DC-DC變換電路原理.ppt

1、DC/DC變換電路,3.2基本的直流斬波電路,3.3復合斬波電路,3.4 變壓器隔離的直流直流變換器,3.1直流PWM控制技術基礎,返回,第3章 DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉換成另一固定電壓或電壓可調的直流電能。,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路,重點：電路結構、工作原理及主要數量關系,第3章 DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉換成另一固定電壓或電壓可調的直流電能。,直流變換電路完成直流變換的電路。,直流變換器實現直流變換的裝置。,3.1直流PWM控制技術基礎,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,直流調速：需

2、要可變的直流電壓,直流供電電壓一定，而負載需要不同電壓,直流升壓：太陽能電池輸出電壓較低，需要 變換到較高電壓再變換為直流,3.1直流PWM控制技術基礎,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,（1）開關管T導通時，R兩端電壓 uo=US,開關管IGBT導通條件： UG0,3.1直流PWM控制技術基礎,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,（2）開關管T斷開時，R兩端電壓 uo=0,開關管IGBT斷開控制： UG=0,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,R兩端平均電壓：,控制一周期中導通時間比例可控制輸出平均電壓,開關管IGBT控制電壓,R兩端電壓波形,3.1.1 直流變換的

3、基本原理及PWM概念,定義上述電路中導通占空比D為:,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖頻率調制(PFM),維持ton不變，改變TS。改變TS就改變了輸出電壓周期或頻率。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖寬度調制(PWM),維持TS不變，改變ton 在這種方式中，輸出電壓波形的周期不變，僅改變脈沖寬度。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,混合脈沖寬度調制,脈沖周期TS與寬度ton均改變。,廣義的脈沖寬度調制技術包含上述三種控制方式,1面積等效原理PWM應用的理論基礎

4、,自動控制理論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。,形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖,3.1.2 PWM技術基礎,沖量=窄脈沖面積,沖量相同的各種窄脈沖的響應波形,1面積等效原理,比較RL電路對沖量相同而形狀不同窄脈沖的響應波形可知，輸出波形大致相同 進一步說,響應波形的低頻成份基本相同。,上述原理可以稱為面積等效原理。根據該原理，將平均值為up的一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖加到包含慣性環(huán)節(jié)的負載上，將與施加幅值為up的恒定直流電壓所得結果基本相同，這樣一來就可用一列脈沖波形代替直流波形。,除了直流波形可用PWM波形來代替外，根據面積等效原理可以進一步推出，可以

5、在一段時間內按一定規(guī)則生成PWM波形來代替所需的任何波形,1面積等效原理,如用正弦脈沖寬度調制波形來代替正弦波SPWM,2直流PWM波形的生成方法,生成PWM波形有多種方法，常見有計算法、調制法等。,計算法是在每個時間段，利用計算機技術直接計算出當前所需要的脈沖寬度，進而據此對電力電子器件進行開關控制而獲得PWM波形。,調制法是利用高頻載波信號與期望信號相比較來確定各脈沖寬度信息進而生成PWM波形。,調制法生成PWM波形典型框圖：,返回,2直流PWM波形的生成方法,載波信號頻率遠大于調制信號頻率,3.2基本的直流變換電路,3.2.1 降壓斬波電路,3.2.2 升壓斬波電路,3.2.3 升降壓斬

6、波電路,3.2.4 庫克變換電路,返回,3.2基本的直流變換電路,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路,介紹內容：,1、電路結構,2、工作原理,3、主要波形,4、基本數量關系,3.2基本的直流斬波電路,3.2.1 降壓變換電路,降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓，又稱為Buck型變換器。,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（1）T導通情形,電感電壓uL=US uo，在該電壓的作用下，電感電流iL線性增長 ，電感儲能增加,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（2）T 斷開情形-電流連續(xù),電感電壓uL= uo，在該

7、電壓的作用下，電感電流iL線性下降 ，電感儲能減少,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（2）T 斷開情形-電流斷續(xù),電感電壓uL= 0， 電容向負載供電,T一周期中導通時間愈長，向電感轉移的能量愈多，向負載轉移的能量也愈多，即輸出電壓愈高,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,特殊情形：T常斷開,特殊情形：T常導通,2 主要波形分析,3.2.1 降壓變換電路,理論基礎電路理論 基本方法分段線性分析 （重點是根據開關情況確定等效電路）,假設條件：,1、器件是理想的（不考慮開關時間、導通壓降等）,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,2 主要波形電感電流連續(xù)情形,

8、電感電流連續(xù)情形： iL0,降壓電路,2 主要波形電感電流連續(xù)情形,數學模型:,初值條件?,假設uC=Uo =常數iL線性增加,T導通波形,2主要波形電感電流連續(xù)情形,假設uC= Uo =常數iL線性減少,主要波形,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,(2) 平均輸出電流Io,表現系統(tǒng)主要性能指標的量：,(3) 電感電流紋波DIL,(4) 負載電壓紋波DUO,主要器件承受的電壓、電流等量可根據波形確定,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,uL,uG,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,i

9、m,t,t,t,t,ton,toff,iM,(2) 輸出平均電流Io,IO,(3) 電感電流紋波DIL,uL,uG,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,im,t,t,t,t,ton,toff,iM,IO,(4) 電感電流極值iM、im,?,穩(wěn)態(tài)情況下，電容上一周期中的平均電流為零。,電感平均電流 =負載平均電流,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,(5) 電容電壓紋波DuC,uG,iL,im,t,t,ton,toff,iM,IO,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,（5）電容電壓紋波DuC,結論： 1：增加LC, 電壓紋波減少 2：開關頻率高，電壓紋波小 3：D=0.5，電壓紋波達到峰值

10、,3 主要數量關系電感電流連續(xù)情形,5、電容電壓紋波DuC,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,電感電流斷續(xù)情形： 在一段時間內iL=0,降壓電路,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設uC=Uo =常數iL線性增加,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設uC= Uo =常數iL線性減少,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,uC= Uo =常數iC維持不變,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,注意：tcon與電路參數、ton有關,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,記,電壓變換比：,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,(2

11、) 輸出平均電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,uL,uG,iL,uC,t,t,t,t,ton,toff,iM,tcon,(4) 電容電壓紋波DuC,t,t2,t1,注意：,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,注意：,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數關系,電感平均電流=負載平均電流,電感平均電流IL:,5 主要數量關系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數關系,注意到：,最后有：,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù): 電感電流僅瞬間為零,電流臨界連續(xù)時:,（5） 電感電流臨界連續(xù)條件,降壓變換電路小結,返回,3.2

12、.2 升壓變換電路 Boost電路,1 升壓變換電路結構與工作原理,工作原理:,T導通時, uL=US , 電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉移電能。,T斷開時, uL=US - uC, 電感電流減少,電感儲能減少, 電感儲能向負載轉移電能。,升壓變換電路結構,升壓變換電路IGBT實現,返回,3.2.2 升壓變換電路 Boost電路,1 升壓變換電路結構與工作原理,工作原理:,穩(wěn)態(tài)情況下,T斷開時, 電感電流減少,uL=US - uC 0,升壓變換電路IGBT實現,2 波形分析,假設條件：,1、器件是理想的（不考慮開關時間、導通壓降等）,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,升壓變

13、換電路IGBT實現,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,等效電路: 根據開關器件的通斷狀況來確定,IGBT器件的通斷由其柵極控制信號決定,升壓變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升壓變換電路,T導通等效電路,T斷開等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,升壓變換電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導通等效電路,T斷開D續(xù)流等效電路,T斷開D斷開等效電路,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,升壓變換電路,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,升壓變換電路,3 主

14、要數量關系-電感電流連續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,升壓變換電路,考慮Ioim情形:,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,注:,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,電感電流平均值I L,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數的關系,輸入功率=輸出功率，有：,其中：,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,注意:,3 主要數量關系,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)時:,3 主要數量關系,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,

15、電流連續(xù)時:,升壓變換電路小結,升壓變換電路不宜在輸出端開路情況下工作!,返回,3.2.3 升降壓變換電路 Buck-boost電路,1 升降壓變換電路結構與工作原理,T導通時, uL=US , 電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉移電能。,T斷開時, uL= - uC, 電感電流減少,電感儲能減少, 電感儲能向負載轉移電能。,升降壓變換電路結構,升降壓變換電路IGBT實現,返回,3.2.3 升降壓變換電路 Buck-boost電路,1 升降壓變換電路結構與工作原理,工作原理:,特殊情況: T長期斷開時,輸出電壓uO=0。,T導通時間較長時,電感電流將趨于無限大,此時斷開T,將有無窮大

16、能量轉移到負載,輸出電壓uO也將趨于無限大。,升降壓變換電路結構,升降壓變換電路IGBT實現,2 波形分析,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,升降壓變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,電感電流連續(xù)iL0,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,T導通等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,波形分析-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,電感電流斷續(xù): 存在iL=0時間段,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T斷開、D續(xù)流等效電路,T導通等效電路,T斷開、D斷開等效電路,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中

17、的平均電壓為零。,或：,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,T導通期間：,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(4)電容電壓紋波DuC,考慮Ioim情形:,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,T導通期間：,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(4)電容電壓紋波DuC,注意:,3 主要數量關系,(5)電流臨界連續(xù)條件

18、,電流臨界連續(xù)時:,3 主要數量關系,(5)電流臨界連續(xù)條件,電流連續(xù)時:,升降壓變換電路小結,D2與電路參數關系請自行推導,返回,3.2.4 庫克變換電路,優(yōu)點: 降壓、負載電流波動小 缺點：不能升壓、電源電流波動大,優(yōu)點: 升壓、電源電流波動小 缺點：不能降壓、負載電流波動大,優(yōu)點: 能升壓、降壓 缺點：負載電流、電源電流波動大,升降壓變換電路,降壓變換電路,升壓變換電路,返回,3.2.4 庫克變換電路,期望電路：能同時實現升壓、降壓 能同時使電源電流、負載電流波動小,庫克變換電路,3.2.4 庫克變換電路,1 工作原理:,T導通時, uL=US , 電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向

19、電感轉移電能。同時電容C1上儲能向負載轉移。,T斷開時, 電感電流減少,電感儲能減少, 電感儲能向C1 、負載轉移電能。,控制T通斷來控制電源向負載轉移電能,3.2.4 庫克變換電路,1 工作原理:,特殊情況: T長期斷開時,輸出電壓uO=0。,T導通時間較長時,電感電流將趨于無限大,此時斷開T,將有無窮大能量轉移到負載,輸出電壓uO也將趨于無限大。,控制T通斷來控制電源向負載轉移電能,2 波形分析,假設條件：,1、器件是理想的（不考慮開關時間、導通壓降等）,2、濾波電容較大，輸出電壓基本平直,庫克變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫克變換

20、電路,T導通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,庫克變換電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,T斷開、D斷開等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,T斷開、D斷開等效電路,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,C1平均電壓滿足:,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(3) 電感電流紋波DiL

21、,(2) 輸出平均電流IO,3 主要數量關系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(4) 輸出電壓紋波DuO,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,庫克變換電路,(1) 輸出平均電壓UO,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,因輸入輸出功率平衡，有：,電流臨界連續(xù)時:,庫克變換電路,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,因為：,因輸入輸出功率平衡，有：,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,又：,因Io=L2平均電流，有：,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,

22、電流臨界連續(xù)條件,#1、#2兩式相加,（#1）,（#2）,3 主要數量關系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)條件：,電流連續(xù)條件:,電流斷續(xù)條件:,庫克變換電路,庫克變換電路小結,庫克變換電路,1、既能升壓、也能降壓,2、電源側、負載側電流波動小,1、電路稍復雜（多用一電感、一電容）,2、電容C2充放電電流波動大,返回,3.3.1 多相多重斬波電路,把幾個結構相同的基本斬波器適當組合，可以構成復合型斬波電路,3.3復合斬波電路,多相多重斬波電路,返回,3.3.1 多相多重斬波電路,多相多重斬波電路,如果在一個周期TS中，電源側電流iS 脈動n次，則稱為n相斬波器。,假設復合型斬波器中每個開關管通斷周期都是TS,如果在一個周期TS中，負載電流io脈動m次，則稱為m重斬波器。,3.3.1 多相多重斬波電路,多相多重斬波電路,個開關器件T1、T2、T3依序通、斷各一次，它們導通時間的起點相差TS /3，個開