第3章DC＼DC变换电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 DC/DC变换电路,3.2基本的直流斩波电路,3.3复合斩波电路,3.4 变压器隔离的直流直流变换器,3.1直流PWM控制技术基础,返回,第3章 DC/DC变换电路 3.2基本的直流斩波电路 3.,1,3.1直流PWM控制技术基础,3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念,如图基本的直流变换电路，当开关管T在,t,on,时间接通时，电流,i,d,经负载电阻R流过，R两端就有电压,u,o,；开关管T在,t,off,时间断开时，R中电流,i,o,为零，电压,u,o,也就变为零,定义上述电路中占空比,D,为,3.1直流PWM控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理,2,输出电压的平均值为,通过改变占空比D的大小，就可以改变输出电压平均值的大小。改变占空比,D,有三种基本方法：,维持,t,on,不变，改变,T,S,。改变,T,S,就改变了输出电压周期或频率。这种方式就是脉冲频率调制(PFM)的基本思想。,维持,T,S,不变，改变,t,on,。在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。这种方式就是脉冲宽度调制(PWM)的基本思想。,同时改变,t,on,、,T,S,。这种方式就是混合脉冲宽度调制。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式。如果不特别指出，PWM通常指周期固定的脉宽调制方式。,在脉宽调制方式(PWM)方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计变得较为容易，因而这种方法在电力电子技术中应用广泛。,输出电压的平均值为 通过改变占空比D的大小，就可以改变输出电,3,3.1.2 PWM技术基础,1面积等效原理,PWM应用的理论基础,从自动控制理论可知，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里冲量指脉冲面积，效果基本相同指环节的输出波形基本相同。,图3-2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,3.1.2 PWM技术基础 1面积等效原理PWM应用,4,图3-3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,R,L,上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为,u,p,的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环节的负载上，将与施加幅值为,u,p,的恒定直流电压所得结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。除了直流波形可用,PWM,波形来代替外，根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一段时间内按一定规则生成,PWM,波形来代替所需的任何波形，如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波,图3-3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形RL上述原理可以,5,2直流PWM波形的生成方法,生成PWM,波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器件进行开关控制而获得,PWM,波形。调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较来确定各脉冲宽度信息进而生成PWM波形。如图所示：,返回,2直流PWM波形的生成方法 生成PWM波形有多种方法，,6,3.2基本的直流斩波电路,3.2.1 降压变换电路,降压变换电路输出电压的平均值低于输入直流电压，又称为Buck型变换器。,u,D,+,图,3-5,降压斩波电路及其波形图,3.2基本的直流斩波电路 3.2.1 降压变换电路 降压变,7,输出电压的平均值为,若忽略元器件损耗，则输入功率等于输出功率,图,3-6,电感电流波形图,降压变换电路有两种可能的运行情况：电感电流连续和电感电流断续。,输出电压的平均值为 若忽略元器件损耗，则输入功率等于输出功率,8,下面讨论电感电流连续的工作情况：,在,t,on,期间，开关管T导通,在,t,off,期间，T关断，D导通续流,下面讨论电感电流连续的工作情况：在ton期间，开关管T导通,9,I,L,为流过电感电流的峰-峰值，最大为,I,2,，最小为,I,1,。电感电流一周期内的平均值与负载电流,I,o,相等，即,当电感电流处于临界状态时，应有,I,1,=0，将此代入可求出维持电流临界连续的负载电流平均值,I,ok,为,当实际负载电流,I,o,I,ok,时，电感电流连续。,当实际负载电流,I,o,=,I,ok,时，电感电流处于临界连续状态。,当实际负载电流时,I,o,I,ok,时，电感电流连续。,当实际负载电流,I,o,=,I,ok,时，电感电流处于临界连续状态。,当实际负载电流时,I,o,13,电压纹波峰-峰值为,稳态运行时，开关管T导通期间，电源输入到电感L中的磁能在T截止期间通过二极管,D,转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时如果占空比D仍不减小，,t,on,不变，电源输入到电感的磁能必使输出电压,U,o,不断增加，因此没有电压闭环调节的升压变换电路不宜在输出端开路情况下工作。,电压纹波峰-峰值为 稳态运行时，开关管T导通期间，电源输,14,3.2.3 升降压变换电路,Buck-boost电路,3.2.3 升降压变换电路 Buck-boost电路,15,在,t,on,期间，开关管T导通，二极管D反偏而关断，滤波电容C向负载提供能量,在,t,off,期间，开关管T关断。由于电感L中的电流不能突变，L上产生上负下正的感应电动势，当感应电动势大小超过输出电压,U,o,时，二极管D导通，电感经D向C和R反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反,在,t,on,期间电感电流的增加值应等于,t,off,期间的减少量,在ton期间，开关管T导通，二极管D反偏而关断，滤波电容C向,16,电感电流临界连续时的负载电流平均值,当实际负载电流,I,o,I,ok,时，电感电流连续。,当实际负载电流,I,o,=,I,ok,时，电感电流处于临界连续状态。,当实际负载电流时,I,o,I,17,3.2.4 库克变换电路,3.2.4 库克变换电路,18,返回,返回,19,3.3复合斩波电路,3.3.1 可逆斩波电路,1电流可逆斩波器电路,3.3复合斩波电路 3.3.1 可逆斩波电路 1电流可逆,20,(1),若,T,2,完全截止，,T,1,周期性的通、断转换，则成为一个降压,DC/DC,变换电路，如图(b)所示。在,T,1,导通的,t,on,=DT,S,期间，,u,A,=,U,S,，只要,U,S,E,a,，则,i,AB,上升；,T,1,截止的,t,off,=(1-D)T,S,期间，,i,AB,经,D,2,续流，,u,AB,=0，,i,AB,下降。在一个开关周期,T,S,中,u,AB,的平均值,U,AB,=,DU,S,，,i,AB,的平均值为正值，即,I,AB,从A点流入负载。改变占空比D的大小即可改变,U,AB,和,I,AB,的大小，调节直流电动机的转速和转矩。由于这时变换器的输出电压,U,AB,为正值，输出电流,I,AB,也是正值，故称这时斩波器工作在第一象限。电机的转速,n,0，电机正转，电磁转矩,T,e,为正，即电磁转矩与转速同方向，是电动力矩，电机正转电动运行，接受变换器输出的能量。,(1)若T2完全截止，T1周期性的通、断转换，则成为,21,(2),若,T,1,完全截止，,T,2,周期性的通、断转换，则成为一个升压,DC/DC,变换电路，,如图3-10(c)所示,。在,T,2,导通的,t,on,=DT,S,期间,，,u,AB,=0，,i,BA,方向为从,E,a,流入,A,点，其绝对值,|,i,BA,|,上升。在,T,2,截止的,t,off,=(1-D)T,S,期间，电流,i,BA,经,D,1,向电源,U,S,回流，,u,AB,=,U,S,，,|,i,BA,|,下降。在一个周期,T,S,内电流,i,BA,的平均值,I,BA,的方向也应该是从,E,a,经,R,、,L,流入,A,点，再经,D,1,流入电源,U,S,，即这时,U,AB,0,，,I,AB,E,a,，实现了升压功能，将电压源,E,a,升到较高的电压,U,S,，把,E,a,的电能送给,U,S,。这时电机转速,n0,，电机正转，电流,I,AB,反向，电磁转矩,T,e,与电枢电流成正比，因而电磁转矩反向，转速与电磁转矩方向相反，,T,e,为制动转矩。电机正转发电制动运行，其电动势,E,a,经,R,、,L,向变换器输出电功率。,(2)若T1完全截止，T2周期性的通、断转换，则成为一个,22,2桥式可逆斩波器电路,(1)如果T,4,被置于通态、T,3,被置于断态，则T,1,、D,1,、T,2,、D,2,就构成如图3-11(b)所示的,U,AB,=,U,A,0，,I,AB,可正、可负的两象限斩波电路。,2桥式可逆斩波器电路(1)如果T4被置于通态、T3被,23,(2)如果T,被置于通态、T,1,被置于断态，则T,3,、D,3,、T,4,、D,4,就构成另一个两象限斩波器,如图3-11(c)所示。这时,E,a,应该反向（对应电动机反向旋转），斩波器成为,U,BA,0，,U,AB,0，,I,BA,0，使，,U,AB,0，,I,AB,0，斩波器工作在第三象限。由于,U,AB,0，,I,AB,0，故电动机转速,n,0，电动机反转，电磁转矩,T,e,0，使,U,AB,0，斩波器在第四象限工作，由于,U,AB,0，故,n,0，,T,e,方向与,n,方向相反，故为制动力矩，这时电动机反转发电制动运行，电动机输出电能给斩波器，将电能回送给直流电源,U,S,，电动机作为发电机将原动机的机械能转换为电能经斩波器送至直流电源,U,S,。斩波器的T,4,、D,3,构成一个升压斩波器。,(2)如果T被置于通态、T1被置于断态，则T3、D3、,24,3.3.2 多相多重斩波电路,把几个结构相同的基本斩波器适当组合，可以构成如图所示的另一种复合型斩波电路，称为多相多重斩波电路。,假设复合型斩波器中每个开关管通断周期都是,T,S,，开关频率都是,f,S,=1/,T,S,，如果在一个周期,T,S,中，电源侧电流,i,S,脉动,n,次，即,i,S,脉动频率为,nf,S,，则称为,n,相斩波器。如果在一个周期,T,S,中，负载电流,i,o,脉动,m,次，即,i,o,脉动频率为,mf,S,，则称为,m,重斩波器。,3.3.2 多相多重斩波电路 把几个结构相同的基本斩波器,25,第3章DCDC变换电路课件,26,在电源,U,S,和负载之间接入由个相同的降压斩波器组成的复合斩波器。个降压斩波器各经一个电感L后并联向负载供电。各个降压斩波器输出的电压为,u,1,、,u,2,、,u,3,，输出电流为,i,1,、,i,2,、,i,3,。若在一个开关周期,T,S,中，个开关管的驱动信号如图。个开关器件T,1,、T,2,、T,3,依序通、断各一次，它们导通时间的起点相差,T,S,/3，个开关管导通时间相同,t,on,，占空比D相同，那么个降压斩波器的输出电压,u,1,、,u,2,、,u,3,也应是脉宽,t,on,相同、幅值,U,S,相等、相位相差1/3周期的的个电压方波，如图3-12(c)所示，电流,i,1,、,i,2,、,i,3,也应是相位相差1/3周期、波形完全相同的脉动电流波。,在T,1,导通的,t,on,=,DT,S,期间，,u,1,=,U,S,时，,i,1,上升；在T,1,截止、,i,1,经二极管D,1,续流的,t,off,=(1-,D,),T,S,期间，,u,1,=0，,i,1,下降。T,1,、,D,1,构成一个降压斩波器，只要T,1,截止时，,i,1,经D,1,续流的(1-,D,),T,S,期间,i,1,不断流，即电感电流连续，则T,1,输出电压,u,1,的直流平均值,U,1,是,U,1,=,U,S,t,on,/,T,s,=,DU,S,。同理，T,2,、T,3,输出的电压,u,2,、,u,3,的直流平均值,U,2,=U,3,=U,1,=DU,S,。,在电源US和负载之间接入由个相同的降压斩波器组成的复合,27,负载电压,u,o,的直流平均值,如果,I,1,、,I,2,、,I,3,为,i,1,、,i,2,、,i,3,在一个周期中的电流平均值，,I,o,为负载电流,i,o,的平均值，那么,I,1,、,I,2,、,I,3,应该相等，且,I,o,=3I,1,=3I,2,=3I,3,。在一个开关周期,T,S,中，负载电流脉动次即,m,=3，脉动频率,f,o,=,mf,S,=3f,S,，此复合斩波器应是三重斩波器。,电源电流,i,S,是三个开关器件通态时电流瞬时值之和，故电源电流,i,S,在一个开关周期,T,S,中也脉动次，即,n,=3，,i,S,的脉动频率为,f=nf,S,=3f,S,，所以斩波器应是三相(,n,=3)三重(,m,=3)复合斩波电路。,输出电压,u,o,的直流平均值,U,o,=U,1,=U,2,=U,3,=DU,S,输出电流,I,o,为,返回,负载电压uo的直流平均值 如果I1、I2、I3为i1、i,28,3.4 变压器隔离的直流直流变换器,3.4.1 正激变换器,如果将变压器插入在P-P位置，即得正激变换器主电路,。,3.4 变压器隔离的直流直流变换器 3.4.1 正激变换,29,能量消耗法磁场复位方案,开关管导通时，电源能量经变压器传递到负载侧。开关管截止时变压器原边电流经D,3,、DW续流，磁场能量主要消耗在稳压管DW上。开关管承受的最高电压为V,S,V,DW,，V,DW,为稳压管DW的稳压值。,能量消耗法磁场复位方案 开关管导通时，电源能,30,能量转移法磁场复位方案,开关管导通时，电源能量经变压器传递到负载侧。开关管截止时，由于电感电流不能突变，线圈N,1,会产生下正上负的感应电势e,1,。同时线圈N,3,也会产生感应电势，当e,3,=V,S,时，D,3,导通。磁场储能转移到电源V,S,中，此时开关管上承受的最高电压为：,能量转移法磁场复位方案 开关管导通时，电源能量经变压器传,31,3.4.2 反激变换器,反激变换器电路原理图,反激变换器,输出,LC,滤波的实用电路,和升降压变换器相比较可知，反激变换器用变压器代替了升降压变换器中的储能电感。因此，这里的变压器除了起输入电隔离作用外，还起储能电感的作用。,返回,3.4.2 反激变换器 反激变换器电路原理图 反激变换器输,32,