第3章 直流直流变换器.ppt

1,第三章直流/直流变换器,2,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,3,3.1.1电路结构和降压原理,BUCK变换器的电路结构数学分析的理想化假设Buck电路的分析思路降压原理分析与推导PWM控制方式输出电压的LC滤波电路,3.1直流/直流降压变换器,4,Buck变换器的电路结构,元器件的作用？,全控型开关管,续流二极管,LC输出滤波,负载,3.1直流/直流降压变换器,5,数学分析的理想化假设,为简化波形分析和数学推导，假设元器件全理想的。即（1）对开关管有：通态电阻为零，电压降为零；断态电阻为无限大，漏电流为零；从通到断、从断到通的过渡过程时间为零。只用分析开关的通态和断态（2）电感、电容均为无损耗的理想储能元件。（3）线路阻抗为零。（4）在以上假设下，必有“电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。”的结论。,3.1直流/直流降压变换器,6,Buck电路的分析思路,关于开关管T加驱动信号VG稳态时为周期性通断信号开关周期为TS导通时间记为Ton、关断时间记为Toff，开关频率为fs占空比D：也叫“导通比”，是开关管导通时间与周期的比值。,3.1直流/直流降压变换器,7,Buck电路的分析思路（续1）,三种状态：（1）T为通态、D断态（2）T为断态、D通态二极管续流（3）T、D都关断的状态电感L的电流断流,两种可能的运行工作模式：（1）电感电流连续模式(CCM):在整个开关周期中电感电流不为零（2）电感电流断流模式（DCM）:在开关管T阻断态后期一段时间内电感电流为零。两模式的临界点称为电感电流临界连续状态:开关管阻断期结束时电感电流刚好降为零。,3.1直流/直流降压变换器,8,降压原理分析与推导,T为通态、D断态,3.1直流/直流降压变换器,9,降压原理分析与推导（续）,T为断态,D续流,3.1直流/直流降压变换器,10,降压原理分析与推导（续）,0D11VoVs“降压变换器”名称的由来!,3.1直流/直流降压变换器,11,PWM控制方式,改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D，即可改变变压比M,调节或控制输出电压Vo。(1)脉冲宽度调制方式PWM(PulseWidthModulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度；(2)脉冲频率调制方式PFM（PulseFrequencyModulation）脉宽不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？,3.1直流/直流降压变换器,12,输出电压的LC滤波,n次谐波幅值,VEO中含有大量谐波，对其进行傅里叶分解如下：,输出电压的直流平均值！再次求得直流分量！,大量的谐波！最低次谐波频率为fs,3.1直流/直流降压变换器,13,输出电压的LC滤波（续）,滤波电感L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。Q：如何选取LC？,3.1直流/直流降压变换器,LC输出滤波,14,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。,输出电压的LC滤波（续）,3.1直流/直流降压变换器,15,3.1.2电感电流连续时工作特性（CCM模式）,几种常用的推导方法CCM模式下的工作波形与计算滤波电容的工作状态分析,3.1直流/直流降压变换器,几种常用的推导方法,除傅里叶级数法外，下面是常用的几种推导方法。,用波形积分的方法求平均值、变压比,利用储能元件具有“电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同”的特点求电路稳态运行表达式。例如，电感的电流或磁链；电容的电压或电荷,能分析推导开关电路中的参量之间的关系、画出工作波形，是正确理解电路、正确设计电路的基础。,3.1直流/直流降压变换器,17,CCM模式下的工作波形与计算,O,(1)T管导通,D管阻断,3.1直流/直流降压变换器,18,E,O,(2)T管阻断,D管导通,CCM模式下的工作波形与计算（续）,3.1直流/直流降压变换器,19,用“稳态时电感电流变化量相等”推导出了输入电压与输出电压之间的关系！,CCM模式下的工作波形与计算（续）,3.1直流/直流降压变换器,20,变压比：,变压比与电路结构、运行状态和导通比都有关系。在电感电流连续情况下：变压比M只与占空比D有关，负载电流大小无关。,CCM模式下的工作波形与计算（续）,3.1直流/直流降压变换器,21,CCM模式下的工作波形与计算（续）,3.1直流/直流降压变换器,22,输出电流平均值Io=电感电流的平均值IL,滤波电感电流脉动值,Q：当Vs和Vo一定时，如果负载电流变化，电感电流脉动是否变化？,A：不变！,T和D的最大电流就是ILMAXT和D截止时所承受的电压都是VS设计Buck变换器时选用T、D依据。,CCM模式下的工作波形与计算（续）,3.1直流/直流降压变换器,23,滤波电容的工作状态分析,高频周期性充放电状态：稳态平均电流为零。若滤波电容足够大，则电容电压（输出电压）视为恒定的直流电压。当C不很大时，则电容电压存在一定的脉动。开关周期内充电电荷（放电电荷）：输出电压的脉动量：负载电压纹波：,3.1直流/直流降压变换器,24,3.1.3电感电流断流时工作特性（DCM）,三种开关状态下波形及数学关系临界负载电流IOB（BoundaryValue）标幺值形式的关系式Buck变换器的外特性BuckDC/DC变换器的设计,Q:电流连续模式跟哪些因素有关?,3.1直流/直流降压变换器,25,三种开关状态下波形及数学关系,（1）三种工作状态：,VO提高的原因？,3.1直流/直流降压变换器,26,电感电流临界连续电流值即为负载最小电流,临界负载电流IOB,当VO一定时IOB是关于D的线性函数且在D=0时有最大值当VS一定时IOB是关于D的二次函数且在D=0.5时有最大值，这里不讨论。,存在最大值,3.1直流/直流降压变换器,27,标幺值形式的关系式,将IOBm作为负载电流基值IB后，有如下关系式：若则否则负载电流的临界电流标幺值：,IOB与VO、L、fS以及D都有关。VO越低、fS越高、L越大则IOB越小，越容易实现电感电流连续运行工况。,3.1直流/直流降压变换器,28,Buck变换器的外特性,外特性定义：在占空比D一定时，变压比M与占空比D和负载电流标幺值IO*的函数关系。,电感电流连续时，M=D，输出电压与负载电流无关,控制特性为线性。电感电流出现断流，控制特性为非线性。从线性到非线性的转折点由临界负载电流确定。虚线ABCDG是VO为定值时的临界。,3.1直流/直流降压变换器,29,例3.1图3.1(a)所示:要求电源电压Vs=147220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，输出电压Vo=110V；开关频率20kHz。纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算:输出滤波电感L和电容C，选取开关管T和二极管D。,BuckDC/DC变换器的设计,3.1直流/直流降压变换器,30,求开关管、二极管参数（1）求T、D承受的最大电压值（截止时所承受的电压，都是输入电压）；（2）求T、D承受的最大电流值（等于电感电流的最大值）；电感电流临界连续条件求电感L；求电感电流的最大值；（3）放大一个安全余量系数。,求滤波参数L、C（1）根据输出电压纹波大小确定fC；（2）求电容值。,BuckDC/DC变换器的设计（续）,3.1直流/直流降压变换器,31,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,3.1直流/直流降压变换器,32,3.2.1电路结构和升压原理,3.2直流/直流升压变换器,33,3.2.2电感电流连续时的工作特性,两种开关状态变压比M的推导电压、电流基本关系,3.2直流/直流升压变换器,34,两种开关状态,（1）TON期间：VG0,T管导通,D阻断，等效为2个独立电路,3.2直流/直流升压变换器,35,(2)TOFF期间:VG=0,T管阻断，D导通。电源和升压电感共同对负载供电。,两种开关状态,3.2直流/直流升压变换器,36,变压比M的推导,条件：理想Boost变换器稳态时电感电流增减量相等,Ton期间,Toff期间,VOVS升压！,在电流连续条件下M与D有关，负载电流IO无关。通过PWM控制占空比D就可以控制输出电压的大小。,3.2直流/直流升压变换器,37,Ton期间,Toff期间,变压比M的推导(续),理想Boost变换器稳态时电感磁链（伏秒）增减量相等,3.2直流/直流升压变换器,38,电压、电流基本关系,假定负载电流平均值为IO，功率损耗为零，则UOIO=USIS,输入电流=电感电流的电流平均值：,通过二极管的电流ID=负载电流IO（电容的平均电流为零）,通过开关管T的电流平均值为：,电流平均值,升压的同时是降流的！,3.2直流/直流升压变换器,39,电压、电流基本关系（续）,电感电流的脉动量为：,开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：,3.2直流/直流升压变换器,40,T和D所承受的最大电压，理想情况下等于VO,电压、电流基本关系（续）,理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压,分析原因？,3.2直流/直流升压变换器,41,电压、电流基本关系（续）,输出电压脉动等于Ton期间电容C的电压变化量VO（近似）,理想Boost变换器输出电压纹波的大小：,3.2直流/直流升压变换器,42,3.2.3电感电流断流时工作特性,三种开关状态和变压比M临界负载电流IOB电感电流断流的影响Boost变换器的特性,3.2直流/直流升压变换器,43,三种开关状态与变压比M,（1）Ton态：VG0,T管导通,D截止,3.2直流/直流升压变换器,44,三种开关状态与变压比M（续）,（2）Toff态：VG=0,T管阻断，D导通,3.2直流/直流升压变换器,45,三种开关状态与变压比M（续）,（3）VG=0,T管阻断，D管截止。,3.2直流/直流升压变换器,46,（a）电感电流连续时,一个周期结束时电流大于零,一个周期结束时电流刚好等于零,一个周期未结束时电流就等于零,临界负载电流IOB,（b）临界连续时,（C）电感电流不连续时,3.2直流/直流升压变换器,47,临界负载电流IOB（续）,当负载电流IOIOB,电感电流连续当负载电流IO=IOB,电感电流处于连续与断流的边界,当负载电流IO0,T管导通，D管截止,3.3直流升压降压变换器,55,Toff期间,VG=0,T管阻断，D管导通,3.3直流升压降压变换器,56,输入输出关系,VO既可高于VS，又可低于VS。,3.3直流升压降压变换器,57,3.3.2电流断流时工作特性,3.3直流升压降压变换器,58,Cuk电路在不同工作情况下的波形图,3.3直流升压降压变换器,59,电压应为：,开关管T,电流平均值：,电流最大值：,3.3直流升压降压变换器,60,二极管D,有效值电流：,电压应为：,平均电流：,3.3直流升压降压变换器,61,电感,电感L1的电流脉动：,电感L2的电流脉动：,3.3直流升压降压变换器,62,电容,电容C1的选择：,电容C2的选择：,T导通，C1放电；T截止，C1充电。,与Buck变换器类似,Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。,3.3直流升压降压变换器,63,3.3.3两电感有耦合的Cuk变换器,电感和绕在同一铁芯上，则两个电感L1、L2互相耦合，除自感L1和L2外还有互感M。用耦合系数k表示耦合程度：,3.3直流升压降压变换器,64,电感脉动,通过两个电感的相互耦合可以把Cuk变换器的输入、输出电流脉动减小到任意程度!,3.3直流升压降压变换器,65,特点,优点：理论上Cuk变换器的拓朴结构最佳具有升、降压功能输入电流和输出电流都连续，若通过两个电感的耦合，其电流脉动纹波可以接近于零。缺点：成本较高，实际工程尚未广泛应用电容成本较高：电容器需要耐受极大的脉动电流；器件T、D成本较高：导通时的最大电流是两电感最大电流之和，截止时承受的电压都是电源电压和负载电压之和。,3.3直流升压降压变换器,66,MD,输出电压变压比,Buck电路,Boost电路,Cuk电路,电流连续时,电流不连续时,不同变换器比较,3.3直流升压降压变换器,67,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,68,变换器的“象限”概念,T与n同向时为电动状态（1、3象限）；反向时为制动状态（2、4象限）。,象限概念与电机调速应用背景密切相关,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,69,第一象限：Vd0,Id0,第二象限：Vd0,Id0,第三象限：Vd0,Id0,第四象限：Vd0,变换器的“象限”概念,如前面讲到的Buck、Boost电路,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,70,3.4.1两象限直流/直流变换器,VAB大于零：电机转向始终为正iAB可正可负：电磁转矩可正可负对应电机的正向电动和制动运行若T2完全截止，T1周期性的通、断，则是BuckDC/DC变换器若T1完全截止，T2周期性的通、断，则是BoostDC/DC变换器,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,71,输出电压方向：正向,输出电流方向：正向,电机正向电动，能量由输入直流电源供向负载。,第一象限工作：BuckDC/DC变换器模式,3.4.1两象限直流/直流变换器,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,72,输出电压方向：正向,输出电流方向：负向,电机运行于正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。,升压：将负载电压升高后向Vs回馈电能,3.4.1两象限直流直流变换器,第二象限工作：BoostDC/DC变换器模式,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,73,3.4.2四象限直流直流变换器,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,74,降压（将Vs的电压降低后送到负载）,输出电压方向：反向（VAB0）,输出电流方向：反向,电机运行于反向电动状态，能量由直流输入电源供向负载。,第三象限工作：,3.4.2四象限直流/直流变换器,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,75,输出电压方向：正向,输出电流方向：反向,电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。,升压（将负载的电压升高后向Vs回馈电能）,3.4.2四象限直流/直流变换器,第四象限工作,3.4两象限、四象限直流/直流变换器,76,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,77,*3.5多相、多重直流/直流变换器,把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合型直流直流变换器，称为多相、多重直流/直流变换器。假定复合型变换器中开关管控制周期为TS，开关频率为f，如果一个TS周期中电源侧电流iS(t)脉动n次，即iS(t)脉动频率为nf，则称之为n相变换器。如果一个TS周期中负载电流i0(t)脉动m次，即i0(t)脉动频率为mf，则称之为m重变换器。,3.5多相、多重直流/直流变换器,78,三相、三重复合型直流/直流变换器原理,3个开关管驱动信号间相差1/3Ts3个开关占空比D相同,电感L两端直流电压平均值为零,复合的目的？一个开关周期中负载电流脉动3次,电源电流脉动3次。,3.5多相、多重直流/直流变换器,79,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,80,单端正激变换器的主电路结构,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,81,N2、D2导电N3、D1、D3截止,T导通：Ton=DTs期间,单端正激变换器的工作原理,磁通增量:,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,82,D2截止；i3将N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零;iL经D1续流。,T截止：Toff=(1-D)Ts期间,单端正激变换器的工作原理,最大可能磁通减量:,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,83,开关管T承受的最大电压,T两端的反向电压：,单端正激变换器的工作原理,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,84,通常取N3=N1，故工作中的最大占空比Dmax=0.5,此时T的最大反压,单端正激变换器的工作原理,磁通复位、最大运行导通比Dmax,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,隔离变压器及相关概念,单端变换器变压器磁通仅在单方向变化正激变换器开关管导通时电源将能量直接传送给负载,隔离变压器的作用:实现输入电源和负载的电气隔离(提高安全可靠性和电磁兼容性)匹配输入电压和输出电压输出多个不同等级的直流电压隔离变压器的工作原理：磁势(磁通)平衡，储能不变，磁通复位,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,86,单端反激变换器的主电路结构,反激变换器开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,87,Ton期间:N1*为正，D1截止,单端反激变换器的工作原理,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,88,Toff期间,磁场储能不能突变：磁势平衡：,单端反激变换器的工作原理,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,89,输入输出电压关系,升降压变换器,单端反激变换器的工作原理,电压比,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,90,电流关系式,N1绕组的最大电流：N2绕组的最小电流：电流i2不断流的条件i2min0，所以有,单端反激变换器的工作原理,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,D,91,开关管T、D1阻断时承受的电压,二极管电压应为：,VT,VD,单端反激变换器的工作原理,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,92,双管反激变换器,T1、T2同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储存在变压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方绕组电流通过D1、D2和电源续流、去磁。T1、T2所承受的最高电压仅为电源电压VS,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,93,小结（对比）,不需要专门的去磁绕组，电路简单。单端：磁通也是单方向变化。反激：依靠变压器绕组电感在开关T阻断时释放存储的能量而对负载供电。在负载为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,94,*3.6.3隔离型Cuk变换器,将非隔离Cuk变换器中的电容C1一分为二；令电容值足够大，电容电压在一个开关周期中近似恒定不变；插入变压器（同名端如图）。两者所有特性完全相同（除了带隔离功能、匝比外）。,3.6带隔离变压器的直流/直流变换器,95,第三章直流/直流变换器,3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器3.7具有中间交流环节（DCACDC）变压器隔离型直流变换电源,主电路结构,3.7具有中间交流环节（DCACDC）变压器隔离型直流变换电源,97,主电路结构,电路结构的共同点：经过了两级功率变换（）高频逆变器将直流逆变为脉宽可控的高频方波交流；（）用不控整流将高频方波交流整流为PWM直流方波；（）LC滤波器滤除高频分量而获得纹波很小的平稳直流电压。采用高频变压器：（）重量、体积小；（）LC滤波器也较小；（）铁芯磁通交变，铁芯利用率高。,3.7具有中间交流环节（DCACDC）变压器隔离型直流变换电源,98,C1=C2且足够大T1、T2以相同的占空比D交替工作。正半周期且T1的Ton期间：T1通态、T2阻断D3导通，D4阻断,3.7.1半桥型DC/ACAC/DC直流电源,3.7具有中间交流环节（DCACDC）变压器隔离型直流变换电源,99,在负半周期，且T2的Ton期间：T2通态、T1阻断；D4导通，D3阻断。vAB为幅值