电力电子-第3章(修改)-课件

电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 3 3 章章直流直流/直流变换器直流变换器3 3 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器）3.2 3.2 直流直流/直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器）3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器）*3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/直流变换器直流变换器 *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/直流变换器直流变换器 小结小结 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 q1、定义：定义：q 利利用用电电力力开开关关器器件件周周期期性性的的开开通通与与关关断断来来改改变变输输出出电电压压的的大大小小，将将直直流流电电能能转转换换为为另另一一固固定定电电压压或或可可调调电电压压的的直直流流电电能能的的电电路路称称为为直直流流变变换换电电路路。(开开关关型型DC/DC变变换换电电路路/斩斩波器波器)。q2、分类：、分类：q 按按稳稳压压控控制制方方式式:脉脉冲冲宽宽度度调调制制(PWM)、脉脉冲冲频频率率调调制制、(PFM)直流变换电路。直流变换电路。q 按按变变换换器器的的功功能能:降降压压变变换换电电路路(Buck)、升升压压变变换换电电路路(Boost)、升升降降压压变变换换电电路路(Buck-Boost)、库库克克变变换换电电路路(Cuk)和全桥直流变换电路。和全桥直流变换电路。q3、隔离方式：、隔离方式：q 在在直直流流开开关关稳稳压压电电源源中中直直流流变变换换电电路路常常常常采采用用变变压压器器实实现现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。q 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理q 3.2 降压变换电路降压变换电路q 3.3 升压变换电路升压变换电路q 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 q 3.5 库克变换电路库克变换电路 q 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器q 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理v工作原理：工作原理：图中图中S是可控开关，是可控开关，R为纯为纯阻性负载。在时间内当开关阻性负载。在时间内当开关S接通时，接通时，电流经负载电阻电流经负载电阻R流过，流过，R两端就有电两端就有电压；在时间内开关压；在时间内开关T断开时，断开时，R中电流中电流为零，电压也变为零。为零，电压也变为零。输输出出电电压压平平均均值值的的改改变变：因因为为D是是01之之间间变变化化的的系系数数，因因此此在在D的的变变化化范范围围内内输输出出电电压压UO总总是是小小于于输输入入电电压压Ud，改变，改变D值就可以改变其大小。值就可以改变其大小。占占空空比比的的改改变变：通通过过改改变变ton 或或TS来来实实现。现。l图3.1.1 基本的斩波器电路l 及其负载波形 q直流变换电路的常用工作方式主要有两种：直流变换电路的常用工作方式主要有两种：q 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)工作方式：工作方式：q 即即维维持持不不变变，改改变变TS。在在这这种种调调压压方方式式中中，由由于于输输出出电电压压波波形形的的周周期期是是变变化化的的，因因此此输输出出谐谐波波的的频频率率也也是是变变化化的的，这这使使得得滤滤波波器器的的设设计计比比较较困困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。q 脉宽调制脉宽调制(PWM)工作方式：工作方式：q 即即维维持持TS不不变变，改改变变。在在这这种种调调压压方方式式中中，输输出出电电压压波波形形的的周周期期是是不不变变的的，因因此此输输出出谐谐波波的的频频率也不变，这使得滤波器的设计容易。率也不变，这使得滤波器的设计容易。3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理q 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理q 3.2 降压变换电路降压变换电路q 3.3 升压变换电路升压变换电路q 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 q 3.5 库克变换电路库克变换电路 q 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器q 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 3.2 降压变换电路降压变换电路原理图 l续流二极管l全控型电力器件l输入直流电压l滤波电感l滤波电容l负载导通导通期间（期间（ton）：）：电力开电力开关器件导通，电感蓄能，关器件导通，电感蓄能，二极管二极管D D反偏。等效电路反偏。等效电路如图如图3.2.1(b)3.2.1(b)所示所示 ；关断期间（关断期间（t toffoff）：）：电力电力开关器件断开，电感释能，开关器件断开，电感释能，二极管二极管D D导通续流。等效导通续流。等效电路如电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示；所示；l图3.2.1 降压电路及其波形图3.2 降压变换电路降压变换电路 3.2.1 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性BuckBuck变换器有两种可能的运行工况：变换器有两种可能的运行工况：（1 1）电感电流连续模式）电感电流连续模式 CCM(ContinuousCCM(Continuous Current Mode)Current Mode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2 2）电感电流断流模式）电感电流断流模式 DCMDCM（Discontinuous Current ModeDiscontinuous Current Mode）：）：指在开关管指在开关管T T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：二者的临界：称为电感电流临界连续状态：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。v电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容和电容C的数值。的数值。l图3.2.2 电感电流波形图v Buck变换器的可能运行情况：l电感电流连续模式l电感电流临界l连续状态l电感电流断流模式 3.2.1 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性1.1.电流连续时只有两种开关状态电流连续时只有两种开关状态(2)开关状态开关状态2：T管阻断管阻断,D管导通管导通(1)开关状态开关状态1：T管导通管导通,D管阻断管阻断2.变压比、导通比的定义变压比、导通比的定义 变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法分析方法导通比（占空比）：导通比（占空比）：变压比变压比 ：用电感电流表达式求变压比用电感电流表达式求变压比T导通、导通、D截止截止T 截止、截止、D导通导通稳态时：稳态时：3.2.2 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比2.临界负载电流临界负载电流3.BUCK变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性l第三种状态第三种状态:T、D都截止。都截止。l变压比变压比1.三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比临界连续时：临界连续时：2.临界负载电流临界负载电流3.Buck变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性变变换换器器的的变变压压比比（或或输输出出电电压压）与与占占空空比比和和负负载载电电流流的的函函数数关关系称为外特性。系称为外特性。电电感感电电流流连连续续时时，变变压压比比等等于于占占空空比比，输输出出电电压压与与负负载载电电流流无关。控制特性是线性的。无关。控制特性是线性的。在在电电感感电电流流断断流流的的情情况况下下，变变压压比比M为为(3-21)式式，控控制制特特性性是非线性的。是非线性的。外外特特性性从从线线形形到到非非线线形形的的转转折折点由临界负载电流确定。点由临界负载电流确定。滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电抗对谐波的阻抗为：L滤波器电容对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C如果：如果：q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波滤波v输出纹波电压：输出纹波电压：q在在Buck电路中，如果滤波电容电路中，如果滤波电容C的容量足够大，的容量足够大，则输出电压则输出电压U0为常数。然而在电容为常数。然而在电容C为有限值的为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。情况下，直流输出电压将会有纹波成份。l其中其中f为为buck电路的开关频率，电路的开关频率，fc为电路的截止频率。为电路的截止频率。l它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L、C值，当满足值，当满足fcf 时，可以限制时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。设计图3.2(a)所示的Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=147220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。例例3.1q 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理q 3.2 降压变换电路降压变换电路q 3.3 升压变换电路升压变换电路q 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 q 3.5 库克变换电路库克变换电路 q 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器q 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路q1)1)定义：定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。电路。l全控型电力器件开关l储能l保持输出电压l2）原理图q3）工作原理：）工作原理：ton工作期间：工作期间：二极管反偏二极管反偏 截止，电感截止，电感L L储能，电容储能，电容C C 给负载给负载R R提供能量。提供能量。toff工作期间：工作期间：二极管二极管 导通，电感导通，电感L L经二极管给经二极管给 电容充电，并向负载电容充电，并向负载R RL L提提 供能量。供能量。3.3 升压变换电路升压变换电路l图3.3.1 升压变换电路及其波形2.变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系l理想理想Boost变换器的变压比变换器的变压比T导通导通,D截止截止T 阻断，阻断，D导通导通2.变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系 输出电压脉动等于开关管输出电压脉动等于开关管T导通期间电容导通期间电容C的电压变化量，的电压变化量，V0可近似地由下式确定可近似地由下式确定l理想理想Boost变换器输出电压纹波的大小变换器输出电压纹波的大小 T导通时为电感导通时为电感L储能阶段，此时电源储能阶段，此时电源不向负载提供能量，不向负载提供能量，负载靠储于电容负载靠储于电容C的的能量维待工作。能量维待工作。T阻断时，电源和阻断时，电源和电感共同向负载供电，电感共同向负载供电，同时给电容同时给电容 C充电充电。l图3.3.1 升压变换电路及其波形l 总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:3.3 升压变换电路升压变换电路电感电流电感电流断流时工作特性断流时工作特性1.三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比2.临界负载电流临界负载电流3.Boost变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性 3.3 升压变换电路升压变换电路1.三三种开关状态与变压比种开关状态与变压比lVG0,T管导通管导通,D截止截止 1.三种开关状态与变压比三种开关状态与变压比lVG=0,T管阻断，管阻断，D导通导通1.三种开关状态与变压比三种开关状态与变压比lVG=0,T管阻断，管阻断，D管截止管截止 2.临界负载电流临界负载电流l临界负载电流l当负载电流IOIOB,电感电流连续l当负载电流IO=IOB,电感电流处于连续与断流的边界l当负载电流IOD输出电压输出电压 变压比变压比Buck电路Boost电路Cuk电路l电流连续时l电流不连续时