（电工理论与新技术专业论文）用于补偿控制的开关功率变换器的设计及控制算法研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s l r a c t t h ed e s i g na n dc o n t r o la l g o r i t h ms t u d yo fs w i t c hp o w e r c o n v e r t e rf o rc o m p e n s a t i n gc o n t r o l a b s t r a c t t h ec o n t i n u e dd e v e l o p i n ga n dm u l t i f u n c t i o no fs w i t c hp o w e rc o n v e r e rw a so n en e w i m p e r a t i v eq u e s t i o ni n e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i cs o c i e t yn o w a d a y s s w i t c hp o w e rc o n v e a c i r c u i tw a sn o n l i n e a rn e t w o r kc h a n g e dw i t ht i m e ，i t sa n a l y s i sa n dd e s i g nw a so n ee m p h a s i s a n dd i f f i c u l t yo fp o w e re l e c t r o n i c ss t u d ya ta l lt i m e s ，a n dt h a tu s ei tc o m p e n s a t ed y n a m i c s y s t e mc h a r a c t e r sw a sa p p l i c a t i o nd i r e c t i o no f s w i t c hp o w e rc o n v e r t e r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h t os w i t c hp o w e rc o n v e r t e rf o rc o m p e n s a t i n gc o n t r o lh a sr e s e a r c hm e a n i n ga n da p p l i c a t i o n v a l u e b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n ts w i t c hp o w e rc o n v e r t e r , t h i sa r t i c l ed e s i g n e das w i t c h p o w e rc o n v e r t e rw i t h an e ws w i t c hs t a t ec o m b i n a t i o nm o d e ，p r o p o s e d c i r c u i t t o p o l o g y , e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n gt oc i r c u i tt h e o r ya n ds i n g l ec y c l ec i r c u i ta n a l y z e m e t h o d s ，a n dp r e s e n tc o m p e n s a t i n gc o n t r o la l g o r i t h m t h es w i t c hp o w e rc o n v e n e rh a st h e c h a r a c t e r i s t i ct h a tc o u l dr e a l i z eaf r e ew a v e f u r mo u t p u tt h r o u g hc o n t r o ls w i t c hs t a t e c o n v e r s i o nt i m e ，a n dc o u l dc o m p e n s a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fs y s t e m a i m e da tt h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sa r t i c l em a d eaf u r t h e ra n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nt oi t s a p p l i c a t i o n ，i n t r o d u c e di t t oad y n a m i cu n d e r d a m p i n gs y s t e ma sc o m p e n s a t i o n ，s y s t e m i c a n a l y z e dt h ec i r c u i t t o p o l o g y , t h eo p e r a t i n gm o d ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec i r c u i t r y h a sb e e nc o m p e n s a t e d a f t e ra n a l y z e dt h eo v e r s h o o tr e a s o n so ft h es y s t e m ，p r o p o s e da n e f f i c i e n t c o m p e n s a t i n gm e t h o d ，e s t a b l i s h e dt h e m a t hr e l a t i o n sb e t w e e ns w i t c hs t a t e c o n v e r s i o nt i m ea n dv a r i a b l et h a tw a sc o m p e n s a t e d t h r o u g hc o n t r o ls w i t c hs t a t ec o n v e r s i o n t i m et oc o n t r o lt h eo u t r u to fs w i t c hp o w e rc o n v e r t e r , r e a l i z e dt h ec o m p e n s a t i n go fd y n a m i c s y s t e m ，r e d u c e dt h er e s p o n s et i m e ，s h o r t e nt h es y s t e mr i s i n gt i m e ，s p e e du ps y s t e mr e a c h s t a b l es t a t e 。 f i n a l l y , c a r r i e do ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t su s i n gm u l t i s i mt ot h i ss w i t c hp o w e rc o n v e r t e r , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sc o m p l e t e l yc o n s i s t e n tw i t ht h ef o r m e r l yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f u l l y p r o v et h es w i t c hp o w e rc o n v e r t e rc a nr e a l i z ec o m p l e t e l yc o m p e n s a t i o nt o t h ed y n a m i c u n d e r d a m p i n gs y s t e m ，m i n i s h e dt h es y s t e me n e r g yl o s s ，r e d u c e dt h es y s t e mo v e r s h o o t ，a n d e n h a n c e dt h es y s t e ms t a b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 310 4 0 6 ) k e yw o r d s ：s w i t c hp o w e rc o n v e r t e r ；s w i t c hm o d e ；d y n a m i cc o m p e n s a t i n g ；c o n t r o la l g o r i t h m 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，小包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：越琶威 日期：如；支 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：崩鳓 签字日期：。k 、岁怠 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 功率电子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是研究在定的信息控制下，应用电力半导 体器件实现功率变换的学科。它是一门建立在电子学、电力学、控制学基础上 的边缘交叉学科，主要包括功率电子器件、功率变换装置和自动控制三大技术。 功率变换( p o w e rc o n v e r s i o n ) 以器件( d e v i c e s ) 为核心，应用现代控制理论、计算 机控制技术，实现功率电路或系统中电压、电流、波形、频率、相位等变换。总 之，功率电子技术( p o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e ) 是利用功率半导体器件对电能 进行变换、控制和开关的技术。其基本技术己广泛应用于电子、电力、机械、冶 金、矿业、运输等许多部门，并与现代控制理论、电力系统、电机工程等学科密 切相关，逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合技术。国际功率电子学界认为， 功率电子技术将掀起第二次电子工业革命，它将冲击整个消费电子学和工业电子 学领域j 。 从发展历史看，从1 9 5 7 年g e 公司开发了第一支晶闸管( s c r ) 开始，功率电 子技术得到了应用与发展p j 。在六十年代之前，功率电子技术的发展速度比较缓 慢，其中一个原因是缺乏理想的电子丌关器件，另一个原因是工业上对其需求不 多【4 】。从六十年代开始，功率电子技术得到了突飞猛进的发展，其主要原因是： ( 1 ) 大功率晶体管及晶闸管( 可控硅) 的出现，提供了较理想的开关器件。 7 0 年代出现的大功率晶闸管、场效应晶体管等功率器件，使开关器件的工作频 率达到了几十千赫。8 0 年代以后，更高频率的功率电子器件功率m o s 场效应管、 i g t i g b t 以及快速恢复的功率二极管等，使开关器件的频率再次大幅提高，达 到几百千赫兹。 ( 2 ) 计算机的普及及应用、通信业的迅速发展对功率电子技术的发展产生 了良好的刺激作用。随着电子装置的集成度和规模的不断增加，电子电路体积成 倍的减小，电源部分的变压器、滤波器和散热器的体积和重量占整个装置的比重 变的越来越大，传统的线性稳压电源己经不能满足装置小型化的需求。尤其是计 算机的出现，不仅它本身的供电需要促进了功率电子技术的发展，同时也促进其 他行业如通讯、军事、航天、家电、电力等的发展，而这些行业的发展又反过来 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进一步推动了功率电子技术的发展。近年来随着高频化、仝控化的集成电力电子 系统和集成电力电子模块( i p e m ) 的出现，使开关功率转换器及其控制系统不 断革新，向集成化、高频化、全控化、控制技术数字化和多功能化发展，这也是 当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一 5 1 。 ( 3 ) 对节能、节材及环境保护的重视，给功率电子技术的发展提出了更高 的要求和更广阔的市场。能源危机的出现，又使得电源的效率成为关注的焦点。 随着用电成本的上升，提高效率、提高稳定度、提高功率密度、降低污染、降低 装置的运行成本、模块化发展成为需要考虑的重要问题。这使得功率电子技术在 世界范围的工业文明发展中所起的关键作用仅次于计算机，从2 1 世纪开始，将 对工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环境污染控制等方面的发展，产生 巨大的推动作用。随着我国科技产业技术的发展，功率电子技术在我国的应用必 将得到更大的推广和普及m j 。 功率电子技术的应用非常广泛，凡是电能的产生、变换、控制、传输和存储 等都离不开功率电子技术，例如各种电源装置、电机驱动、直流输电、动态无功 功率补偿、超导磁铁储能等等 7 】。目前它正以其大容量、高电压、高频率、高效 率、高性能、轻重量、小体积的特点出现在工业生产和社会生活的各个领域，从 家庭、办公室、潜艇、汽车、工业机器人直到航空航天技术，几乎无处不在。据 有关专家统计，目前发达国家所使用电能的7 5 都经过功率电子技术的变换， 在2 1 世纪这个比例将达到9 0 以上1 8 1 。 功率电子技术的研究领域可分为 9 1 ：( 1 ) 器件，包括电力半导体器件的设计、 测试、模型分析、工艺及仿真等。( 2 ) 电路，包括各种变换器的拓扑分析与综合， 建模、仿真及控制等。( 3 ) 应用。主要是对实现功率变换目的的功率电子装置开 关功率变换器( s w i t c h p o w e r c o n v e r t e r ) 的研究。开关功率变换器是以功率半导 体开关器件为核心，利用脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 或脉冲频率 调f 剐( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 的功率开关技术，它应用半导体器件和电 子技术实现对原始电能进行转换、加工和调节。按照能量的转换方式开关功率变 换器可分为以下4 种【lo l ： ( 1 ) d c d c 变换器，将一种直流电能变换为另一种直流电能，各种d c d c 变换器就属于这一类变换： ( 2 ) d c a c 变换器，将直流电能变换为某种波形、某一频率和某一数值的 交流电能，称为逆变换，通常简称为逆变( i n v e r s i o n ) ； ( 3 ) a c d c 变换器，将交流电能变换为某一数值的直流电能，称为f 变换， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 通常成为变换( c o n v e r s i o n ) 。常用的整流( r e c t i f i c a t i o n ) 技术就是最简单、最 基本的a c d c 变换： ( 4 ) a c a c 变换器，将一种波形、频率、数值的交流电能变换为另一种波 形、频率、数值的交流电能，实现交一交变压、变频( c y c l e c o n v e r s i o n ) 。a c a c 变换器也可以由整流和逆变电路组成。 随着各行各业对电气设备控制性能要求的提高，丌关功率变换器广泛应用于 航空、航天、航海等国防领域和电力系统、交通运输、邮电通信、工业控制等民 用领域。这使得开关功率变换器具有了更广泛的应用前景 “1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的场合， 达到电网调峰、高效用电的目的。如航空静止变流器( 2 7 v 和d c 2 7 0 v a c l l5 v 4 0 0 h z ) 、通信静止变流器( d c 4 8 v a c 2 2 0 v5 0 h z ) ； ( 2 ) 以变频或恒频交流电为主交流电源且采用交一直一交变换方案的场合， 如新型风力发电电源( 变频交流电a c 2 2 0 v5 0 h z ) ，变频电源( a c 2 2 0 v 5 0 h z a c l1 5 v4 0 0 h z ) 和交流输变电； ( 3 ) 不间断电源( u p s ) 中的核心环节：蓄电池经过开关功率转换器并联 到直流总线上，一旦外部电源掉电或者发生故障，造成直流总线掉电时，开关功 率转换器就会迅速反应，控制备用蓄电池放电，从而维持直流总线电压的稳定； ( 4 ) 作为校表台产品的电压、电流标准源一电压功率放大器、电流功率 放大器； ( 5 ) 交流电机调速系统中的关键环节一一逆变器； ( 6 ) 开关功率转换器是航空航天电源系统的关键性部件，它设计的好坏直 接关系到航空器上蓄电池的利用效率和寿命长短； ( 7 ) 各种汽车的车载电源系统，电动汽车的电机驱动系统，特别是以蓄电 池为能源的电机驱动系统是开关功率转换器的重要应用场合； ( 8 ) 其他各种应用电源，如医疗电源、感应加热、焊弧电源和化学电源等 等。 正是因为开关功率变换器具有良好的发展前景，广泛性的应用性，使得对开 关功率变换器电路拓扑、动态特性、控制方法、半导体器件和磁性器件、建模和 系统设计以及电力电子系统的集成成为国内外电力电子技术界的研究重点和热 点 7 1 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 本文的主要研究内容 本论文在全面分析了d c d c 开关变换器和d c a c 丌关变换器的电路拓扑、 分析方法、工作原理以及控制方法的基础上，设计了一种输出区别于现有d c d c 丌关变换器和d c a c 开关变换器的开关功率变换器，对其电路拓扑、工作原理、 分析方法做了较为深入的理论分析，并对此种开关功率变换器的应用进行了探讨 和研究，实现了对动态系统的补偿控制，最后对研究和分析的结果进行仿真验证。 本文结构安排如下： 第一章绪论，通过介绍功率电子技术以及开关功率变换器的发展和现状，阐 述了本论文的选题背景，同时简单介绍了本论文的研究内容和研究意义； 第二章对目前d c d c 开关功率变换器和d c a c 开关功率变换器的拓扑结 构、工作原理、分析方法和控制方法做了较为全面的介绍，分析其优点及不足。 指出本文设计的开关功率变换器与当前开关功率变换器的不同之处。 第三章设计具有新的开关状态组合的开关功率变换器，给出电路拓扑结构、 分析工作原理，并建立数学模型和应用算法，从理论上说明该开关功率变换器具 有可输出任意波形的特性。 第四章对本文设计的开关功率变换器的应用进行探讨，将其应用于动态电路 系统，并对系统的拓扑结构、工作模式及工作原理进行分析。在分析了动态电路 产生超调的原因之后，进一步分析了开关功率变换器对动态电路补偿的方法，从 理论上说明了利用本文设计的开关功率变换器可输出任意波形的特点，能够实现 对动态系统超调的补偿。 第五章对开关功率变换器及其应用进行仿真分析，仿真结果与理论分析一 致，不仅验证了开关功率变换器数学模型及应用算法的准确性，而且证明了本文 设计的开关功率变换器具有任意波形输出的特性，它完全能够实现对动态系统的 补偿控制，减小系统超量调，缩短系统上升时间，降低系统能量损耗，改善系统 动态特性。 第六章结束语。对课题研究和论文撰写进行总结，指出尚存在且有待进一步 研究和解决的问题。 1 3 本文研究的重要意义 由于本文设计的开关功率变换器在开关状态组合方式及输出电压形式上与 目前开关功率变换器存在不同，因此对它的研究不仅是一种新的尝试，也是对目 东北大学硕士学位论文第一章绪论 前开关功率变换器理论的补充。 由于本文设计的开关功率变换器具有可输出任意波形的性质，因此，可以在 锌类电系统或自动控制系统中应用，来实现对系统超调的补偿，加速系统稳定， 减小系统能量损耗。另外，它还可以应用于有源电力滤波器，减小有源滤波能耗， 提高功率因数和消除不平衡负载对电网的影响。 东北大学硕士学位论支 第二章开关功率变换器研究述评 第二章开关功率变换器研究述评 图2 1 足开关功率变换器电路原理框图。执行机构通常是| _ | = 1 功率半导体丌关 器件构成的开关装置：控制f 巳路是由模拟或数字电路t f 连成的，控制执行卅天动作 的电路；原始电能即是没有经过开关功率变换的电能；电力负载是指电动机或者 其他所有用电设备i 。 厂一一一一 l 一一 图2 1 开关功率变换器原理框 f i g 、2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs w i t c hp o w e rc o n v e r t e r 为了进一步阐述本文殴计的开关功率变换器与现有d c d c 丌关功率变换器 和d c a c 开关变换器的不同，本章将从电路拓扑、分析方法、控制方法几方面 对现有d c d c 变换器和d c a c 变换器进行介绍。 2 1d c d c 开关功率变换器 2 1 1d c d c 开关功率变换器工作原理 图2 2 是一个隔离式全桥d c d c 变换器，它是个典型的d c d c 变换器的 主电路。图中没有画出p w m 脉冲控制和晶体管开关的驱动电路、吸收和保护电 路、软启动电路、e m i 滤波电路等，虽然他们对开关变换器的运行时不可缺少 的，但在说明或研究主电路拓扑时，可咀不考虑【) j 。 其1 作原理是，四个开关晶体管v f l 、v f 2 、v f ”v f 4 组成全桥( f u l l b r i d g e ) 开关逆变器，高频p w m 脉冲轮流控制丌关管的导通和关断，一个开关刷期内， 前一半周期v f l 和v f 4 导通，v f 2 和v f 3 关断；后一半周期v f z 和v f 3 导通， v f l 和v f 。关断。将直流输入电压u 变换为高频交流方波电压，实现d c a c 变 换，交流方渡经高频变压器升降压，再经全桥整流和l c 低通滤波r 得到直流输 出的电压u 。可见，隔离式的d c d c 全桥变换器是由逆变和整流两级电路组成 出的电压u 。可见，隔离式的d c d c 全桥变换器是由逆变和整流两级电路组成 东北大学硕士学位论文 第二章开关功率变换器研究述评 第二章开关功率变换器研究述评 图2 1 是开关功率变换器电路原理框图。执行机构通常是由功率半导体丌关 器件构成的开关装置；控制电路是由模拟或数字电路构成的，= 卒制执行开关动作 的电路；原始电能即是没有经过开关功率变换的电能；电力负载是指电动机或者 其他所有用电设备。 厂一一一一1 图2 i 开关功率变换器掠理框 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs w i t c hp o w e rc o n v e r t e r 为了进一步阐述本文设计的开关功率变换器与现有d c d c 开关功率变换器 和d c a c 开关变换器的不同，本章将从电路拓扑、分析方法、控制方法几方面 对现有d c d c 变换器和d c a c 变换器进行介绍。 2 1d c d c 开关功率变换器 2 1 1d c d c 开关功率变换器工作原理 图2 2 是一个隔离式全桥d c d c 变换器，它是一个典型的d c d c 变换器的 主电路。图中没有画出p w m 脉冲控制和晶体管开关的驱动电路、吸收和保护电 路、软启动电路、e m i 滤波电路等，虽然他们对开关变换器的运行时不可缺少 的，但在说明或研究主电路拓扑时，可以不考虑p j 。 其工作原理是，四个开关晶体管v f l 、v f 2 、v f 3 、v f 4 组成全桥( f u l l - b r i d g e ) 开关逆变器，高频p w m 脉冲轮流控制丌关管的导通和关断，一个开关周期内， 前一半周期v f l 和v f 4 导通，v f 2 和v f 3 关断：后一半周期v f 2 和v f 3 导通， v f i 和v f 4 关断。将直流输入电压u 变换为高频交流方波电压，实现d c a c 变 换，交流方波经高频变压器升降压，再经全桥整流和l c 低通滤波，得到直流输 出的电压u 。可见，隔离式的d c d c 全桥变换器是由逆变和整流两级电路组成 东北大学硕士学位论文 第二章开关功率变换器研死述评 的d c a c d c 变换。 图2 2 隔离式d c d c 变换器主电路 f i g 2 2t h em a i nc i r c u i to fi s o l a t es t y l ed c d cc o n v e r t o r 2 1 2d c d c 开关功率变换器基本电路拓扑1 】【5 】 u r 图2 2 中全桥d c d c 变换器用了四个开关晶体管，适用于较大功率的场合。 对于小功率的d c d c 变换器( 1 0 0 w 以下) ，实际上用开关晶体管、二极管、电 感和电容就可以组成一台非隔离式( n o n i s o l a t e d ) d c d c 变换器。 d c d c 开关功率变换器基本电路有b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 、 z e t a 六种。图2 _ 3 、图2 4 、图2 5 是其中三种。 平 l 厂idc 牛 r 圈23b u c k 变换器电路拓扑 + ； 东北大学硕士学住论文 第二章开关功率变换器研究述评 图2 ，4b o o s t 变换器电路拓扑 u “：一u o s 胛 )-b “l = o d r ，7 1 弘z ， p 。 一 t 一 、， 一厂上tl 东北大学硕士学位论文 第二章开关功率变换器研艽述评 因此根据公式( 2 1 ) ，有 ( u u o ) ，。= u ，f 。或( 一u 。) o r = u 。( 1 一d ) 7 1 ( 2 - 3 ) 所以工作在c c m 模式下的b u c k 变换器输出输入电压变换比为 u _ ，2 ，_ o = d( 2 4 ) u f 同理可以推导出b o o s t 变换器在c c m 模式下的输出输入电压变换比 u _ u 2 o = 击 ( 2 5 ) u 1 一d 、 7 b u c k b o o s t 变换器在c c m 模式下的输出输入电压变换比 一u o ：旦 r 2 6 、 u 1 一d 根据公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可知，b u c k 变换器是一种升压变换器；b o o s t 变 换器是一种降压变压器；b u c k b o o s t 变换器是一种升降压变换器，当d 0 5 时， d 0 一d ) 1 ，b u c k b o o s t 变换器是升压变换器；当d 0 5 时，d 1 一d l ， b u c k b o o s t 变换器是降压变换器。 在d c m 模式下，b u c k 变换器的一个周期中有三个工作状态，即开关晶 体管导通，二极管关断，输入端直流电源u 将功率传送到负载，并使电感储能 ( 电感电流上升) ，该段时长为t 。；开关晶体管关断，二极管导通，电感储能 向负载释放( 电感电流下降) ，直到电感电流降为0 ，该段时长为。；开关晶 体管关断，二极管导通，但此时一个开关周期还没有结束，因此电流出现断续情 况，直到下一个周期到来，该段时长为t o 。 由于d c m 模式下，一个周期被分为三部分t = 1 f = t o 。+ 乞m + 毛。，且占空比 d = t o , r ，设d 1 = l o f f l ，则l d d i = ，因此根据图2 3 砂一u o 0 r s d t z ，d t d l 时，b u c k b o o s t 变换器是升压变换器；当d d 1 时，b u c k b o o s t 变 换器是降压变换器。 b u c k 电路、b o o s t 电路、b u c k b o o s t 电路是2 0 世纪8 0 年代中期，国际公认 的d c d c 变换器基本电路【1 3 1 。其中b u c k 变换器和b o o s t 变换器互为对偶。以 后陆续推出并被国际公认的基本电路还有b u c k b o o s t 变换器的对偶电路c u k 变 换器，以及互为对偶的s e p i c 变换器和z e t a 变换器。 图2 6 是c u k 变换器电路拓扑 图2 6c u k 变换器电路拓扑 f i g 2 6t h ec i r c u i t t o p 0 1 0 9 yo fc u kc o n v e r t o r c u k 变换器在c c k 下的工作原理是，当开关晶体管t 导通时，输入端电感 l 储能，同时耦合电容c 1 通过开关晶体管t 向负载释放能量，二极管d 关断， 输出电压极性对公共点而言为负。当晶体管关断时，二极管d 导通，输入端直 流电压u 及电感l 1 储能使耦合电容c 1 充电，同时输出滤波电感l 2 储能向负载 释放。 可以证明c u k 变换器在c c m 下，输出输入电压变换比 等= 忐1d ( 2 1 2 ) u 一 、 当l 1 或l 2 较小，或r 较大，或f 较低时，c u k 变换器将二【：作在d c mf ， 苎兰查兰翌丝堡查 鳘三主堑差兰兰奎垫墨竺窒竺堡 这时变换器有三种开关工作状态，0 瓦。期问，开关r r v 4 搴m ；导通，二极管关断， 如图2 7 ( a ) 所示；，。+ ，。期问，开关晶体管关断，二极管导通，如图 2 7 ( b ) 所示：f 。+ f 。丁期间，晶体管和二极管都关断，如图2 7 ( c ) 所示。 r 、r 、r 、 l l j ，2 ； 厂 l jc 1l 2 j - t _ c - 2 r i 【c 】 图2 7d c m 下c u k 变换器的三种开关状态 f i g 2 7t h r e es w i t c hs t a t e so fc u kc o n v e r t o ru n d e rd c m 与前面的分析方法一样，假设d = t o t ，q = t o m r ，可求得，d c m 下，c u k 变换器的输出输入电压变换比 西v o = 会 ( 2 1 3 ) u d 、 。 与b u c k 、b o o s t 和b u c k - b o o s t 相比，c u k 变换器具有输入输出电流都没有 脉动，电磁干扰少，输出纹波小的优点；与b u c k 、b o o s t 相比，c u k 变换器的电 压变换比可随占空比任意变化，即可升压，又可降压；与b u c k 、b u c k b o o s t 相 比，c u k 变换器的开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。但是c u k 变换器比 另外三种变换器多了两个元件，即滤波电感和能量传输电容。 1 9 7 7 年，b e l l 实验室r p m a s s e y 等开发了隔离式单端一次电感式变换器 ( s i n g l e e n d e dp r i m a r yi n d u c t a n c ec o n v e r t e r ) 简称为s e p i c 电路【“1 。其电路拓 扑如图2 8 。其特点是输入端有电感，输入和输出间用电容c l 和电感l 2 耦合。 东北大学硕士学位论文 第二章开关功率变换器研究述评 1 r 门u 图2 8s e p i c 变换器电路拓扑 f i g 28t h ec i r c u i t t o p o i o g yo fs e p i cc o n v e r t o r s e p i c 变换器的对偶，就是z e t a 变换器，其电路拓扑如图2 9 所示 一 l 2 ￥k 1 i o | dz 土 i - a 、c 2 r l _弋 图2 9z e t a 变换器电路拓扑 f i g 2 9t h ec i r c u i t t o p o l o g yo fz e t ac o n v e r t o r 对图2 8 和图2 9 进行分析，可以推导出s e p i c 和z e t a 变换器，c c m 下的 输出输入电压变换比 一u o ：旦 ( 2 1 4 、 ul d 。 s e p i c 和z e t a 变换器的性质和特点如下1 7 】： ( 1 ) 输出与输入间用电容耦合； ( 2 ) 都是升降压变换器，具体是升压还是降压取决于开关占空比d ： ( 3 ) 输入端电路结构，s e p i c 变换器( 耦合电容之前) 和b o o s t 相同；输 出端电路结构，s e p i c 变换器( 耦合电容以后) 和b u c k b o o s t 相同； ( 4 ) 输入端电路结构，z e t a 变换器( 耦台电容之前) 和b u c k b o o s t 相同； 输出端电路结构，z e t a 变换器( 耦合电容以后) 和b u c k 相同； ( 5 ) s e p i c 变换器含有输入滤波电感， 因此输入电流纹波很小；z e t a 变换 器输出端有滤波电感，因此输出电流纹波很小。 东北大学硕士学位论文 第= 章开关功率变换器研究述评 表2 1 是d c d c 变换器以上六种基本拓扑的比较。 表2 1d c d c 变换器基本拓扑的比较 t a b l e2 1t h ec o m p a r eo fd c d cc o n v e r t o rc i r c u i t t o p o l o g y 2 2d c a c 开关功率变换器 d c a c 变换器是将直流电能变换为交流电能的变流装置，供交流负载用电 或与交流电网并网发电1 0 1 。按照交流用电负载与输入直流电源的电器隔离元件 工作频率，可以分为低频环节变换器和高频环节变换器。 d c a c 开关功率变换器 2 2 1 低频环节变换器 方波逆变器 低频环节变换器 阶梯波合成逆变器 1 脉宽调制逆变器 f 单向电压源高频环节逆变器 高频环节变换器 双向电压源高频环节逆变器 i 电流源高频环节逆变器 方波、阶梯波合成、脉宽调制三种逆变器的共同特点是，用来实现电气隔离 和调整电压比的变压器工作频率等于输出电压频率，其体积大、重量大、音频噪 声大、故称为低频环节逆变器。图2 1 0 是低频环节逆变器电路结构，该电路由 逆变器、工频变压器以及输入和输出滤波器构成。 东北夫学硕士学位论文第二章开关功率变换器研究述评 o y v 、 l f a 厂1、广 、i r 。 l 享2 二= 叫出：l 卜、一j 直流电源 滤波器 t 蜘或高频逆变器t 频变乐器滤波器交流负载 图2 1 0 低频环仃逆变器电路结构 f i g 210t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fl o w f r e q u e n c yc o n v e r t o r ( 1 ) 方波逆变器 方波逆变器的输出电压为方波，是最简单、发展最早的一种逆变器。其电路 拓扑主要有推挽式、半桥式和全桥式三种。这里以推挽式方波逆变器为例说明其 工作原路。图2 1 l 是推挽式方波逆变器拓扑。该电路可以看成由两个完全对称 的单端正激变换器并联交错而成，一次侧两个绕组数相等，即l ，= n i ：= 】( n l l 、 1 2 分别是w l l 、w l2 的匝数。 图2 1 1 推挽式方波逆变器电路拓扑 f i g 2 11 t h ec i r c u i t t o p o l o g yo fp u s h p u l ls q u a r ew a v ec o n v e r t o r 图2 1 2 是推挽式方波逆变器感性负载的原理波形。 东北大学硕士学位论丈 第二章开关功率变换器研究述评 图2 1 2 推挽式方波逆变器感性负载的原理波形 f i g 2 12t h ei n d u c t a n c el o a dw a v e f o r m so fp u s h p u l ls q u a r ew a v ec o n v e r t o r 当0 r s 时，v 1 导通、v 2 截止，可得 “2 ：n 、，z u ， ( 2 15 ) 2 n ? 当，t ：时，v 1 、v 2 都截止，由于感性负载中电感储能的连续性，电流f 2 连 续变化，电流i 1 由w 1 1 绕组转换到w 1 2 绕组流通，并经续流二极管v d 2 返回 输入直流电源，从而变压器二次的输出电压为如图阴影部分，即 ”2 ：一n 。，2u ， ( 2 1 6 ) ”2 一r 当屯，岛时，v 2 导通、v 1 截止，可得 ”2 ：一n _ ，_ ，l 2u ， ( 2 ，1 7 ) ”2 一m r l z 当t 时，v 1 、v 2 都截止，由于感性负载中电感储能的连续性，电流i 2 连 续变化，电流f l 由w 1 2 绕组转换到w 1 1 绕组流通，并经续流二极管v d l 返回 输入直流电源，从而变压器二次的输出电压为如图阴影部分，即 圹善u ， ( 2 18 ) “22 i u r ( 2 埔) 东北大学硕士学位论更 第二章开关功率变换器研究述评 因此输出电压 ：是幅值为+ u i n 2 n 的方波。通过调节功率丌关v 1 、v 2 的占空 比，达到调节输出电压的目的。 方波逆变器其有如下特点： 电路结构简洁，单极功率变换d c l f a c ，双向功率流，变换效率高； 功率丌关一t ：作频率低，技术成熟，应用广泛； 工频变压器体积和重量较大： 输出电压总的谐波畸变度达4 8 ，输出滤波器体积和重量都较大； 对于电网电压和负载的波动，系统动态响应较差； 变压器和输出滤波电容的音频噪声大。 ( 2 ) 阶梯波合成逆变器 为了减小方波逆变器的输出波形的谐波含量，可将多个方波逆变器移相叠 加，从而构成阶梯波合成逆变器。阶梯波的阶高按丁f 弦规律变化，如果每个周期 阶梯波的阶梯数为2 n ，那么就需要n 台单向方波逆变器，或n 3 台三相方波逆 变器。 阶梯波合成逆变器具有如下特点： 单极功率变换d c l f a c ，双向功率流，变换效率高，但电路拓扑复杂， 功率开关数多，整机的体积和重量仍较大； 工频变压器体积和重量较大； 输出电压总的谐波畸变度t h d 低，输出滤波器体积和熏量较小： 对于电网电压和负载的波动，系统动态响应较好： 变压器和输出滤波电容的音频噪声得到改善； 逆变器输出电压的调解难度较大。 ( 3 ) 脉宽调制逆变器 阶梯波合成逆变器虽然改善了输出电压波形的质量，但同时增加了电路拓扑 的负载程度。脉宽调制逆变器将正弦参考波与高频三角波载波相交生成正弦脉宽 调制信号，用来控制驱动逆变桥的功率开关，输出谐波含量小的正弦脉宽调制电 压。脉宽调制逆变器具有电路结构简洁、输出电压t h d 小、系统动态性能好等 优点，但是仍存在变压器体积和重量较大的缺点，而且由于逆变器开关频率的提 高，是开关损耗增加，减低了变换效率。 2 2 2 高频环节变换器 为了克服低频环节逆变技术的缺点，m r e s p s l a g e 于1 9 7 7 年提出了高频环 1 6 东北大学硕士学位论丈 第二章开关功率变换器研究述评 节逆变的概念【l “。他用高频变压器臀代低频逆变器中的工频变压器，克服了低 频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性。 ( 1 ) 单向电压源高频环节逆变器 单向电压源高频环节逆变器就是在直流电源和逆变器之间加入一级高频电 气隔离直流变换器，使高频变压器实现电压比调整和电气隔离，省掉体积庞大的 【：频变压器，降低了音频噪声。图2 13 是单向电压源高频环节逆变器电路结构 图。 jl 。1 7 1 l 上 仁。- - - 。i 太 _ j 【一| l_ - 一、l r r r r 、j l f a c 臬 j 七 _ _ 厂l 滤波器高频逆变嚣高频变压器整流器滤波器 p w m 遵耍器 滤渡器 图2 1 3 单向电压源高频环节逆变器电路结构 f i g 2 13t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fu n i l a t e r a lv o l t a g es o u r c eh i g h - f r e q u e n c yc o n v e r t o r 单向电压源高频环节逆变器具有单向功率流，三级功率变换( d c h f a c d c l f a c ) 的特点，但其变换效率不够理想。 ( 2 ) 双向电压源高频环节逆变器 图2 1 4 是双向电压源高频环节逆变器电路结构，这类逆变器存在一个固有 的缺点，即控制输出电压的周波变换器采用了传统的p w m 技术，从而造成不可 避免的电压过冲。因此这类方案都需要采用一些缓冲电路或有源电压箝位电路来 吸收存储在漏感中的能量1 6 i ，这必然会增加电路功率器件数，增加控制电路的 复杂性。 j j l 一蛐 j 一器趣五耳一 一7 f 。秆i t r 浏 滤波器高频逆变器 高频变压器刷波逆变器滤波器 图2 1 4 双向电压源高频环节逆变器电路结构 f i g 2 1