第3章 直流变换器.doc

第3章 直 流 变 换 器直流变换器，即直流-直流变换器，是将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源。直流变换是为解决系统效率，特别是大功率系统的效率而提出的解决方案。它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置。它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电压或电流可控的直流电能。 直流变换器按照电路拓扑可以分为基本的不带隔离变压器的直流变换器和带隔离变压器的直流变换器两大类。基本的直流变换器是通过开关管，再经电容、电感等储能滤波元件将输入的直流电压变换为符合负载要求的直流电压或电流。这种变换器适用于输入输出电压等级相差不大，且不要求电气隔离的应用场合。基本的直流变换器有多种电路接线形式，根据其电路结构及功能分类，本章将讨论以下四种基本类型：（1）Buck直流变换器；（2）Boost直流变换器；（3）Buck-Boost直流变换器；（4）Boost-Buck直流变换器。其中，（1）、（2）两种是直流变换器最基本的结构；（3）、（4）是前两种基本结构的组合形式。本章将详细分析上述四种变换器的基本原理和稳态工作特性，分析过程中，为便于理解把变换器中的功率器件看作理想开关，并且对电路中电感和电容的损耗忽略不计。此外还假定变换器的直流输入电源为理想的恒压电压源。直流变换器输出端所带负载常用一等效电阻来表示。而在直流电机驱动中，电机负载可表示为直流电压与绕组电阻和电感的串联等效电路。3.1 基本直流变换器3.1.1 Buck直流变换器Buck变换器（又称作降压变换器）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源中，在这些应用场合，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进行调节。 图3-1（a）给出了最简单的降压变换器的电路拓扑，假设图3-1（a）中的开关V为理想开关，即不计其损耗。从图3-1（b）可以看出，当开关管闭合时，输出电压Uo等于输入电压Ui；当开关管断开时，输出电压为0；因此，可以由开关管占空比计算输出平均电压，即 （3-1）由式（3-1）可知，通过改变占空比D即可以控制输出平均电压Uo，并且输出平均电压Uo的值总是小于或者等于输入电压Ui；因此，这种变换器称为降压变换器。 图3-1 纯电阻负载buck变换器的电路图 1. 工作原理图3-2（a）为一可实际应用的buck变换器的电路拓扑，图3-2（b）为输出电压波形。这种降压变换器的工作原理是：当开关V导通时，Ui通过电感L向负载传递能量，此时，iL增加，电感储能增加，如图3-3（a）所示。当V断开时，由于电感电流iL不能突变，iL通过二极管VD续流，电感L上的能量逐步消耗在电阻R上，iL降低，L上储能减小，如图3-3（b）所示。由于VD的单向导电性，iL不可能为负，即总有iL0，从而可在负载上获得单极性的输出电压。 由于在稳态分析中假定输出端滤波电容很大，则输出电压可认为是平直的，即uo(t)Uo。同样，由于稳态时电容的平均电流为0，因而降压变换器中电感的平均电流等于平均输出电流Io。由降压变换器的原理可以看出，电感可以工作在连续电流工作方式，也可以工作在不连续的工作状态。电感电流连续的状态称为连续导电模式，反之则称为不连续导电模式。图3-2 降压变换器电路图及电压波形图 图3-3 降压变换器开关变换对应电路当晶体管V导通时，电感中有电流流过且二极管为反向偏置，导致电感两端呈现正电压 （3-2）在该电压作用下电感中电流线性上升，上式可写成 （3-3）当晶体管截止时，电感中电流不能突变，感应电势反号，迫使iL经二极管导通，此时uL=-Uo呈现负电压，则有 （3-4）电感电流线性下降，上式可写为 （3-5）式中，为晶体管的截止时间。在稳态时，联解式（3-3）和式（3-5）得到 （3-6）式（3-6）和式（3-1）完全相同，这是因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。有关点的波形如图3-4所示。输出电流平均值 （3-7） 图3-4 降压变换器波形图2. 变换器理想条件下的外特性在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流的关系称为变换器的外特性。式（3-6）表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减少，可能出现电感电流断续。由式（3-3）和式（3-5）可见，当输入电压和输出电压一定时，是常数。又由式（3-7）可见，当负载电流减少到时，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流 （3-8）有关的波形如图3-5所示。图3-5 连续与间断临界条件下的电流电压波形考虑到式（3-3）和式（3-6） （3-9）由上式可见，临界连续电流与占空比的关系为二次函数。当时，临界电流达到最大值 （3-10）将式（3-10）代入式（3-9）得到 （3-11）因临界连续是连续的特例，在降压式变换器中。在给定占空比D时，如负载电流大于式（3-11）决定的电感电流连续，电压比 与负载无关。如负载电流小于式（3-11）决定的，则电感电流不连续，波形如图3-6所示。由图可见，在关断时间结束前续流二极管电流就下降到零，此时输出平均电流 （3-12）式中，是晶体管关断后电流持续时间，式中图3-6 电感电流不连续时波形图 （3-13） （3-14）稳态时，由式（3-13）和式（3-14）得到 （3-15）也可以由伏-秒积相等的原则求得上式。将式（3-15）代入式（3-12）得到 （3-16）再将式（3-13）代入式（3-16），并考虑到式（3-10），经整理得到 （3-17）即 （3-18）上式关系示于图3-7，并将式（3-6）和式（3-11）画于同一图上，这就是降压式变换器的标幺外特性。图中曲线A为临界连续曲线，由式（3-11）决定；曲线A右边为电流连续区，由式（3-6）决定；而曲线A左边为电流断续区，由式（3-18）决定。可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。在讨论中虽然忽略了电感电阻和晶体管压降，但从特性上可以发现，变换器存在很高的非线性内阻。如变换器工作在这一区域，为维持一定的输出与输入电压比，占空比随负载改变非常大。通常功率管在轻载时存储时间长，这样会在低输出电流时变换器失控；如保证不失控，就应降低变换器的开关频率。因此在电路设计时，应以最小输出电流作为电感电流临界连续来设计线圈电感。 图3-7 降压式变换器的标幺外特性3.1.2 Boost直流变换器Boost变换器又称为升压变换器，它对输入电压进行升压变换，其电路结构如图3-8所示。图3-8 升压变换器电路1.工作原理通过控制开关管V的导通比，可以控制升压变换器的输出电压。电路原理是：设开关管V由信号uG控制，uG为高电平时，V导通，反之，V关断。V导通时，uL=Ui0,iL增加，电感储能增加，同时负载由C供电；V关断时，因电感电流不能突变，iL通过VD向电容C、负载供电，电感上储存的能量传递到电容、负载侧，此时iL减小，L上感应电势UL0,u0(t)Ui为常数。图3-9给出了开关管动作时的等效电路。图3-9 开关管动作时等效电路 为讨论方便，假设所有的元件都是理想的，同时负载电流足够大，电感电流连续。当晶体管V导通时，二极管截止，有 （3-19）电感电流线性增加。当晶体管由导通变为截止时，电感电流不能突变，产生感应电势迫使二极管导通，此时 （3-20）设滤波电容很大，在晶体管导通时和截止期间，电容电压不变。由式（3-20）可见，电感电流线性下降。电路有关电流、电压波形如图3-10所示。图3-10 升压变换器波形图稳态时，根据电感电流线性变化和电感电流连续性原理，式（3-19）和式（3-20）可写成 （3-21） （3-22）联解式（3-21）和（3-22），并简化可以得到 （3-23）因D小于1，由式（3-23）可见，输出电压大于输入电压，所以是升压式电路。若假定该电路无损耗，输入功率等于输出功率，即PI=Po,UiII=UoIo；故得到平均输出电流与占空比的关系为 (3-24)2. 升压式电路的外特性在理想条件下，可采用处理降压式相似的方法，求得电感电流连续时的外特性。电流临界连续时（图3-11） （3-25）图3-11 连续与间断临界条件下的电流电压波形稳态时，因，由式（3-21）可得 （3-26）当D=0.5时，得到最大临界连续电流 （3-27）将式（3-27）代入式（3-26）得到 （3-28）比较式（3-27）与式（3-11）及式（3-28）与式（3-9）是相同的，这就是电感电流临界连续一般表达式。当电感电流断续时（图3-12），用相似于降压变换器的推导方法得到 （3-29）经整理 （3-30）图3-12 电感电流不连续时波形图将式（3-30）、式（3-28）和式（3-23）以方式示于图3-13曲线A，B和C。曲线B为临界连续，其右边为电感电流连续区，左边为断续区。应当注意，当IO=0时，输出开路，Ui/Uo=0，即Uo=，这是不允许的。因为这将损坏电路的元器件。图3-13 升压式变换器标幺输出特性3.1.3 Buck-Boost直流变换器Buck-Boost变换器又称为升降压变换器，它是一种既可以升压，又可以降压的变换器。其电路拓扑如图3-14所示。图3-14 升降压变换器电路1. 工作原理Buck-Boost电路工作原理如下：开关管V导通，二极管VD截止时，输入电压Ui加在L上，电感从电源获取能量，此时，靠滤波电容C维持输出电压保持不变；当V截止时，电感L中储存的能量传递给电容及负载。V占空比越高，传递到负载的能量就越多。当使占空比为0时，输出电压Uo也将为0；当占空比近似为1时，通过L的电流将趋于无穷大（不考虑L寄生电阻）；因此，此时传递给负载的能量也将足够大，这说明通过控制开关管V的占空比，从理论上讲，可控制输出电压在0-之间变化。 升降压变换器等效电路如图3-15所示。图3-15 升降压变换器等效电路为讨论方便，假设所有的元件都是理想的，同时负载电流足够大，电感电流连续。当晶体管V导通时，二极管截止，有 （3-31）电感电流线性增加。当晶体管由导通变为截止时，电感电流不能突变，产生感应电势迫使二极管导通，此时 （3-32）设滤波电容很大，在晶体管导通时和截止期间，电容电压不变。由式（3-32）可见，电感电流线性下降。电路有关电流、电压波形如图3-16所示。图3-16 升降压变换器波形图稳态时，根据电感电流线性变化和电感电流连续性原理，式（3-31）和式（3-32）可写成 （3-33） （3-34）联解式（3-33）和（3-34），并简化可以得到 （3-35）因D小于1，由式（3-35）可见，D0.5时，输出电压大于输入电压，而D0.5时，输出电压小于输入电压，所以是升降压式电路。若假定该电路无损耗，输入功率等于输出功率，即PI=Po,UiII=UoIo；故得到平均输出电流与占空比的关系为 (3-36)2. 升降压式电路的外特性在理想条件下，可采用处理降压式相似的方法，求得电感电流连续时的外特性。电流临界连续时（图3-17） （3-37）图3-17 连续与间断临界条件下的电流电压波形稳态时，因，由式（3-33）可得 （3-38）当D=0.5时，得到最大临界连续电流 （3-39）将式（3-39）代入式（3-38）得到 （3-40）比较式（3-40）与式（3-11）及式（3-38）与式（3-9）是相同的，这就是电感电流临界连续一般表达式。当电感电流断续时（图3-18），用相似于降压变换器的推导方法得到 （3-41）经整理 （3-42）图3-18 电感电流不连续时波形图将式（3-42）、式（3-40）和式（3-35）以方式示于图3-19曲线。曲线A为临界连续，其右边为电感电流连续区，左边为断续区。图3- 19 升降压变换器标幺外特性 3.1.4 Boost-Buck直流变换器在前面三节介绍的降压、升压、升降压变换器电路都很简单，都有各自的特点，并能完成相应的功能。Boost-Buck直流变换器又称为丘克变换器，综合了它们的优点，可以同时实现：（1）输入输出电压基本平直；（2）输出电压可在0-之间变化；（3）主开关器件驱动简单。丘克变换器电路如图3-20所示。其中，L1、C1均作为能量传递的元件使用，L2、C2为滤波元件。电路工作原理是：当控制信号使开关管V导通时，二极管VD截止，电源Ui向电感L1传送能量，电感电流iL1上升，L1储能增加。导通时间越长，L1中储存能量增加越多，此时C1中储存的能量释放给负载侧，即R、L2、C2上；当控制信号使开关管V截止时，二极管VD导通，电感L1中电流流经C1，即给C1充电，电源Ui、储能电感L1同时向C1传送能量，此时输出电压Uo靠电容C2和电感L2维持基本不变。由上述分析可知：控制开关管V的占空比，即可控制向C1传递能量的多少，从而可控制输出电压的大小。为了便于对系统进行稳态分析，假设电路中元器件均为理想的，同时还认为电容电压基本上是平直的，即忽略C1、C2上的纹波影响。 在本节讨论中，着重给出连续导电模式的工作原理、工作波形及相关公式的推导过程。 图3-20 Boost-Buck变换器电路拓扑 由上面对丘克变换器的分析，可以得到连续导