電力電子——直流

1、直流-直流變換器摘要：電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。直流-直流變換器也稱(chēng)為斬波器，通過(guò)對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過(guò)改變占空比改變輸出電壓平均值。直流變換是為解決系統(tǒng)效率，特別是大 功率系統(tǒng)的效率而提出的解決方案，它是一種將直流電能變換成負(fù)載所需的電壓或電流可控的直流電能的電力電子裝置。它通過(guò)對(duì)電力電子器件的快速通、斷控制而把恒定直流電壓斬成一系列 的脈沖電壓，通過(guò)控制比的變化來(lái)改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)，再經(jīng)輸出濾波器濾波，在被控負(fù)載上得到電壓或電流可控的直流電能。關(guān)鍵詞：直流-

2、直流變換器；斬波器；電力電子技術(shù)0 引言將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的變換電路，也稱(chēng)為直流-直流變換器，一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷饕唤涣饕恢绷?，斬波方式有周期T不變改變導(dǎo)通時(shí)間 Ton調(diào)寬，導(dǎo)通時(shí)間 Ton不變，改變周期 T調(diào)頻，T、Ton都改變一一混合調(diào)制。按照電路拓?fù)浞譃椴粠Ц綦x變壓器的直流變換器和帶隔離變壓器的直流變換器兩大類(lèi)?；镜闹绷髯儞Q器是通過(guò)開(kāi)關(guān)管，再經(jīng)電容、電感等儲(chǔ)能濾波元件將輸入的直流電壓變換為符合負(fù)載 要求的直流電壓或電流。直流-直流變換器適用場(chǎng)合于輸入輸出電壓等級(jí)相差不大，且不要求電氣隔離的應(yīng)用場(chǎng)合?；镜闹绷髯儞Q器有多種電路接線形式，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)

3、及功能分類(lèi)，四種基本類(lèi)型：（1）Buck直流變換器；（2）Boost直流變換器；（3）Buck-Boost直流變換器；（4）Boost-Buck直流變換器。 其中，（1 ）、（ 2）兩種是直流變換器最基本的結(jié)構(gòu)；（3）、（ 4）是前兩種基本結(jié)構(gòu)的組合形式。1基本直流變換器1.1 Buck直流變換器Buck變換器（又稱(chēng)作降壓變換器）就是將直流輸入電壓變換成相對(duì)低的平均直流輸出電壓。它的特點(diǎn)是輸出電壓比輸入的電壓低，但輸出電流比輸入電流高。它主要用于直流穩(wěn)壓電源中， 在這些應(yīng)用場(chǎng)合，變換器的輸出電壓可根據(jù)輸入電壓和負(fù)載阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。假設(shè)圖1（a）中的開(kāi)關(guān)V為理想開(kāi)關(guān)，即不計(jì)其損耗。從圖 31 （b

4、）可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)管閉 合時(shí)，輸出電壓 Uo等于輸入電壓 Ui ;當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，輸出電壓為 0;因此，可以由開(kāi)關(guān)管占 空比計(jì)算輸出平均電壓，即U o 亙 U i DU iT （ 1）由式（1）可知，通過(guò)改變占空比 D即可以控制輸出平均電壓 Uo,并且輸出平均電壓 Uo的值 總是小于或者等于輸入電壓Ui;因此，這種變換器稱(chēng)為降壓變換器。a）電路圖b）電壓披形圖圖1純電阻負(fù)載buck變換器的電路圖1.工作原理圖2 （a）為一可實(shí)際應(yīng)用的 buck變換器的電路拓?fù)?，圖2 （b）為輸出電壓波形。這種降壓變換器的工作原理是：當(dāng)開(kāi)關(guān)V導(dǎo)通時(shí)，Ui通過(guò)電感L向負(fù)載傳遞能量，此時(shí)，iL增加，電感儲(chǔ)能增加，如

5、圖3（a）所示。當(dāng)V斷開(kāi)時(shí)，由于電感電流 iL不能突變，iL通過(guò)二極管VD續(xù)流, 電感L上的能量逐步消耗在電阻R 上, iL降低，L上儲(chǔ)能減小，如圖 3（ b）所示。由于 VD的單向?qū)щ娦?，iL不可能為負(fù)，即總有iL0,從而可在負(fù)載上獲得單極性的輸出電壓。由于在穩(wěn)態(tài)分析中假定輸出端濾波電容很大，則輸出電壓可認(rèn)為是平直的，即uo（t） - U洞樣，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電容的平均電流為0,因而降壓變換器中電感的平均電流等于平均輸出電流Io。由降壓變換器的原理可以看出，電感可以工作在連續(xù)電流工作方式，也可以工作在不連續(xù)的 工作狀態(tài)。電感電流連續(xù)的狀態(tài)稱(chēng)為連續(xù)導(dǎo)電模式，反之則稱(chēng)為不連續(xù)導(dǎo)電模式。Ui町電路圉1亶

6、4J罟1二二二11111111i1L；111J4 )1 :1T1Ob）電圧波形圖圖2 降壓變換器電路圖及電壓波形圖圖3降壓變換器開(kāi)關(guān)變換對(duì)應(yīng)電路當(dāng)晶體管V導(dǎo)通時(shí)，電感中有電流流過(guò)且二極管為反向偏置，導(dǎo)致電感兩端呈現(xiàn)正電壓Ui Uo 嗚在該電壓作用下電感中電流線性上升，上式可寫(xiě)成U u|_ omaxImin丨 ONi oTon石當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中電流不能突變，感應(yīng)電勢(shì)反號(hào), 呈現(xiàn)負(fù)電壓，則有迫使iL經(jīng)二極管導(dǎo)通，此時(shí)UoLdt電感電流線性下降，上式可寫(xiě)為UoL omin omax|_ iomaxiominTofTofL of式中，TOf為晶體管的截止時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí),iOFiONi，聯(lián)解式（3

7、）和式Uo DU式（6）和式（1）完全相同，這是因?yàn)殡姼袨V波保持了直流分量，消除了諧波分量。有關(guān)點(diǎn)的波 形如圖4所示。輸出電流平均值圖4降壓變換器波形圖（3）UL=-Uo（4）（5）（5 ）得（6）（7）2.變換器理想條件下的外特性在恒定占空比下，變換器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系U o f （i）| D稱(chēng)為變換器的外特i是常數(shù)。又由式（7）可見(jiàn),性。式（6）表示了電感電流連續(xù)時(shí)變換器的外特性，輸出電壓與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流減 少，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)。由式（3）和式（5）可見(jiàn)，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓一定時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流減少到1 omin0 時(shí)i o max續(xù)電流IG1iI GI o mini

8、o max22有關(guān)的波形如圖，此時(shí)最小負(fù)載電流1 omin，即為電感臨界連(8)圖5連續(xù)與間斷臨界條件下的電流電壓波形考慮到式（3）和式（6）D)由上式可見(jiàn)，臨界連續(xù)電流與占空比的關(guān)系為二次函數(shù)。當(dāng)G maxUiT8L（9）1D 時(shí)，臨界電流達(dá)到最大值2（10）將式（10）代入式（9）得到(11)I G 4 I G max D (1 D)因臨界連續(xù)是連續(xù)的特例，在降壓式變換器中UoUi在給定占空比D時(shí)，如負(fù)載電流大于式（11）決定的Ig電感電流連續(xù)，電壓比Uo與負(fù)載無(wú)關(guān)。如負(fù)載電流小于式11）決定Uii ON T ONi OF T OF )(12)式中，Tof是晶體管關(guān)斷后電流持續(xù)時(shí)間，式中!

9、*111:i U 0i1i1I1 11 1 1 1k JALt* 0,iL增加，電感儲(chǔ)能 增加，同時(shí)負(fù)載由 C供電；V關(guān)斷時(shí)，因電感電流不能突變，iL通過(guò)VD向電容C、負(fù)載供電，電感上儲(chǔ)存的能量傳遞到電容、負(fù)載側(cè)，此時(shí)iL減小，L上感應(yīng)電勢(shì)Ul 0.5時(shí)，輸出電壓大于輸入電壓，而D V0.5時(shí)，輸出電壓小于輸入電壓，所以是升降壓式電路。若假定該電路無(wú)損耗，輸入功率等于輸出功率，即占空比的關(guān)系為因D小于1,Pi=Po,Uili=Uolo ;故得到平均輸出電流與Loi i(36)2.升降壓式電路的外特性 在理想條件下，續(xù)時(shí)（圖17）可采用處理降壓式相似的方法，求得電感電流連續(xù)時(shí)的外特性。電流臨界連

10、Iomin1 iToF2(37)穩(wěn)態(tài)時(shí)，因i maxIgi，由式（33）可得imin T TL ON OF丄2TD (1 D ) 2L(38)當(dāng)D=0.5時(shí)，得到最大臨界連續(xù)電流1 G maxUiT8L將式（39）代入式（38）得到1 G4 1 G maxD (1 D )(40)比較式（40）與式（11）及式（38）與式（9）是相同的，這就是電感電流臨界連續(xù)一般表達(dá)式。當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)（圖 18）,用相似于降壓變換器的推導(dǎo)方法得到I。41O叢G maxU o經(jīng)整理將式（42）、式（A為臨界連24 D 1 G max(42)續(xù)，其右邊為電感電流連續(xù)區(qū)，左邊為斷續(xù)區(qū)。圖19升降壓變換器標(biāo)幺外特性1

11、.4 Boost-Buck直流變換器在前面三節(jié)介紹的降壓、升壓、升降壓變換器電路都很簡(jiǎn)單，都有各自的特點(diǎn)，并能完成相應(yīng)的功能。Boost-Buck直流變換器又稱(chēng)為丘克變換器，綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)：（1）輸入輸出電壓基本平直；（2）輸出電壓可在 0-8之間變化；（3）主開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。丘克變換 器電路如圖20所示。L圖21連續(xù)導(dǎo)電模式下丘克變換器等效電路圖L0 V T? in Fl5假定電感電流 如果電容C1 電感L1有(U iDT(Ui U C1)(1 D)T 0(43)其中，L1、C1均作為能量傳遞的元件使用，L2、C2為濾波元件。電路工作原理是：當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，二極

12、管 VD截止，電源Ui向電感L1傳送能量，電感電流iLi上升，L1儲(chǔ)能增加。導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，L1中儲(chǔ)存能量增加越多，此時(shí) C1中儲(chǔ)存的能量釋放給負(fù)載側(cè)，即R、L2、C2上；當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)管 V截止時(shí)，二極管 VD導(dǎo)通，電感L1中電流流經(jīng)C1，即給C1充電，電源Ui、儲(chǔ)能電感L1同時(shí)向C1傳送能量，此時(shí)輸出電 壓Uo靠電容C2和電感L2維持基本不變。由上述分析可知： 控制開(kāi)關(guān)管V的占空比，即可控制 向C1傳遞能量的多少，從而可控制輸出電壓的大小。為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，假設(shè)電路中元器件均為理想的，同時(shí)還認(rèn)為電容電壓基本上 是平直的，即忽略 C1、C2上的紋波影響。在本節(jié)討論中，著重給出連續(xù)導(dǎo)

13、電模式的工作原理、工作波形及相關(guān)公式的推導(dǎo)過(guò)程。5. .Ci5| J1 4Zvd r I 5圖20 Boost-Buck變換器電路拓?fù)銿導(dǎo)通與截止時(shí)的等由上面對(duì)丘克變換器的分析，可以得到連續(xù)導(dǎo)電模式下丘克變換器在 效電路圖，如圖21所示，各點(diǎn)的波形如圖22所示。CliL1和iL2為連續(xù)的，現(xiàn)推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)時(shí)電流與占空比的關(guān)系。因而對(duì)于上的電壓不變，而電感Ll和L2上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分等于其結(jié)果是Uc111 DUi(44)對(duì)于電感L2，同樣有(U C1 Uo)DT ( Uo)(1 D)T 0 所以，1U C1U oD進(jìn)而由式(44)和式(46)得到，Uo DU i 1 D假定Pi=Po，則有L

14、L_D_匚D-(45)(46)(47)(48)式中，li=l L1 , 10=1 L2。此外，還可以用另一種方法推導(dǎo)出同樣結(jié)果。先假定電感電流iL1和iL2無(wú)紋波，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電容C1中儲(chǔ)存的電荷量為lL1( 1-D)T,當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容釋放的總電荷量為IL2DT。已知穩(wěn)態(tài)情況下電容C1的電荷凈變化量在一周期內(nèi)必然等于0,從而得到d(1 D)T Il2DT當(dāng)Pi=Po時(shí)，有l(wèi)L2 Io 1 DI L1 I |D所以Uo DUi 1 D(49)(50)(51)可見(jiàn)兩種分析結(jié)果完全相同，其輸入和輸出平均值的關(guān)系與升降壓變換器也是相同的。圖22連續(xù)導(dǎo)電模式各點(diǎn)波形圖由式（51）可知：當(dāng) D=0.

15、5 時(shí)，Uo=E;當(dāng)D 0.5 ,為降壓式；當(dāng)D 0.5,為升壓式；由此可得，只有改變開(kāi)關(guān)管的占空比D，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的目的。丘克變換器的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流和供電輸出級(jí)的電流是無(wú)紋波的，從而降低了對(duì)外部濾波器的要求。缺點(diǎn)是要 有足夠大的儲(chǔ)能電容 C1 。2 總結(jié)本文詳細(xì)分析了 Buck直流變換器、Boost直流變換器、Buck-Boost直流變換器、Boost-Buck直流變換器的基本原理和穩(wěn)態(tài)工作特性，分析過(guò)程中，為便于理解把變換器中的功率器件看作理 想開(kāi)關(guān)，并且對(duì)電路中電感和電容的損耗忽略不計(jì)。此外還假定變換器的直流輸入電源為理想的 恒壓電壓源。直流變換器輸出端所帶負(fù)載常用一等效電阻來(lái)表示。而在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，電機(jī)負(fù) 載可表示為直流電壓與繞組電阻和電感的串聯(lián)等效電路。通過(guò)完成本次的讀書(shū)報(bào)告我學(xué)到了很多知識(shí)，使我對(duì)電力電子技術(shù)的了解和理解更加深刻了，也讓我了解了可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的工作原理，并進(jìn)一步明白了電力電子技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，用分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法鞏固了所學(xué)的知識(shí)，學(xué)會(huì)一些書(shū)本外的東西，拓寬了我的視野，強(qiáng)化了理論與實(shí)踐的聯(lián)系，加強(qiáng)