DC DC变换电路ppt课件

第三讲直流-直流变换,现代功率变换技术,第三讲直流-直流变换,将大小固定的直流电压变换成可调的直流电压的变换称为DC/DC变换。具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称为DC/DC变换器（DC/DCConverter）直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源，特别是在电力牵引上，如地铁、电气机车等。,结构直接型：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压型电路等(直流斩波)隔离型：正激（Forward）电路，反激（Flyback）电路，半桥型，全桥型电路等,第三讲直流-直流变换,一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,1）电感电流连续工作模式（CCM）,稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为零,=0,电感，电容，二极管的作用？,一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,2）电感电流断续工作模式(DCM),临界条件：,临界点：,一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,电容电流一周期上平均值为零,2）电感电流断续工作模式(DCM),一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,求出,输出电压：,2）电感电流断续工作模式(DCM),电流断续时，总是有UoDUi，且负载电流越小，Uo越高。输出空载时，Uo=Ui,一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,输出电压：,断续时D与负载和电感、开关周期有关。,2）电感电流断续工作模式(DCM),一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,电流断续时，总是有UoDUi，且负载电流越小，Uo越高。输出空载时，Uo=Ui,2）电感电流断续工作模式(DCM),一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,特点：电路简单；只能降压；输入电流脉动大；输出电流脉动小。,一、直接DC/DC变换器1.降压斩波电路,不可逆直流电动机调速,应用于直流稳压开关电源和直流拖动。,1）电感电流连续工作模式(CCM),一、直接DC/DC变换器2.升压斩波电路（boost）,升压,D1时，U0无穷，避免,2）电感电流断续工作模式(DCM),二极管VD电流的开关周期平均值等于负载电流Io。,电感电流连续的临界条件推导,临界条件：,一、直接DC/DC变换器2.升压斩波电路（boost）,2）电感电流断续工作模式(DCM),二极管电流开关周期平均值为,电容的开关周期平均电流为零，故二极管电流开关周期平均值等于负载电流,一、直接DC/DC变换器2.升压斩波电路（boost）,2）电感电流断续工作模式,电感电流断续时的输出电压要高于电感电流连续时的输出电压。输出空载时，K趋于无穷大，输出电压Uo也趋于无穷大。升压电路不应空载，否则会产生很高的电压而造成电路中元器件的损坏。,一、直接DC/DC变换器2.升压斩波电路（boost）,3）升压电路的典型应用,一、直接DC/DC变换器2.升压斩波电路（boost）,常用于将较低直流电压变换为较高的直流电压，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源，单相功率因数校正电路等。,3)升压电路的典型应用,当使V4保持通态时，V1发PWM波，则提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态。此时，需要防止V3导通造成电源短路。,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,V1和VD1构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于第1象限即正转电动状态，而V2和VD2构成升压斩波电路，可使电动机工作于第2象限即正转再生制动状态。,3)升压电路的典型应用,当使V2保持通态时，于是V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。V3和VD3构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于第3象限即反转电动状态，而V4和VD4构成升压斩波电路，可使电动机工作于第4象限即反转再生制动状态。,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,升压斩波电路（boost）的应用功率因数校正电路,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,PWM驱动生成方法：载波调制法电流跟踪法,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,电流跟踪控制,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,电流跟踪控制,一、直接DC/DC变换器,2.升压斩波电路（boost）,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),则当01/2时，降压；当1/21时，为升压。,1)电流连续状态CCM,特点：输出电压与输入电压反向,占空比不能太大，否则输出电压过高。,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),电流临界临界连续状态,+,-,电感电流联系与断续的条件：,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),2)电流连续状态CCM,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),2)电流断续状态DCM,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),2)电流断续状态DCM,电感电流断续时输出电压要高于电流连续情况。负载电流很小时，电感电流将断续。负载电流越小，Uo越高。输出空载时，Uo将趋向于无穷大.升降压电路也不应空载，否则会产生很高的电压,用于电池供电设备中产生负电源的电路，还用于各种开关稳压器中。,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),电流断续状态,电感电流断续时输出电压要高于电流连续情况。负载电流很小时，电感电流将断续。负载电流越小，Uo越高。输出空载时，Uo将趋向于无穷大，因此，升降压电路也不应空载，否则会产生很高的电压.,一、直接DC/DC变换器3.升降压型电路(Boost-Buck),特点：电路简单；升压、降压；输入电流脉动大；输出电流脉动大；不能空载运行。,一、直接DC/DC变换器,4.Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。,一、直接DC/DC变换器,4.Cuk斩波电路,设两个电感电流连续,特点：升压、降压；输如、输出电流脉动小；不能空载运行，控制较为复杂。,一、直接DC/DC变换器,4.Cuk斩波电路,应用：光伏发电方面的应用，最大跟踪控制，特点：输入输出脉动小，输出纹波和电磁干扰都比较小,一、直接DC/DC变换器,5.Sepic斩波电路,a)Sepic斩波电路,电路结构,Speic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。,一、直接DC/DC变换器,5.Sepic斩波电路,a)Sepic斩波电路,电路结构,Speic电路原理V断态，EL1C1VD负载回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。,一、直接DC/DC变换器,一、直接DC/DC变换器,一、直接DC/DC变换器,5.Sepic斩波电路,a)Sepic斩波电路,特点：升压、降压；输入电流脉动小；输出电流脉动大；不能空载运行；输入输出隔离；控制、结构较为复杂；单相功率因数校正电路。,二、带隔离变压器的直-直变换器,实现相互隔离的多路输出；实现电压等级的变换；采用高频变压器，减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。,结构：电源输入滤波器全桥整流直流滤波开关管（振荡逆变）高频变压器输出整流与滤波,1）电流连续工作状态DCM,开关上承受电压：,在输出滤波电感连续情况下,与降压电路特性相同,广泛应用于功率为数百瓦数千瓦的开关电源中。,开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为,1）电流连续工作状态CCM,二、带隔离变压器的直-直变换器,1.正激（Forward）电路,2）电流断续工作状态DCM,断续临界条件：,电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在负载电流为零的极限情况下UoUiN2/N1,二、带隔离变压器的直-直变换器,1.正激（Forward）电路,正激型电路的电压比关系和降压型电路非常相似，仅有的差别在于变压器变比正激型电路的电压比可以看成是将输入电压Ui按电压比折算至变压器二次侧后根据降压型电路得到的不仅正激型电路是这样，半桥型、全桥型和推挽型电路也是这样。但没有充分利用变压器效率。,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,1）电流连续工作模式,工作过程：,S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加，无输出电压。S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放，有输出电压。,可以看成是升降压型电路中的电感换成变压器耦合的电感。,变压器总会经历着储能放能的过程,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,1）电流连续工作模式,反激型电路工作于电流连续模式时，其变压器磁心的利用率会显著下降，因此实际使用中，通常避免该电路工作于电流连续模式。,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,2）电流断续工作模式DCM,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,2）电流断续工作模式DCM,与升降压型电路相比，不同之处仅在于多了变压器电压比的因子,L是变压器二次测得的电感量,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,2）电流断续工作模式DCM,当电路工作在断续模式时，输出电压随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo，这将损坏电路中的元器件反激型电路不应工作于负载开路状态,二、带隔离变压器的直-直变换器,2.反激（Flyback）电路,2）电流断续工作模式DCM,特点：在断续模式，变压器磁心利用率高，通常设计反激型电路保证其工作于电流断续方式。广泛应用小功率开关电源中，在各种家电、计算机设备、工业设备中小功率开关电源中基本上采用反激型不适应较大功率开关电源。,二、带隔离变压器的直-直变换器,3.全桥电路,二、带隔离变压器的直-直变换器,3.全桥电路,改变占空比D就可以改变整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。每个开关断态时承受的峰值电压均为Ui。为了避免上下两开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50。,二、带隔离变压器的直-直变换器,3.全桥电路,降压型类似,应用数百千瓦数千千瓦用电电源中,大功率。,各种不同的间接直流变流电路的比较,三、DC-DC控制原理及控制电路,开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持恒定。,电压控制模式：电压单闭环控制，输出电压中包含低频纹波电流控制模式：电压电流双闭环控制优点：系统的稳定性张强，稳定域扩大系统动态特性改善，消除低频纹波具有快速的限流能力。,三、DC-DC控制原理及控制电路,电压控制模式：电压单闭环控制，输出电压中包含低频纹波,三、DC-DC控制原理及控制电路,电压控制模式：电压单闭环控制，输出电压中包含低频纹波,控制电路的作用：将一定范围内连续变化的控制量模拟信号转化为PWM信号，该信号看开关频率固定，占空比随输入信号连续变化常用的PWM控制器SG1525/2525/3525,TL494等,三、DC-DC控制原理及控制电路,三、DC-DC控制原理及控制电路,SG3525通过内部的振荡器产生一锯齿波电压作为载波信号，反馈电压和参考电压通过内部的误差放大器比较并输出误差电压，此误差电压作为调制信号，载波信号和调制信号叠加用于确定脉宽调制波的占空比。反馈电压越高，输出脉冲的占空比越小，反之则越大。当交流输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，由于系统的负反馈作用，PWM输出脉冲宽度自动调整,从而实现稳压。,三、DC-DC控制原理及控制电路,1.工作电压范围：835V2.内置5.1V,1.0%的基准电压源3.芯片内振荡器工作频率：100400Hz4.死区时间可调，末级采用推拉式工作电路5.内设欠压锁定电路，当输入电压小于8V时芯片内锁定。6.有软启动电路。管脚87.内置PWM脉宽调制电路,集成PWM脉冲发生器原理图,三、DC-DC控制原理及控制电路,电压型控制器SG3525电压模式控制器,三、DC-DC控制原理及控制电路,三、DC-DC控制原理及控制电路,电压型控制器SG3525电压模式控制器组成的DC/DC电源,三、DC-DC控制原理及控制电路,三、DC-DC控制原理及控制电路,电流型控制电路,1.峰值电流型控制:不能精确控制电流以及抗干扰性差等缺点2.平均电流型控制:提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强,三、DC-DC控制原理及控制电路,2.平均电流型控制:检测电流经电流积分器积分后与误差电压相减，其差值与锯齿波比较生成控制脉宽驱动开关。响应速度比峰值电流控制响应慢。,三、DC-DC控制原理及控制电路,开关电源控制电路原理,自保护功能：输入过电压，输入欠电压、系统过热、系统电流附载保护功能：输出过电压、输出欠电压,三、DC-DC控制原理及控制电路,UC1842/2842/3842峰值电流模式控制的集成PWM控制器，专门构成正激型和反激型等开关电源,适用于500W的正激型和100W以下的反激型开关电源,三、DC-DC控制原理及控制电路,三、DC-DC控制原理及控制电路,UC1846/2846/3846峰值电流模式控制的集成PWM控制器，专门构成半桥、全桥和推挽型开关电源的集成PWM控制器UC1875/2875/3875峰值电流模式控制的集成PWM控制器，专门构成移相全桥型开关电源控制的集成PWM控制器,四象限直流调速系统,四象限直流调速系统,四象限直流调速系统,四、PWM四象限直流变换控制原理,脉宽调制技术：PWM(PulseWidthModulation)即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,1）PWM调制概念冲量原理面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,b),冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,a）,u(t)电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)输出电流，是电路的响应。,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,SPWM工作原理,单极性调制：,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,SPWM工作原理,双极性调制,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,O,u,t,四、单极性PWM四象限直流变换控制原理,2）同频单极性PWM控制原理,V1、V4方向臂，V2、V3导通臂电动机工作