個開關周期內充電電荷（放電電荷）： 計算出輸出電壓的脈動量： 負載電壓紋波： 記 LC諧振頻率為fc ，有 結論：提高開關頻率、減小諧振頻率可以減小輸出電壓脈動。,3.1.3 電感電流斷流時工作特性（DCM）,三種開關狀態(tài)與變壓比M 臨界負載電流IOB（Boundary V

9、alue） BUCK變換器輸出電壓外特性,Q: 電流連續(xù)模式跟哪些因素有關?,3.1.3 電感電流斷流時工作特性： 三種工作狀態(tài)、波形及變壓比M,（1）有三種工作狀態(tài)： 波形,V0提高 的原因？,電感電流臨界連續(xù)電流值即為負載最小電流,3.1.3 電感電流斷流時工作特性： 臨界負載電流IOB及其最大值IOBm,當Vo一定時IOB是關于D的線性函數(shù)且在D=0時有最大值 當Vs一定時 IOB是關于D的二次函數(shù)且在D=0.5時有最大值，這里不討論。,標幺值形式下表達式,將IOBm作為負載電流基值IB后，有如下關系式： 變壓比M與占空比D： 若 則 否則 負載電流的臨界電流標幺值： IOB與Vo、L、

10、fs以及D都有關。 Vo越低、 fs越高、L越大則IOB越小，越容易實現(xiàn)電感電流連續(xù)運行工況。,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。控制特性是線性的。 電感電流出現(xiàn)斷流后，控制特性是非線性的。 從線性到非線性的轉折點由臨界負載電流確定。 （虛線ABCDG）是Vo為定值時的臨界,3.1.3 電感電流斷流時工作特性（3）： 外特性,外特性定義： 在占空比D一定時，變壓比M與占空比D和負載電流標幺值I0*的函數(shù)關系。 BUCK電路外特性的特點：,圖3.2(a)所示:要求 電源電壓Vs=147220V， 額定負載電流11A， 最小負載電流1.1A， 輸出電壓Vo=110V； 開關

11、頻率20kHz。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， 選取開關管T和二極管D。,例3.1 設計Buck DC/DC變換器,解題思路（設計方法）,求開關管、二極管參數(shù) （1）求T、D承受的最大電壓值（截止時所承受的電壓，都是輸入電壓） （2）求T、D承受的最大電流值（等于電感電流的最大值） 電感電流臨界連續(xù)條件求電感L 求電感電流的最大值 （3）放大一個安全余量系數(shù),求濾波參數(shù)L、C （1）根據(jù)輸出電壓紋波大小確定fc （2）求電容值,3.2 直流-直流升壓變換器（Boost變換器）,3.2.1 電路結構和升壓原理 3.2.2 電感電流連續(xù)時工作特性

12、3.2.3 電感電流斷流時工作特性,3.2.1 電路結構和升壓原理,3.2.2 電感電流連續(xù)時的工作特性,兩種開關狀態(tài) 變壓比和電壓、電流基本關系,1.電感電流連續(xù)時的兩種開關狀態(tài)：TON期間,VG0, T管導通,D阻斷 ，等效為2個獨立電路,1. 電感電流連續(xù)時的兩種開關狀態(tài)： TOFF 期間,VG=0, T管阻斷，D導通 電源和升壓電感共同對負載供電,2. 變壓比M的推導（1）,理想Boost變換器穩(wěn)態(tài)時電感電流增減量相等,Ton期間,T off期間,V0Vs升壓！,在電流連續(xù)條件下M與D有關，負載電流I0無關。 通過PWM控制占空比D就可以控制輸出電壓的大小。,Ton期間,T off期間

13、,2. 變壓比M的推導2,理想Boost變換器穩(wěn)態(tài)時電感磁鏈（伏秒）增減量相等,3. 變壓比和電壓、電流基本關系,假定負載電流平均值為IO，功率損耗為零，則 UoIo=UsIs,輸入電流=電感電流的電流平均值：,通過二極管的電流ID=負載電流IO （電容的平均電流為零）,通過開關管T的電流平均值為：,電流平均值,升壓的同時是降流的！,3. 變壓比和電壓、電流基本關系,電感電流的脈動量為：,開關管T和D的電流最大值與電感電流的最大值相等：,T和D所承受的最大電壓，理想情況下等于Vo,3. 變壓比和電壓、電流基本關系,理想Boost變換器開關器件所承受的最大電壓,分析原因？,3. 變壓比和電壓、電

14、流基本關系,輸出電壓脈動等于T ON期間電容C的電壓變化量V0（近似）,理想Boost變換器輸出電壓紋波的大?。?3.2.3 電感電流斷流時工作特性,三種開關狀態(tài)和變壓比 臨界負載電流 Boost變換器輸出電壓外特性,1.三種開關狀態(tài)與變壓比,T On態(tài) VG0, T管導通,D截止,1.三種開關狀態(tài)與變壓比（續(xù)1）,T Off態(tài) VG=0, T管阻斷，D導通,1.三種開關狀態(tài)與變壓比（續(xù)2）,VG=0, T管阻斷，D管截止,電感電流連續(xù)臨界連續(xù)不連續(xù),一個周期結束時電流大于零,一個周期結束時電流剛好等于零,一個周期未結束時電流就等于零,2. 臨界負載電流IOB,當負載電流IOIOB , 電感電

15、流連續(xù) 當負載電流IO=IOB , 電感電流處于連續(xù)與斷流的邊界,當負載電流IOIOB,電感電流斷流,3. 電感電流斷流的影響,3. 電感電流斷流的影響,4. Boost變換器輸出電壓外特性,穩(wěn)態(tài)運行時，T導通期間,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轉移到輸出端。 如果負載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流工況。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。 無電壓閉環(huán)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作。,5. Boost電路的運行與控制小結,一般使用PWM控制； 不能空載運行（沒有電壓閉環(huán)調節(jié)時，不宜輸出端開路工作） 占空比不能接近1； 輸

16、入電流脈動較小，運行中對電源的擾動小。（優(yōu)點）,3.3 直流升壓降壓變換器,Boost-Buck變換器或Cuk變換器 3.3.1 電路結構和電流連續(xù)時的工作特性 *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,優(yōu)點：輸入輸出電流脈動小,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。 因其發(fā)明人為Cuk，又被稱為Cuk變換器。,3.3.1 電路結構和電流連續(xù)時的工作特性,1.工作原理： Ton期間,VG0, T管導通，D管截止,2.工作原理： Toff期間,VG=0, T管阻斷，D管導通,3. 輸入輸出關系,Vo既可高于Vs，又可低于Vs。,3.

17、3.2 電流斷流時工作特性,1. Cuk電路在不同工作情況下的波形圖,電壓應力：,2. 開關管T,電流平均值：,電流最大值：,3.二極管D,有效值電流：,電壓應力：,平均電流：,4. 兩電感,電感L1的電流脈動：,電感L2的電流脈動：,5.電容,電容C1的選擇：,電容C2的選擇：,T導通，C1放電； T截止，C1充電。,與Buck變換器類似,Cuk變換器利用C1進行能量傳遞，充放電電流很大，因此要選擇低損耗的高頻電解電容。,3.3.3 兩電感有耦合的Cuk變換器,電感和繞在同一鐵芯上，則兩個電感L1、L2互相耦合，除自感L1和L2外還有互感M。 用耦合系數(shù)k表示耦合程度：,電感脈動,通過兩個電

18、感的相互耦合可以把Cuk變換器的輸入、輸出電流脈動減小到任意程度!,Cuk變換器小結,優(yōu)點：理論上Cuk變換器的拓樸結構最佳 具有升、降壓功能 輸入電流和輸出電流都連續(xù)，若通過兩個電感的耦合，其電流脈動紋波可以接近于零。 缺點：成本較高，實際工程尚未廣泛應用 （1）電容成本較高：電容器需要耐受極大的脈動電流； （2）器件T、D成本較高： 導通時的最大電流是兩電感最大電流之和，截止時承受的電壓都是電源電壓和負載電壓之和。,小結：不同變換器比較,小 結,MD,輸出電壓 變壓比,Buck電路,Boost電路,Cuk電路,電流連續(xù)時,電流不連續(xù)時,3.4 兩象限、四象限直流直流變換器,3.4.0 變換

19、器的“象限”概念 3.4.1 兩象限直流直流變換器 3.4.2 四象限直流直流變換器,3.4.0 變換器的“象限”概念,T與n同向為電動狀態(tài)：1、3象限 反之， 為制動狀態(tài)：2、4象限,電機的電磁轉矩：,由電樞電壓平衡方程得：,象限概念的產(chǎn)生與 電機調速應用背景密切相關 直流電動機的四象限運行,第一象限： Ud0, Id0,第二象限： Ud0, Id0,第三象限： Ud 0, Id 0,第四象限： Ud 0,3.4.0 變換器的“象限”概念,如前面講到的Buck，Boost電路,DC/DC變換器的象限,3.4.1 兩象限直流直流變換器,UAB大于零：電機轉向始終為正 iAB可正可負：電磁轉矩可

20、正可負 對應電機的正向電動和制動運行 電機工作在第一、二兩個象限。 所以被稱為兩象限變換器。 若T2完全截止，T1周期性的通、斷，則是一個Buck DC/DC變換器。 若T1完全截止，T2周期性的通、斷，則是一個Boost DC/DC變換器 所以是一個復合變換器,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,正向,電機正向電動，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： Buck DC/DC變換器模式,3.4.1 兩象限直流直流變換器,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,負向,電機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：將負載電

21、壓升高后向Vs回饋電能,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：Boost DC/DC變換器 模式,3.4.2 四象限直流直流變換器,對T1-T4進行實時適式的PWM控制，其輸出直流電壓、電流的平均值大小和方向均可控。 當其對直流電機電樞供電時，可實現(xiàn)直流電機的四個象限運行。,降壓（將Vs的電壓降低后送到負載）,輸出電壓方向：,反向（VAB0）,輸出電壓大?。?輸出電流方向：,反向,電機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,輸出電壓方向：,正向,輸出電壓大小：,輸出電流方向：,反向,電機運行于反向制動狀態(tài)，能量

22、由負載供向直流輸入電源。,升壓（將負載的電壓升高后向Vs回饋電能）,3.4.2 四象限直流直流變換器,第四象限工作,*3.5 多相、多重直流直流變換器,把幾個結構相同的基本變換器適當組合可以構成另一種復合型直流直流變換器，稱為多相、多重直流直流變換器。 假定復合型變換器中開關管控制周期為TS，開關頻率為f，如果一個TS周期中電源側電流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。,三相、三重復合型直流直流變換器原理,三個開關管的驅動信號間相差1/3 Ts 三個開關的Ton, T

23、s, 占空比D相同,電感L兩端的直流電壓平均值為零,復合的目的？ 一個開關周期中負載電流脈動3次 ；電源電流脈動3次 。,輸出電流,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,引入隔離變壓器目的: 實現(xiàn)輸入電源和負載的電氣隔離(提高安全可靠性和電磁兼容性) 匹配輸入電壓和輸出電壓 輸出多個不同等級的直流電壓 隔離變壓器的工作原理： 磁勢(磁通)平衡，儲能不變，磁通復位,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器,幾個概念 單端變換器變壓器磁通僅在單方向變

24、化 正激變換器開關管導通時電源將能量直接傳送給負載,單端正激DC/DC變換器,O,F,3.6.1 隔離型Buck變換器單端正激變換器,N2、D2導電 N3、D1、D3截止,T導通（ Ton=DTs期間）,D2截止； i3將 N3感應電勢經(jīng)D3反送至電源， i3減小到零; iL 經(jīng)D1續(xù)流。,1.開關管兩端的最大電壓,T兩端的反壓為：,Ton=DTs期間，磁通增量,Toff = (1-D)Ts期間，最大可能磁通減量,2.磁通復位,通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5,此時T的最大反壓,3.最大運行導通比Dmax,Ton導通,T關斷:TR期間,4. 波形分析,5. T關斷：磁

25、復位完成之后,6. 開關管、二極管的電壓應力（N3=N1時）,7.變壓器工作原理,一個周期內 需滿足伏秒平衡 就是磁通復位！,3.6.2 隔離型Buck-Boost變換器單端反激變換器,反激變換器開關管導通時電源將電能轉為磁能儲存在電感（變壓器）中，當開關管關斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d 單端變換器變壓器磁通仍單方向變化,(a)BuckBoost變換器,Ton期間: N1*為正，D1截止,1. T on時的波形和關系式,2. T off時的波形和關系式,磁場儲能不能突變： 磁勢平衡：,3.電流連續(xù)時輸入輸出關系,升降壓 變換器,4. 電流關系式,N1繞組的最大電流： N2繞組的最小電流 電流

26、i2不斷流的條件i2min0，所以有,5.開關管T、D1阻斷時承受的電壓,+,+,二極管電壓應力：,VT ,VD ,6.雙管反激變換器,T1、T2同時導通、同時阻斷；導通時將電源能量儲存在變壓器中，阻斷時儲存的能量送給負載，原方繞組電流通過D1、D2和電源續(xù)流、去磁。 T1、T2所承受的最高電壓僅為電源電壓Vs,7. 單端反激變換器小結,在負載為零的極端情況下，由于T導通時儲存在變壓器電感中的磁能無處消耗，故輸出電壓將越來越高，損壞電路元件，所以反激式變換器不能在空載下工作。 不需要專門的去磁繞組，電路簡單。 依靠變壓器繞組電感在開關T阻斷時釋放存儲的能量而對負載供電，磁通也只在單方向變化，因

27、此通常僅用于100-200W以下的小容量DC/DC變換（如控制系統(tǒng)所需的輔助電源 ）。 雙管單端反激變換器多一個開關管；開關管上承受的電壓僅為Vs，小于單管變換器。,*3.6.3 隔離型Cuk變換器,將非隔離Cuk變換器中的電容C1一分為二； 令電容值足夠大，電容電壓在一個開關周期中近似恒定不變； 插入變壓器（同名端如圖）。 兩者所有特性完全相同（除了帶隔離功能、匝比外）。,3.7 DC-AC-DC變壓器隔離型直流變換電源,3.7.1 半橋型DC/ACAC/DC直流電源 3.7.2 全橋型DC/ACAC/DC直流電源 3.7.3 變壓器中點抽頭推挽型DC/AC-AC/DC直流電源,共同點： 經(jīng)過了兩級功率變換： 高頻逆變器將直流逆變?yōu)槊}寬可控的高頻方波交流 用不控整流將高頻方波交流整流為PWM直流方波， LC濾波器濾除高頻分量而獲得紋波很小的平