電子電力技術(shù)第4章

第4章直流-直流變換器

主要內(nèi)容：降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、在電流連續(xù)和斷續(xù)模式下的各物理量之間的函數(shù)關(guān)系；全橋式直流-直流變換器在單極性和雙極性控制方式時(shí)的工作原理；影響直流-直流變換器輸出電壓紋波的因素；幾種不同變換器的開關(guān)利用率。

4.1簡(jiǎn)

介直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對(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，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。直流-直流變換器主要有如下幾種基本型式：1.

降壓直流-直流變換器(BuckConverter)2.

升壓直流-直流變換器(BoostConverter)3.

降壓-升壓復(fù)合型直流-直流變換器(Buck-BoostConverter)4.

丘克直流-直流變換器

5.全橋式直流-直流變換器(FullBridgeConverter)4.2直流-直流變換器的控制

基本的直流-直流變換器和它的輸出波形

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關(guān)管斷開時(shí)，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為

(4-1)式中

Ts—開關(guān)周期D—開關(guān)占空比，改變負(fù)載端輸出電壓有3種調(diào)制方法：1．開關(guān)周期Ts保持不變，改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton。也稱為脈寬調(diào)制(PWM)。2．開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton保持不變，改變開關(guān)周期Ts。3.改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton，同時(shí)也改變開關(guān)周期Ts。

方式1的PWM是最常見的調(diào)制方式，這主要是因?yàn)楹?種方式改變了開關(guān)頻率，而輸出級(jí)濾波器是根據(jù)開關(guān)頻率設(shè)計(jì)的，顯然，方式1有較好的濾波效果。

圖4-2(a)是脈寬調(diào)制方式的控制原理圖。給定電壓與實(shí)際輸出電壓經(jīng)誤差放大器得到誤差控制信號(hào)uco，該信號(hào)與鋸齒波信號(hào)比較得到開關(guān)控制信號(hào)，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到期望的輸出電壓。圖4-2(b)給出了脈寬調(diào)制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關(guān)頻率。一般選擇開關(guān)頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。

按照控制電壓和鋸齒波幅值的關(guān)系，開關(guān)占空比D可以表示成：

(4-2)直流-直流變換器有兩種不同的工作模式：1.電感電流連續(xù)模式2.

電感電流斷續(xù)模式在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，設(shè)計(jì)變換器和它的控制器參數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮這兩種不同的工作模式的特性。

4.3降壓變換器

降壓變換器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。在實(shí)際應(yīng)用中，有如下問題：1．實(shí)際的負(fù)載應(yīng)該是感性的。即使是阻性負(fù)載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因此，圖4-1的電路可能由于電感上的感應(yīng)電壓毀壞開關(guān)管。采用圖4-3的電路，則電感中儲(chǔ)存的電能可以通過二極管續(xù)流釋放給負(fù)載；2．在大多數(shù)應(yīng)用中需要的是平穩(wěn)的直流電壓。而圖4-1的電路輸出電壓在0和Ud間變化。采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓。

圖4-3降壓變換器電路原理圖

圖(a)所示的輸入電壓Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有開關(guān)頻率fs的諧波分量，如圖(b)所示。采用由電感和電容組成的低通濾波器的特性如圖(c)所示。低通濾波器的角頻率fc應(yīng)大大低于開關(guān)頻率fs，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關(guān)頻率造成的紋波。假設(shè)輸出端的濾波電容足夠大，則輸出電壓的瞬時(shí)值不變，即uo=Uo。在穩(wěn)態(tài)情況下，因?yàn)殡娙蓦娏髌骄禐?，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值Io。

4.3.1電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況

在開關(guān)管導(dǎo)通期間ton，輸入電源經(jīng)電感流過電流，二極管反偏。這導(dǎo)致在電感端有一個(gè)正向電壓uL=Ud-Uo，如圖4-5(a)所示。這個(gè)電壓引起電感電流iL的線性增加；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中儲(chǔ)存電能，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，iL經(jīng)二極管繼續(xù)流動(dòng)，uL=-Uo，電感電流下降，如圖4-5(b)所示。輸出電壓

(4-5)因此，在電流連續(xù)模式中，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓Uo隨占空比而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。

忽略電路所有元件的能量損耗，則

因此

故有

(4-6)因此，在電流連續(xù)模式下，降壓變換器相當(dāng)于一個(gè)直流變壓器，通過控制開關(guān)的占空比，可以得到要求的直流電壓。由式(4-6)有，輸入電流平均值Id與輸出電流Io是變比的關(guān)系，但當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，瞬時(shí)輸入電流從峰值跳變到0，這樣對(duì)輸入電源會(huì)有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臑V波器用來消除不必要的電流諧波。

4.3.4輸出電壓紋波

在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實(shí)際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖4-10所示。電壓紋波的峰-峰值△Uo為:

(4-24)式(4-24)表明：通過選擇輸出端低通濾波器的角頻率fc，使fc<<fs，就可以抑制輸出電壓的紋波。當(dāng)變換器工作在電流連續(xù)模式時(shí)，電壓脈動(dòng)與輸出負(fù)載功率無關(guān)。對(duì)電流斷續(xù)模式的情況也可做類似的分析。在開關(guān)模式的直流電源系統(tǒng)中，輸出電壓紋波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不會(huì)影響分析結(jié)果的。

4.4升壓變換器

圖4-11升壓變換器電路原理圖

升壓變換器也稱為Boost變換器。正如名字所指的，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。圖4-11是升壓變換器的電路圖。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源的電流流過電感和開關(guān)管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感的感應(yīng)電勢(shì)使二極管導(dǎo)通，電感電流iL通過二極管和負(fù)載構(gòu)成回路，由輸入電源向負(fù)載提供能量。在下面的穩(wěn)態(tài)分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大以確保輸出電壓保持恒定，即uo=Uo。

4.4.1電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分是0，上式的兩邊除以Ts，得：(4-26)假設(shè)電路沒有損耗，則Pd=Po，

(4-27)

圖4-12升壓變換器電路的情況(假定iL連續(xù))

4.4.5輸出電壓紋波

在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實(shí)際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖4-17所示。紋波的峰-峰值為

(4-40)對(duì)于電流斷續(xù)模式也可作類似分析。

圖4-17升壓變換器的輸出電壓的紋波

4.6全橋式直流-直流變換器

圖4-25全橋式開關(guān)模式變換器的電路結(jié)構(gòu)圖

在全橋式直流-直流變換器中，其輸出電壓Uo是極性可變、幅值可控的直流電，輸出電流io的幅值和方向也是可變的。因此，該變換器可以在四個(gè)象限運(yùn)行。同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則就會(huì)造成直流短路。在實(shí)際中，它們?cè)谝粋€(gè)短間隙中都斷開，該間隙稱為邏輯延遲時(shí)間。如果變換器的同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管在任一時(shí)刻都不同時(shí)處于斷開狀態(tài)，則輸出電壓uo完全由開關(guān)管的狀態(tài)決定。以負(fù)直流母線N為參考點(diǎn)，A點(diǎn)的電壓uAN，由如下的開關(guān)狀態(tài)決定：當(dāng)VTA+導(dǎo)通時(shí)或VDA+導(dǎo)通時(shí)，則A點(diǎn)的電壓為：

(4-58a)類似地，當(dāng)VTA-導(dǎo)通時(shí)，或VDA-導(dǎo)通時(shí)，則A點(diǎn)的電壓為：

(4-58b)

綜上所述，uAN僅取決于橋臂A是上半部分導(dǎo)通還是下半部分導(dǎo)通，而與負(fù)載電流io的方向無關(guān)，因此UAN為：

(4-59)式中，ton

和toff分別是VTA+的導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間，VDVTA+是開關(guān)管VTA+的占空比。類似地，

(4-60)因此，輸出電壓Uo(=UAN-UBN)與變換器的開關(guān)占空比有關(guān)，而與負(fù)載電流io的大小和方向無關(guān)。如果變換器同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)處于斷開的狀態(tài)，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關(guān)系，所以應(yīng)該避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)處于斷開的情況發(fā)生。

全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：1．雙極性PWM控制方式。在該控制方式下，圖4-25中的(VTA+，VTB-)和(VTA-，VTB+)被當(dāng)作兩對(duì)開關(guān)管，每對(duì)開關(guān)管都是同時(shí)導(dǎo)通或斷開的。2．單極性PWM控制方式。在該控制方式下，每個(gè)橋臂的開關(guān)管是單獨(dú)控制的。與前面幾節(jié)討論過的開關(guān)變換器不同，全橋式直流-直流變換器的輸出電流在負(fù)載低的時(shí)候，也沒有電流斷續(xù)模式。

4.6.1雙極性PWM控制方式

在雙極性控制方式中，開關(guān)管(VTA+，VTB-)和(VTB+，VTA-)被當(dāng)作兩對(duì)開關(guān)管對(duì)待，即兩個(gè)開關(guān)管(VTA+，VTB-)是同時(shí)導(dǎo)通和斷開的。同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管中，總有一個(gè)是開通的。開關(guān)控制信號(hào)是由正負(fù)兩個(gè)方向變化的三角波與控制電壓uco比較得到的。如圖4-26所示，當(dāng)uco>utri，VTB+和VTA-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通；否則VTA+和VTB-斷開，VTB+和VTA-導(dǎo)通。

雙極性控制方式下的工作過程為：在負(fù)載電流比較大的情況下，當(dāng)uco>utri，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，直流電源經(jīng)過VTA+、負(fù)載和VTB-構(gòu)成電流回路，輸出電壓uo=Ud，電流上升；當(dāng)uco<utri，使VTA+和VTB-斷開，觸發(fā)VTB+和VTA-，由于是感性負(fù)載，電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDB+和VDA-續(xù)流，VTB+和VTA-不能導(dǎo)通，輸出電壓uo=-Ud，同時(shí)電流下降；直至下一個(gè)周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。

在負(fù)載電流較小的情況下，在uco<utri，負(fù)載電流經(jīng)VDB+和VDA-續(xù)流，uo=-Ud，續(xù)流過程中，電流會(huì)下降為0，VDB+和VDA-斷開，則VTB+和VTA-導(dǎo)通，故直流輸入電源Ud經(jīng)過VTB+、負(fù)載和VTA-構(gòu)成電流回路，電流變負(fù)。當(dāng)uco>utri，控制信號(hào)使VTB+和VTA-斷開，觸發(fā)VTA+和VTB-，由于電感電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDA+和VDB-續(xù)流，使VTA+和VTB-不能導(dǎo)通，uo=Ud，同時(shí)電流上升，直至電流上升到0，VDA+和VDB-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通，由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。

圖4-26雙極性PWM方式時(shí)的工作波形

輸出電壓Uo、占空比D、控制電壓uco之間的函數(shù)關(guān)系

(4-66)將式(4-64)代入式(4-66)中得：

(4-67)式中

式(4-67)表明，與前面介紹的變換器相似，全橋式開關(guān)模式變換器輸出電壓平均值與輸入控制信號(hào)是線性關(guān)系。事實(shí)上，當(dāng)考慮同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管有導(dǎo)通延遲時(shí)間時(shí)，輸出電壓Uo與控制電壓uco的關(guān)系有輕微的非線性。

輸出電壓的波形顯示輸出電壓從+Ud變到-Ud。這就是為什么稱這種控制方式為雙極性PWM控制方式的原因。當(dāng)控制電壓uco的大小和極性變化時(shí)，式(4-64)中的占空比D1從0到1之間變化，輸出電壓平均值Uo在-Ud到+Ud之間變化。當(dāng)Io>0時(shí)，平均功率從輸入U(xiǎn)d向輸出Uo傳遞；當(dāng)Io<0時(shí)，平均功率從輸出Uo向輸入U(xiǎn)d傳遞。

4.6.2單極性控制方式的PWM

三角波與控制電壓uco和-uco進(jìn)行比較以便分別確定橋臂A和橋臂B的開關(guān)信號(hào)。其控制規(guī)則如下:如果uco>utri，則關(guān)斷VTA-，觸發(fā)VTA+

(4-68a)如果uco<utri，則關(guān)斷VTA+，觸發(fā)VTA-

(4-68b)如果-uco>utri，則關(guān)斷VTB-，觸發(fā)VTB+

(4-69a)如果-uco<utri，則關(guān)斷VTB+，觸發(fā)VTB-

(4-69b)

單極性控制方式的工作過程為：在負(fù)載電流比較大的情況下，當(dāng)uco>utri，且-uco<utri，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，輸入電源Ud經(jīng)過VTA+、負(fù)載和VTB-構(gòu)成電流回路，uo=-Ud，電流上升；當(dāng)uco<utri，使VTA+斷開，觸發(fā)VTA-，但由于是感性負(fù)載，電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDA-和VTB-續(xù)流，使VTA-不能導(dǎo)通，uo=0，同時(shí)電流下降；當(dāng)uco>utri，且-uco<utri，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，輸入電源Ud經(jīng)過VTA+、負(fù)載和VTB-構(gòu)成電流回路，uo=-Ud，電流上升；當(dāng)-uco>utri，使VTB-斷開，觸發(fā)VTB+，由于是感性負(fù)載，電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VTA+和VDB+續(xù)流，使VTB+不能導(dǎo)通，uo=0，同時(shí)電流下降；直至下一個(gè)周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。

圖4-27單極性PWM方式時(shí)的工作波形

輸出電壓平均值Uo為

(4-72)由式(4-72)可以看出，單極性控制方式的輸出電壓平均值Uo與控制電壓uco成線性關(guān)系。當(dāng)Io>0時(shí)，平均功率從輸入U(xiǎn)d向輸出Uo傳遞；當(dāng)Io<0時(shí)，平均功率從輸出Uo向輸入U(xiǎn)d傳遞。

如果兩種控制方式的開關(guān)頻率相同，則由于單極性脈寬調(diào)制控制方式的輸出電壓波形的頻率是雙極性脈寬調(diào)制控制方式的2倍，因此前者有著較好的頻率響應(yīng)和較小的輸出電壓紋波。

(a)雙極性控制方式：輸出電壓紋波為：

(4-74)(b)單極性控制方式：輸出電壓紋波為：

(4-77)圖4-28中給出了在雙、單極性控制方式下輸出電壓紋波Ur，rms/Ud與占空比D的函數(shù)關(guān)系曲線。由圖可見，單極性控制方式有著較小的輸出電壓紋波。

圖4-28輸出電壓紋波Ur，rms與輸出電壓Uo的函數(shù)關(guān)系曲線

4.7直流-直流變換器的比較

圖4-29不同的直流-直流變換器的開關(guān)利用率

從圖4-29可以看出，升壓變換器和降壓變換器的開關(guān)利用率比較高，復(fù)合型變換器和全橋式變換器的開關(guān)利用率很低。因此，從變換器的開關(guān)利用率考慮，通常采用升壓變換器或降壓變換器。只有在要求輸出電壓在比輸入電壓高和低的范圍調(diào)節(jié)，或者要求有負(fù)的輸出電壓時(shí)，考慮采用復(fù)合型變換器。只有要求變換器必須在四個(gè)象限運(yùn)行時(shí)，才使用全橋式直流-直流變換器。

4.8直流開關(guān)電源的應(yīng)用

直流-直流變換器主要應(yīng)用在可調(diào)的直流電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般不加隔離變壓器，因此前幾節(jié)介紹的幾種主要直流-直流變換器可以直接應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中；而開關(guān)模式直流電源通常需要加入隔離變壓器，直流開關(guān)電源常常需要滿足下面的要求：1．當(dāng)輸入電壓和負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓必須能在容差范圍內(nèi)保持不變或輸出電壓可調(diào)。2．輸出與輸入之間需要電氣隔離。3．某些場(chǎng)合可能要求有多路輸出電壓，有些場(chǎng)合要求各輸出間也要電氣隔離。

4.8.1帶有電氣隔離的直流-直流變換器

輸入交流電經(jīng)二極管整流器整流成不可調(diào)的直流電壓。在輸入處用了一個(gè)抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾。直流-直流變換器把固定的直流電經(jīng)脈寬調(diào)制變換成高頻脈沖電壓，然后通過隔離變壓器副邊的整流和濾波電路得到直流電壓Uo。由PWM控制器驅(qū)動(dòng)直流-直流變換器的開關(guān)管，通