电力电子技术第4章

第4章直流-直流变换器,主要内容：降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；几种不同变换器的开关利用率。,4.1简介,直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)4.丘克直流-直流变换器5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter),4.2直流-直流变换器的控制,基本的直流-直流变换器和它的输出波形,开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts开关周期D开关占空比，改变负载端输出电压有3种调制方法：1开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。2开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。3.改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。,方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。,按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：(4-2)直流-直流变换器有两种不同的工作模式：1.电感电流连续模式2.电感电流断续模式在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。,4.3降压变换器,降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。在实际应用中，有如下问题：1实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；2在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。,图4-3降压变换器电路原理图,图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。,采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。,4.3.1电流连续模式时的工作情况,在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo，如图4-5(a)所示。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL=-Uo，电感电流下降，如图4-5(b)所示。输出电压(4-5)因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。,忽略电路所有元件的能量损耗，则因此故有(4-6)因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。,4.3.4输出电压纹波,在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。电压纹波的峰-峰值Uo为:(4-24)式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcutri，触发VTA+和VTB-导通，直流电源经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，输出电压uo=Ud，电流上升；当uco0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioutri，则关断VTA-，触发VTA+(4-68a)如果ucoutri，则关断VTB-，触发VTB+(4-69a)如果-ucoutri，且-ucoutri，且-ucoutri，使VTB-断开，触发VTB+，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。,图4-27单极性PWM方式时的工作波形,输出电压平均值Uo为(4-72)由式(4-72)可以看出，单极性控制方式的输出电压平均值Uo与控制电压uco成线性关系。当Io0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioutri，使VTB-断开，触发VTB+，由于电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降，由于电流小，电流会下降到0，VDB+断开，负载电流经VTB+和VDA