电力电子——直流-直流变换器

直流-直流变换器摘要：电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换 和控制的技术。直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断 续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流变换是为解决系统效率，特别是大 功率系统的效率而提出的解决方案，它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直 流电能的电力电子装置。它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列 的脉冲电压，通过控制比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节， 再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电压或电流可控的直流电能。关键词：直流-直流变换器；斩波器；电力电子技术0 引言将直流电变为另一固定电压或可调电压的变换电路，也称为直流-直流变换器，一般指直接将 直流电变为另一直流电，不包括直流一交流一直流，斩波方式有周期T不变改变导通时间Ton 一调宽，导通时间Ton不变，改变周期T调频，T、Ton都改变混合调制。按照电路拓扑分为不带隔离变压器的直流变换器和带隔离变压器的直流变换器两大类。基本 的直流变换器是通过开关管，再经电容、电感等储能滤波元件将输入的直流电压变换为符合负载 要求的直流电压或电流。直流-直流变换器适用场合于输入输出电压等级相差不大，且不要求电气隔离的应用场合。基本的直流变换器有多种电路接线形式，根据电路结构及功能分类，四种基本类型：（1）Buck 直流变换器；（2）Boost直流变换器；（3）Buck-Boost直流变换器；（4）Boost-Buck直流变换器。 其中，（1）、（2）两种是直流变换器最基本的结构；（3）、（4）是前两种基本结构的组合形式。1基本直流变换器1.1 Buck直流变换器Buck变换器（又称作降压变换器）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。 它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源中， 在这些应用场合，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进行调节。假设图1（a）中的开关V为理想开关，即不计其损耗。从图31（b）可以看出，当开关管闭 合时，输出电压Uo等于输入电压Ui；当开关管断开时，输出电压为0；因此，可以由开关管占 空比计算输出平均电压，即U = oU = DU。 T ，（1）由式（1）可知，通过改变占空比D即可以控制输出平均电压Uo,并且输出平均电压Uo的值 总是小于或者等于输入电压Ui；因此，这种变换器称为降压变换器。o J1 Ui中%V T 1 7b)电压波形图图1纯电阻负载buck变换器的电路图1. 工作原理图2 (a)为一可实际应用的buck变换器的电路拓扑，图2 (b)为输出电压波形。这种降 压变换器的工作原理是：当开关V导通时，Ui通过电感L向负载传递能量，此时，iL增加，电感 储能增加，如图3(a)所示。当V断开时，由于电感电流iL不能突变，iL通过二极管VD续流， 电感L上的能量逐步消耗在电阻R上，iL降低，L上储能减小，如图3(b)所示。由于VD的单 向导电性，iL不可能为负，即总有iL0，从而可在负载上获得单极性的输出电压。由于在稳态分析中假定输出端滤波电容很大，则输出电压可认为是平直的，即uo(tgUo。同 样，由于稳态时电容的平均电流为0，因而降压变换器中电感的平均电流等于平均输出电流Io。由降压变换器的原理可以看出，电感可以工作在连续电流工作方式，也可以工作在不连续的 工作状态。电感电流连续的状态称为连续导电模式，反之则称为不连续导电模式。一An TUi11.rTL-I-AT图3降压变换器当晶体管V导通时，电感中有电流流过且二极管为反向偏置，导致电感两端呈现正电压di（2）U -U = Ld_在该电压作用下电感中电流线性上升，上式可写成Lx Lin = L TONU - U = L TON当晶体管截止时，电感中电流不能突变呈现负电压，则有diU =L o dt（3）感应电势反号，迫使经二极管导通，此时uL=-Uo（4）电感电流线性下降，上式可写为I - iI -1 AzU = L o mino max = L o max o min = L OFoTTT（5）式中，Tof*晶体管的截止时间。在稳态时，AiOF =Aon =Ai，联解式（3）和式（5）得 到Uo= DU式（6）和式（1）完全相同，这是因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。有关点的波 形如图4所示。输出电流平均值（7）I = I = 1( i +i ) = UL o 2 o m i n o max R2. 变换器理想条件下的外特性在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流的关系Uo = f （io）D称为变换器的外特 性。式（6）表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减 少，可能出现电感电流断续。由式（3）和式（5）可见，当输入电压和输出电压一定时，是常数。又由式（7）可见，当负载电流减少到mino max，此时最小负载电流1 o min，即为电感临界连续电流1GG o min1 .i2 o max（8）有关的波形如图5所示。图5连续与间断临界条件下的电流电压波形考虑到式（3）和式（6）（9）由上式可见，临界连续电流与占空比的关系为二次函数。当D=1时，临界电流达到最大值G max = 8 L（10）将式（10）代入式（9）得到十 4 】G max D （1 一 D ）（11）因临界连续是连续的特例，在降压式变换器中D = 方。在给定占空比D时，如负载电流i大于式（11）决定的ig电感电流连续，电压比 U与负载无关。如负载电流小于式（11）决定i的1G，则电感电流不连续，波形如图6所示。由图可见，在关断时间结束前续流二极管电流就下降到零，此时输出平均电流I = 1( i T + A if T ) o T 2 ON ONOF OF(12)式中，%是晶体管关断后电流持续时间式中TOF也可以由伏-秒积相等的原则求得上式。将式（15）代入式（12）得到U - U+ ioUoAiONTON )再将式（13）代入式（16），并考虑到式（10），经整理得到（13）（14）（15）（16）（17）G maxU&Ui11 + I (4IgFT)(18)上式关系示于图7,并将式（6）和式（11）画于同一图上，这就是降压式变换器的标幺外特 性。图中曲线A为临界连续曲线，由式（11）决定；曲线A右边为电流连续区，由式（6）决定； 而曲线A左边为电流断续区，由式（18）决定。可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不 仅与占空比有关，而且与负载电流有关。在讨论中虽然忽略了电感电阻和晶体管压降，但从特性 上可以发现，变换器存在很高的非线性内阻。如变换器工作在这一区域，为维持一定的输出与输 入电压比，占空比随负载改变非常大。通常功率管在轻载时存储时间长，这样会在低输出电流时 变换器失控；如保证不失控，就应降低变换器的开关频率。因此在电路设计时，应以最小输出电 流作为电感电流临界连续来设计线圈电感。图7 降压式变换器的标幺外特性1.2 Boost直流变换器Boost变换器又称为升压变换器，它对输入电压进行升压变换，其电路结构如图8所示。图8升压变换器电路1.工作原理通过控制开关管V的导通比，可以控制升压变换器的输出电压。电路原理是：设开关管V由 信号uG控制，uG为高电平时，V导通，反之，V关断。V导通时，uL=U. 0,iL增加，电感储能 增加，同时负载由C供电；V关断时，因电感电流不能突变，iL通过VD向电容C、负载供电， 电感上储存的能量传递到电容、负载侧，此时iL减小，L上感应电势UL0.5时，输出电压大于输入电压，而DV0.5时，输出电(35)压小于输入电压，所以是升降压式电路。若假定该电路无损耗，输入功率等于输出功率占空比的关系为I _ 1 - D广_ i即Pl=Po,U.Il=UoIo；故得到平均输出电流与(36)2.升降压式电路的外特性在理想条件下，可采用处理降压式相似的方法续时（图17）求得电感电流连续时的外特性。电流临界连I = I = .I.! iTG o min T 2 OF（37）稳态时，因max T I图17连续与间断临界条件下的电流电压波形L = &，由式（33）可得彳TonI =g2 T=iD (1 D )2 L.TOF(38)当D=0.5时，得到最大临界连续电流U TIG max* (39)将式（39 ）代入式（38）得到IG = 4 IG max 比较式(40)与式(11)D (1 D )(40)及式（38）与式（9）是相同的，这就是电感电流临界连续一般表达ON式。当电感电流断续时（图18），用相似于降压变换器的推导方法得到(41)4 0 max D Uo经整理(42)4 D 21G mxI1.4 Boost-Buck直流变换器在前面三节介绍的降压、升压、升降压变换器电路都很简单，都有各自的特点，并能完成相 应的功能。Boost-Buck直流变换器又称为丘克变换器，综合了它们的优点，可以同时实现：（1） 输入输出电压基本平直；（2）输出电压可在0-8之间变化；（3）主开关器件驱动简单。丘克变换 器电路如图20所示。其中，L1、C1均作为能量传递的元件使用，L2、C2为滤波元件。电路工作原理是：当控制信号使开关管V导通时，二极管VD截止，电源q向电感L1传送 能量，电感电流iL1上升，L1储能增加。导通时间越长，L1中储存能量增加越多，此时C1中储 存的能量释放给负载侧，即R、L2、C2上；当控制信号使开关管V截止时，二极管VD导通， 电感L1中电流流经C1，即给C1充电，电源U储能电感L1同时向C1传送能量，此时输出电 压Uo靠电容C2和电感L2维持基本不变。由上述分析可知：控制开关管V的占空比，即可控制 向C1传递能量的多少，从而可控制输出电压的大小。为了便于对系统进行稳态分析，假设电路中元器件均为理想的，同时还认为电容电压基本上 是平直的，即忽略C1、C2上的纹波影响。在本节讨论中，着重给出连续导电模式的工作原理、工作波形及相关公式的推导过程。图20 Boost-Buck变换器电路拓扑由上面对丘克变换器的分析，可以得到连续导电模式下丘克变换器在V导通与截止时的等 效电路图，如图21所示，各点的波形如图22所示。(43)(44)图21连续导电模式下丘克变换器等效电路图假定电感电流iL1和iL2为连续的，现推导稳态时电流与占空比的关系。如果电容C1上的电压不变，而电感Ll和L2上的电压在一个周期内的积分等于0，因而对于 电感L1有(U DT + (U - U C 1)(1 - D )T = 0其结果是UC1对于电感L2,同样有(UC 1 - U )DT + (-U )(1 - D )T = 0所以，(45)=Du(46)进而由式（44）和式（46）得到，U _ DU 1 - D（47）i假定Pi=Po，则有I _ 1 - D厂=（48）式中，Ii=ILi，Io=IL2。此外，还可以用另一种方法推导出同样结果。先假定电感电流iL1和iL2无纹波，当开关断开时，电容C1中储存的电荷量为IL1（1-D）T，当开关闭合时，电容释放的总电荷 量为IL2DT。已知稳态情况下电容C1的电荷净变化量在一周期内必然等于0，从而得到11 1(1 - D )T = I 2DT(49)当Pi=Po时，有I _ I 1 - D D所以U DU 1 - Di(50)(51)可见两种分析结果完全相同，其输入和输出平均值的关系与升降压变换器也是相同的。图22连续导电模式各点波形图由式（51）可知：当 D=0.5 时，Uo=E;当D0.5，为降压式；当D 0.5,为升压式；由此可得，只有改变开关管的占空比D,就可以实现调节输出电压Uo的目的。丘克变换器 的优点是输入电流和供电输出级的电流是无纹波的，从而降低了对外部滤波器的要求。缺点是要 有足够大的储能电容C1。2 总结本文详细分析了 Buck直流变换器、Boost直流变换器、Buck-Boost直流变换器、Boost-Buck 直流变换器的基本原理和稳态工作特性，分析过程中，为便于理解把变换器中的功率器件看作理 想开关，并且对电路中电感和电容的损耗忽略不计。此外还假定变换器的直流输入电源为理想的 恒压电压源。直流变换器输出端所带负载常用一等效电阻来表示。而在直流电机驱动中，电机负 载可表示为直流电压与绕组电阻和电感的串联等效电路。通过完成本次的读书报告我学到了 很多知识，使我对电力电子技术的了解和理解更加深刻了，也让我了解了可调直流稳 压电源的工作原理，并进一步明白了电力电子技术在实际中的应用，用分析问题、解 决问题的方法巩固了所学的知识，学会一些书本外的东西，拓宽了我的视野，强化了 理论与实践的联系，加强了自己的手动能力。参考文献：1 王兆安 黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，20002 浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社，20003 莫正康.电力电子技术应用（第3版）.机械工业出版社，20005刘定建，朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社，19966 康维新.MCS-51单片机原理与应用.北京：中国轻工业出版社，20097 石玉 栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社，19988 洪耐刚.电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，2008.1