第三章 直流变换电路.ppt

第3章直流变换电路,1、定义：利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。2、分类：按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。3、隔离方式：在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。,3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术,第3章直流变换电路,3.1直流变换电路的工作原理,工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在ton时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在toff时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。电路中开关的占空比TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值为若认为开关T无损耗，则输入功率为式（3.1.2）中Ud为输入直流电压。输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton或TS来实现。,图3.1.1基本的斩波器电路及其负载波形,（3.1.2）,（3.1.1）,（3.1.3）,直流变换电路的常用工作方式主要有两种：脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持Ton不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS不变，Ton改变。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。,理想的电力电子变换器,为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。,3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术,第3章直流变换电路,3.2降压变换电路,原理图,续流二极管,全控型电力器件,输入直流电压,滤波电感,滤波电容,负载,电流连续时的工作特性,1.两种开关状态2.变压比和电压、电流基本关系,3.2降压变换电路,导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图3.2.1(b)所示；关断期间（toff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如3.2.1(c)所示；由波形图3.2.1(b)可以计算出输出电压的平均值为：,图3.2.1降压电路及其波形图,(3.2.3),忽略器件功率损耗，即输入输出电流关系为：,波形分析,图3.2.2电感电流波形图,Buck变换器的可能运行情况：,1.电感电流连续模式,2.电感电流临界连续状态,3.电感电流断流模式,电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率f、滤波电感L和电容C的数值,f、L、C大，越连续,VG0,T管导通,VG=0,T管阻断,降压原理,对开关管T加驱动信号VG,开关周期为TS,输出电压,变压比为M,n次谐波幅值,输出电压的直流平均值,将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中,(3.2.4),1）电感电流iL连续模式：,在ton期间:电感上的电压为,由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成,式中IL=I2I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。,(3.2.5),(3.2.6),(3.2.7),在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有,根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期S为,上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电容在一个周期内一直处于充电放电状态，达稳态时电容的平均充电电流=其放电电流，电容电流的平均值为零。则：负载电流的平均值I0=电感电流的平均值IL电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL=I2I1可得,工作电流的平均值表达式,电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：,输出电压波动量,电容电压、电容电荷,输出纹波电压：在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。,（3.2.14）,2）电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。当实际负载电流IoIok时，电感电流连续；当实际负载电流Io=Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流IoIok时，电感电流断流；,(3.2.10),(3.2.11),输出电压LC滤波,滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。,直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。,滤波器电抗对谐波的阻抗为：L,滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C,如果：,各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。,滤波器,3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术,第3章直流变换电路,3.3升压变换电路,1)定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。,全控型电力器件开关,储能,保持输出电压,2）原理图,电流连续时的工作特性,1.两种开关状态2.变压比和电压、电流基本关系,3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏截止，电感L储能，电容C给负载R提供能量。toff工作期间：二极管导通，电感L经二极管给电容充电，并向负载RL提供能量。可得：式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在0D1的变化范围内UoUin,3.3升压变换电路,图3.3.1升压变换电路及其波形,波形分析,比较3.3.1与3.3.3，令IL相等，ton+toff=TS得3.3.5式,假定负载电流平均值为IO,输入电流和电感电流的电流平均值均为：,通过二极管的电流ID等于负载电流IO（电容的平均电流为零）,工作电流的平均值表达式,电流处于临界连续时I1=0,4）Buck变换器的可能运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：当实际负载电流IoI0k时，电感电流连续。当实际负载电流Io=I0k时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。当实际负载电流IoI0k时，电感电流断流。,(2.3.11),输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C向负载放电的电压变化量（ic波形阴影部分为一个周期电荷泄放量），电容C上的脉动电压就是输出纹波电压。V0可近似地由下式确定,理想Boost变换器输出电压纹波（三角波）的大小,纹波电压可近似地由下式确定,T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容C充电。,图3.3.1升压变换电路及其波形,3.3升压变换电路,总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:,没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间()电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。,3.3升压变换电路,总结：,Boost电路电源的输入电流就是升压电感L电流，输出电流是二级管的平均电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。,实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流（Id+IL）不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。,Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。,3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术,第3章直流变换电路,3.4升降压变换电路,1)概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。,图3.4.1升降压变换电路原理图,2）工作原理：ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。toff期间，电感放能，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。,图3.4.1升降压变换电路及其工作波形,(3.4.4),(3.4.1),3.4升降压变换电路,2）