電力電子-直流變換器

第3章

直流/直流變換器13直流/直流變換器3.1

直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）

3.2

直流/直流升壓變換器（BoostDC/DC變換器）

3.3

直流升壓－降壓變換器（Boost-Buck變換器或Cuk變換器）3.4兩象限、四象限直流/直流變換器3.5多相、多重直流/直流變換器3.6帶隔離變壓器的直流/直流變換器

小結(jié)

3.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）

3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性3.1.3電感電流斷流時工作特性3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理

3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理(續(xù)1)理想的電力電子變換器（1）開關(guān)管T和二極管D從導(dǎo)通變?yōu)樽钄?，或從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過渡過程時間均為零；（2）開關(guān)器件的通態(tài)電阻為零，電壓降為零。斷態(tài)電阻為無限大，漏電流為零；（3）電路中的電感和電容均為無損耗的理想儲能元件；（4）線路阻抗為零。電源輸出到變換器的功率等于變換器的輸出功率，。3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理(續(xù)2)3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理(續(xù)3)3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理(續(xù)4)3.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理(續(xù)5)輸出電壓LC濾波

(3-5)式示出的直流輸出電壓VEO

中除直流分量VO=VSD

外還含有各次諧波電壓，在Buck開關(guān)電路的輸出端與負載之間加接一個LC

濾波電路，如圖3.1(a)所示，可以減少負載上的諧波電壓。由于開關(guān)頻率通常都選取得比較高，濾波電感L

對交流高頻電壓電流呈高阻抗，對直流暢通無阻，E、O兩端的交流電壓分量在濾波電感L

中所產(chǎn)生的交流電流不大，且交流電壓分量絕大部分降落在電感L上，直流電壓分量VO

則直接通過L加至負載。另一方面濾波電容C對直流電流阻抗為無窮大，對交流電流阻抗很小，故流經(jīng)L的直流電流全部送至負載，而流經(jīng)L的數(shù)值不大的交流電流幾乎全部流入濾波電容C。這就保證了負載端電壓、電流為平穩(wěn)的直流電壓、電流。3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性(續(xù)1)3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性(續(xù)2)圖3.2Buck變換器電路圖及其主要波形3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性(續(xù)3)3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性(續(xù)4)在整個開關(guān)周期中，均不為零，被稱為電流連續(xù)工況。這時Buck電路在一個開關(guān)周期期間輸出電壓波形為寬度為、數(shù)值為的矩形波電壓。3.1.2電感電流連續(xù)時工作特性(續(xù)5)電路的開關(guān)狀態(tài)和工作波形lvOvSi+-liCiOiSV(b)開關(guān)狀態(tài)1，T導(dǎo)通D截止等值電路CLRRDSVoi+-lilv(c)開關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路TovLCTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoottttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv變壓比、導(dǎo)通比的定義

變壓比顯然與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通比都有關(guān)系，他們之間的關(guān)系可用多種方法推導(dǎo)。導(dǎo)通比（占空比）：變壓比：用波形積分的方法求變壓比vEO的直流分量V0為:CTEGRLODSVSigVovoiFoI(a)電路tgVonTonToffTsT(b)驅(qū)動信號(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV=(c)輸出電壓波形2sT-2sTsTp2ODi用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無限項三角級數(shù)——付立葉級數(shù)：用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量F(ωt)也可表達為：用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量

在許多實際的電力電子變換器中，由于電路開關(guān)通-斷狀態(tài)在時間上的對稱性，使電壓、電流波形具有某些特定的對稱性，從而使其付立葉級數(shù)表達式中某些項系數(shù)為零，且其它項系數(shù)的計算也變得比較簡單。物理上這種情況就是這時電流或電壓波形中不存在某些電流或電壓分量。比如：偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項系數(shù)為零；半波對稱(鏡對稱)函數(shù)（奇諧波函數(shù)）：偶次諧波為零；直流分量、基波、諧波、紋波在直流電路中分解后的常量可看成所需要的直流量，諧波都是不需要的量。RSVTEGDSigVoioiCCibuck電路圖+-+-LLilvovEOvCoo諧波一般用濾波器濾掉,濾波器的輸出電壓有紋波。在交流電路中一般不會有直流分量，分解出的最低次諧波常常稱為基波，其他諧波一般都是不需要的分量。濾波RSVTEGDSigVoioiCCibuck電路圖+-+-LLilvovEOvCoo濾波器電抗對諧波的阻抗為：濾波器電容對諧波的阻抗為：直流量通過濾波器時其大小不受任何影響。如果：各諧波經(jīng)過濾波器后幾乎衰減為零。用開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比

在開關(guān)電路中，常常利用電路前一周期初始狀態(tài)與后一周期初始狀態(tài)相同這一條件來求電路的穩(wěn)態(tài)運行表達式。電感電流、電感磁鏈電容電壓、電容電荷用電感電流表達式求變壓比T導(dǎo)通、D截止TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCooSi+-lilvCioiSVovCLR用電感電流表達式求變壓比T截止、D導(dǎo)通TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo(c)開關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路RDSVoi+-lilvTovLC用電感電流表達式求變壓比穩(wěn)態(tài)時：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv輸出電壓波動量計算電容C在一個開關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiivTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo降壓電路的控制方法(2)PFM（PulseFrequencyModulation）

導(dǎo)通時間不變，導(dǎo)通的周期變化，導(dǎo)通比D也能發(fā)生變化，從而達到改變輸出電壓的目的，但D的變化范圍有限。輸出電壓、輸出電流中的諧波頻率不固定，不利于濾波器的設(shè)計。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制是DC/DC電路中最常用的控制方法。

(1)PWM（PulseWidthModulation）周期不變，導(dǎo)通的時間變化，即導(dǎo)通比D改變從而改變變壓比，控制輸出電壓。3.1.3電感電流不連續(xù)時電路的運行狀態(tài)

前面的分析都是基于電路工作中電感電流始終連續(xù)來分析的，當(dāng)運行中電流不連續(xù)時，電路就會出現(xiàn)第三種開關(guān)狀態(tài)，此時T、D都截止。

RDSVoi(d)開關(guān)狀態(tài)3，T阻斷D截止等值電路TCovTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck

電路圖+-+-LLilvovEOvCoo電感電流不連續(xù)對運行的影響tttttt(f)電感電流斷流時主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvSvovsTsoffTDT1'=sonDTT=Sv斷流后：電感臨界連續(xù)電流計算臨界連續(xù)時：圖3.3電感電流波形圖tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII<(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=okI>Buck變換器輸出電壓的外特性

變換器的變壓比（或輸出電壓）與占空比和負載電流的函數(shù)關(guān)系稱為外特性：或，圖3.4示出Buck變換器的外特性。在電感電流連續(xù)時，變壓比等于占空比，輸出電壓，、的大小僅由確定而與負載電流無關(guān)。控制特性是線性的，控制規(guī)律十分簡單。在電感電流斷流的情況下，變壓比M為(3-21)式，，控制特性是非線性的。外特性從線形到非線形的轉(zhuǎn)折點由臨界負載電流確定。例3.1

設(shè)計圖3.2(a)所示的BuckDC/DC變換器。電源電壓Vs=147～220V，額定負載電流11A，最小負載電流1.1A，開關(guān)頻率20KHz。要求輸出電壓Vo=110V；紋波小于1%。要求最小負載時電感電流不斷流。計算輸出濾波電感L和電容C，并選取開關(guān)管T和二極管D。3.2直流-直流升壓變換器（Boost變換器）+110VRSV+-oV220V++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+-理想Boost變換器的

開關(guān)狀態(tài)和工作波形理想Boost變換器的變壓比理想Boost變換器的變壓比工作電流的平均值表達式假定負載電流平均值為IO輸入電流和電感電流的電流平均值均為：通過二極管的電流ID等于負載電流IO（電容的平均電流為零）通過開關(guān)管T的電流平均值為：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11(e)電感電流連續(xù)時波形圖oonTsToffT+LDTCRSVLiDiciov工作電流的其他表達式電感電流的脈動量為：通過開關(guān)管T和D的電流最大值與電感電流的最大值相等：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11oonTsToffT+LDTCRSVLiDicioV理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小輸出電壓脈動等于開關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量?？山频赜上率酱_定：理想Boost變換器開關(guān)器件所承受的最大電壓

T和D所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。電感電流連續(xù)—臨界連續(xù)—不連續(xù)一個周期結(jié)束時電流大于零一個周期結(jié)束時電流剛好等于零一個周期未結(jié)束時電流就等于零圖3.3電感電流波形圖tgvLiLIonTttLiLKI(a)(b)tLiLI(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=LK>ILK<I電感臨界連續(xù)電流電感電流臨界連續(xù)工況波形圖電感電流斷流的影響B(tài)oost變換器輸出電壓的外特性當(dāng)負載電壓恒定時，根據(jù)外特性(3-42)式和臨界負載電流的公式(3-45)式，也可以畫出類似圖3.4所示的Boost變換器的外特性，。穩(wěn)態(tài)運行時，開關(guān)管T導(dǎo)通期間（）電源輸入到電感中的磁能，在T截止期間全部通過二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流工況。如果變換器負載電阻變得很大，負載電流太小，這時如果占空比仍不減小、不變、電源輸入到電感的磁能不變，必使輸出電壓不斷增加，因此沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換