电力电子课件动画-第3章--直流-直流变换器--

第第3章章 直流直流变换器直流直流变换器 l直流直流降压变换器（直流直流降压变换器（BuckBuck变换器）变换器）l直流直流升压变换器直流直流升压变换器(Boost(Boost变换器变换器)l两象限、四象限直流直流变换器两象限、四象限直流直流变换器l多重、多相直流多重、多相直流直流变换器直流变换器l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 P153.1直流直流降压变换器（直流直流降压变换器（BuckBuck变换器）变换器）RLiVOVoiRiVCERRLOVoigIOVoiiVRLgITRiVTEGDiigVoioiCCibuck 电路图+-+-LLilvoVEOvCoo电路的开关状态和工作波形电路的开关状态和工作波形lvoVii+-liCioIiV(b)开关状态1，T导通D截止等值电路CLRRDiVoi+-lilv(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路ToVLCTEGRDiViigVoioiCCi+-+-LLilvoVEOvCoottttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiiv观看flash演示变压比、导通比的定义变压比、导通比的定义 变压比显然与电路结构和导通比都有关变压比显然与电路结构和导通比都有关系，他们之间的关系可用多种方法推导。系，他们之间的关系可用多种方法推导。导通比（占空比）：导通比（占空比）：变压比变压比 ：用波形积分的用波形积分的方法求变压比方法求变压比lvEO的直流分量的直流分量V0为为:C TEGRLODiViigVovoiFoI(a)电路tgVonTonToffTsT(b)驱动信号(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV=(c)输出电压波形2sT-2sTsTp2ODi用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量l周期性函数周期性函数可以分解为可以分解为无限项无限项三角级数三角级数付立叶级数：付立叶级数：用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量(续续)lF(t)也可表达为：也可表达为：用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量(续续)在在许许多多实实际际的的电电力力电电子子变变换换器器中中，由由于于电电路路开开关关通通-断断状状态态在在时时间间上上的的对对称称性性，使使电电压压、电电流流波波形形具具有有某某些些特特定定的的对对称称性性，从从而而使使其其付付立立叶叶级级数数表表达达式式中中某某些些项项系系数数为为零零，且且其其它它项项系系数数的的计计算算也也变变得得比比较较简简单单。物物理理上上这这种种情情况况就就是是这这时时电电流流或或电电压压波波形形中中不不存存在在某某些些电电流流或或电压分量。电压分量。l偶函数（奇函数）：正弦（余弦）项系数为零；偶函数（奇函数）：正弦（余弦）项系数为零；l半波对称函数：偶次谐波为零；半波对称函数：偶次谐波为零；l对称函数：偶次谐波为零，余弦项的系数为零；对称函数：偶次谐波为零，余弦项的系数为零；直流分量、基波、谐波、纹波直流分量、基波、谐波、纹波在直流电路中分解后的常量可看成所需要的在直流电路中分解后的常量可看成所需要的直流量直流量，谐波谐波都是不需要的量。都是不需要的量。RiVTEGDiigVoioiCCibuck 电路图+-+-LLilvoVEOvCoo 谐波一般用谐波一般用滤波器滤波器滤掉滤掉,滤波器的输出电压有滤波器的输出电压有纹波纹波。在交流电路中一般不会有直在交流电路中一般不会有直流分量，分解出的最低次谐波流分量，分解出的最低次谐波常常称为常常称为基波基波，其他，其他谐波谐波一般一般都是不需要的分量。都是不需要的分量。滤波滤波RiVTEGDiigVoioiCCibuck 电路图+-+-LLilvoVEOvCoo滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。如果：各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。用开关电路的稳态条件求变压比用开关电路的稳态条件求变压比 在开关电路中，常常利用电路前一周期初在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。电路的稳态运行表达式。l电感电流；电感电流；l电感磁通；电感磁通；l电容电压；电容电压；l电容电荷；电容电荷；用电感电流表达式求变压比用电感电流表达式求变压比lT导通、导通、D截止截止TEGRDiViigVoioiCCi+-+-LLilvoVEOvCooii+-lilvCioIiVoVCLR用电感电流表达式求变压比（续用电感电流表达式求变压比（续1）lT 截止、截止、D导通导通TEGRDiViigVoioiCCi+-+-LLilvoVEOvCoo(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路RDiVoi+-lilvToVLC用电感电流表达式求变压比（续用电感电流表达式求变压比（续2）l稳态时：稳态时：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiiv输出电压波动量计算输出电压波动量计算l电容电容C在一个开关周期内的充在一个开关周期内的充电电荷为：电电荷为：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiivTEGRDiViigVoioiCCi+-+-LLilvoVEOvCoo降压电路的控制方法降压电路的控制方法(1)PWM（Pulse Width Modulation）周期不变，导通的时间变化，即导通比周期不变，导通的时间变化，即导通比D改变从而改变变压比，控制输出电压。改变从而改变变压比，控制输出电压。(2)PFM（Pulse Frequency Modulation）导通时间不变，导通的周期变化，导通比导通时间不变，导通的周期变化，导通比D也能也能发生变化，从而达到改变输出电压的目的，但发生变化，从而达到改变输出电压的目的，但D的变化的变化范围有限。范围有限。PWM（脉冲宽度调制）（脉冲宽度调制）控制是控制是DC/DC电路中最电路中最常用的控制方法。常用的控制方法。电感电流不连续时电路的运行状态电感电流不连续时电路的运行状态 前面的分析都是基前面的分析都是基于电路工作中电感电流于电路工作中电感电流始终连续来分析的，当始终连续来分析的，当运行中运行中电流不连续电流不连续时，时，电路就会出现第三种开电路就会出现第三种开关状态，此时关状态，此时T、D都截都截止。止。RDiVoI(d)开关状态3，T阻断D截止等值电路TCoVTEGRDiViigVoioiCCi(a)buck 电路图+-+-LLilvoVEOvCoo电感电流不连续对运行的影响电感电流不连续对运行的影响 tttttt(f)电感电流断流时主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvivovsTsoffTDT1=sonDTT=iv断流后：观看flash演示电感临界连续电流计算电感临界连续电流计算 临界连续时：临界连续时：图3.3 电感电流波形图tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII 3.2 直流-直流升压变换器（Boost变换器）+110VRiV+-oV220V+-LTCRiVLVLioici+-oVCO+-LDTCRiVLVLioici+-oVCO+110VRiV+-oV220V+-LLVLiCO+-理想理想Boost变换器的变换器的开关状态和工作波形开关状态和工作波形观看flash演示理想理想Boost变换器的变压比（变换器的变压比（1）理想理想Boost变换器的变压比（变换器的变压比（2）工作电流的平均值表达式工作电流的平均值表达式l假定假定负载电流平均值为负载电流平均值为IOl输入电流和电感电流的电流输入电流和电感电流的电流平均值均为：平均值均为：l 通过二极管的电流通过二极管的电流ID等于负等于负载电流载电流IOl 通过开关管通过开关管T的电流平均值为：的电流平均值为：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-=11(e)电感电流连续时波形图oonTsToffT+LDTCRiVLiDicioV工作电流的其他表达式工作电流的其他表达式l电感电流的脉动量为：电感电流的脉动量为：l通过开关管通过开关管T和和D的电流最大值的电流最大值与电感电流的最大值相等：与电感电流的最大值相等：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-=11oonTsToffT+LDTCRiVLiDicioV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 输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量。可近似地由下式确定：理想理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压变换器开关器件所承受的最大电压 T和和D所所承承受受的的最最大大电电压压理理想想情情况况下下均均与输出电压相等。与输出电压相等。电感电流连续电感电流连续临界连续临界连续不连续不连续一个周期结束时一个周期结束时电流大于零电流大于零一个周期结束时一个周期结束时电流刚好等于零电流刚好等于零一个周期未结束一个周期未结束时电流就等于零时电流就等于零图3.3 电感电流波形图tgvLiLIonTttLiLKI(a)(b)tLiLI(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=DoffToffT=LKILK0,Id0第二象限：第二象限：Ud0,Id0第三象限：第三象限：Ud 0,Id 0 第四象限：第四象限：Ud 0直流电动机的特性直流电动机的特性l直流电机电枢绕组的反电势直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速与其励磁磁通和转速N的的乘积成正比：乘积成正比：l 电枢电压平衡方程为：电枢电压平衡方程为：转速高低由电枢转速高低由电枢电压的电压的大小大小决定，决定，转速方向由电枢转速方向由电枢电压的电压的方向方向决定。决定。l 电机的转矩方程为：电机的转矩方程为：转矩大小由电枢转矩大小由电枢电流的电流的大小大小决定，决定，转矩方向由电枢转矩方向由电枢电流的电流的方向方向决定。决定。l 转转矩矩方方向向与与电电机机转转向向相相同同为为电电动动状态，反之为制动状态状态，反之为制动状态直流电机的四象限运行直流电机的四象限运行ffeABeABaABKVKIRVN-=ABTeIKTf=图3.12 四象限直流直流变换器对直流电机电枢供电)(ABAVV)(ABAII第一象限第四象限第三象限第二象限dVBAIBAIABeTN+aEdVABIABABI+aEeTNABBAIeTN+aE-dVABABI+aE-dVABIeTN(d)3.5.1 两象限直流两象限直流直流变换器直流变换器UAB始终始终大于零大于零工作状态：工作状态：iAB可正可正可负可负电机转向电机转向始终为始终为正正电磁转矩电磁转矩可正可负可正可负电动电动制动制动第一象限工作第一象限工作工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向 电机运行于电机运行于正向电动正向电动状状态，能量由输入直流电源态，能量由输入直流电源供向负载。供向负载。第二象限工作第二象限工作工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向 电机运行于电机运行于正向制动正向制动状状态，能量由负载向直流输态，能量由负载向直流输入电源回馈。入电源回馈。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）3.5.2 四象限直流四象限直流直流变换器直流变换器 第三、四象限运行等效电路第三、四象限运行等效电路第三象限工作第三象限工作降压工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：反向（VAB0）输出电压大小：输出电流方向：反向 电机运行于电机运行于反向电动反向电动状状态，能量由直流输入电源态，能量由直流输入电源供向负载。供向负载。第四象限第四象限升压升压工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向 电机运行于电机运行于反向制动反向制动状态，能量状态，能量由负载供向直流输入电源。由负载供向直流输入电源。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）四象限直流四象限直流直流变换器直流变换器 3.6 多相、多重直流多相、多重直流直流变换器直流变换器 q把几个结构相同的基本变换器适当组合可以把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合型直流构成另一种复合型直流直流变换器，称之为直流变换器，称之为多相、多重直流多相、多重直流直流变换器。直流变换器。q假定复合型变换器中开关管控制周期为假定复合型变换器中开关管控制周期为TS，开关频率为，如果在一个开关频率为，如果在一个TS周期中周期中电源侧电流电源侧电流id(t)脉动脉动n次，即次，即id(t)脉动频率为脉动频率为nf，则称之则称之为为n相变换器相变换器。q如果在一个如果在一个TS周期中周期中负载电流负载电流i0(t)脉动脉动m次，次，即即i0(t)脉动频率为脉动频率为mf，则称之为则称之为m重变换器重变换器。多相、多重直流多相、多重直流直流变换器原理直流变换器原理 图3.13 三相、三重复合型直流直流变换器3.7 带隔离变压器的DC-DC变换器引入隔离变压器目的引入隔离变压器目的:l实现输入电源和负实现输入电源和负载的电气隔离载的电气隔离(提高提高安全可靠性和电磁安全可靠性和电磁兼容性兼容性)l匹配输入电压和输匹配输入电压和输出电压出电压l输出多个不同的直输出多个不同的直流电压流电压ovDDoVL2(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1i3OAN1N2N3D1FDCsiTCHB(a)Buck 变换器RDdVsiCLT3.7.1 隔离型隔离型Buck变换器变换器单端正激变换器单端正激变换器 l单端变换器变压器磁通仅在单方向变化l正激变换器开关管导通时电源将能量直接传送给负载(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1ioVLD3ovOAN1N2N3D1D2FDCsiTCHBlT导通：导通：Ton=DTs,N2、D2导电，导电，N3、D1、D3截止：截止：LovDR单端正激DC/DC变换器（T导通）*dVLi2i1ioVOAN1N2D12FDCsiTCHBlT截止：截止：减小；感应电势使减小；感应电势使D2截止；变压器截止；变压器激磁电流突变为零，过高的感应电压（激磁电流突变为零，过高的感应电压（很大）易使很大）易使T损坏，为此增加绕组损坏，为此增加绕组N3，T导电时导电时D3反偏反偏无作用。无作用。T截止时激磁电流下降，截止时激磁电流下降，将将 N3感应电势经感应电势经D3反送至电源，反送至电源，进一步减小到零进一步减小到零;经经D1续流。续流。单端正激DC/DC变换器（T截止）*dVLi2i3i1ioVLD3ovN1N2N3D1D2siTCH HB B+-输出电压表达式推导输出电压表达式推导l lT Tonon=DT=DTs s期间期间期间期间ovD(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1ioVLD3O OA AN1N2N3D12F FD DC CsiTCH HB Bl l T Toffoff =(1-D)T=(1-D)Ts s期间期间期间期间 开关管两端的最大电压开关管两端的最大电压l lT T两端的反压为两端的反压为两端的反压为两端的反压为：ovD(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1ioVLD3O OA AN1N2N3D12F FD DC CsiTCH HB B最大运行导通比最大运行导通比Ton=DTs期间期间 ovD(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1ioVLD3O OA AN1N2N3D12F FD DC CsiTCH HB B磁通增量磁通增量 Toff=(1-D)Ts期间期间 最大可能磁通减量最大可能磁通减量 最大运行导通比最大运行导通比(续续)ovD(b)单端正激DC/DC变换器*dVLi2i3i1ioVLD3O OA AN1N2N3D12F FD DC CsiTCH HB B通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5 因此T的反压 双管正激变换器lT1和和T2具有相同的占空具有相同的占空比；比；T1、T2导通时，导通时，D1、D2反偏截止，电源反偏截止，电源通过变压器向负载输送通过变压器向负载输送能量；能量；T1、T2截止时，截止时，iL经经D续流，变压器激磁续流，变压器激磁电流经电流经D1、D2返回电源，返回电源，起去磁作用。起去磁作用。l不需要专门的去磁绕组不需要专门的去磁绕组;l多一个开关管；开关管多一个开关管；开关管上承受的电压仅为上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器小于单管变换器。(c)双管正激变换器*T2T1D2D1CLDdVLiN13.7.2 3.7.2 隔离型隔离型隔离型隔离型Buck-BoostBuck-Boost变换器变换器变换器变换器单端反激变换器单端反激变换器单端反激变换器单端反激变换器l l反激变换器反激变换器反激变换器反激变换器开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载l l单端变换器单端变换器单端变换器单端变换器变压器磁通仅在单方向变化(a)BuckBoost变换器dV-+RCLTDT导通时的关系式导通时的关系式N1*为正，为正，D1截止截止，单端反激变换器（T导通）*dV2iH HO OTL1N2N1D1F FD DA ARC-+oVL2T阻断时的关系式阻断时的关系式单端反激变换器（T 阻断）*dV2iH HO OTL1N2N1D1F FD DA ARC-+oVL2电感电流如何？电感电流如何？综合通、断两种情况的关系式综合通、断两种情况的关系式l在在T阻断期结束，阻断期结束，T再次开始导通的瞬间，电流从再次开始导通的瞬间，电流从N2的的转到转到N1绕组的电流初值为绕组的电流初值为 ，所以，所以l稳态运行时在一个周期稳态运行时在一个周期TS中增加的磁通应等于减少的中增加的磁通应等于减少的磁通量磁通量，所以得到输出直流电压平均值，所以得到输出直流电压平均值 lN1绕组的最大电流：绕组的最大电流：l稳态运行时输出直流电压稳态运行时输出直流电压lN1绕组的最大电流：绕组的最大电流：反激变换器反激变换器反激变换器反激变换器关系式（续关系式（续1）lN2绕组的最小电流绕组的最小电流l电流电流 不断流的条件不断流的条件 ，所以有，所以有关系式（续关系式（续2）l开关管阻断、开关管阻断、D1导通导通时承受的正向电压时承受的正向电压+关于关于单端反激端反激变换器的器的总结l在负载为零的极端情况下，由于在负载为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作反激式变换器不能在空载下工作。l不需要专门的去磁绕组，不需要专门的去磁绕组，电路简单。电路简单。l依靠变压器绕组电感在开关依靠变压器绕组电感在开关T阻断时释放存储的能量阻断时释放存储的能量而对负载供电，磁通也只在单方向变化，因此通常仅而对负载供电，磁通也只在单方向变化，因此通常仅用于用于100-200W以下的以下的小容量小容量DC/DC变换变换（如控制系（如控制系统所需的辅助电源统所需的辅助电源）。）。不需要专门的去磁绕组不需要专门的去磁绕组;l双管单端反激变换器多一个开关管；开关管上承受的双管单端反激变换器多一个开关管；开关管上承受的电压仅为电压仅为Vd，小于单管变换器。，小于单管变换器。双管反激变换器双管反激变换器lT1、T2同时导通、同时阻同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储断；导通时将电源能量储存在变压器中，阻断时储存在变压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方存的能量送给负载，原方绕组电流通过绕组电流通过D1、D2和和电源续流、去磁。电源续流、去磁。lT1、T2所承受的最高电所承受的最高电压仅为电源电压压仅为电源电压Vd(c)双管反激变换器*T2T1D2D1CdVD谢谢！