电力电子技术_第四章直流—直流变换

1、- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC1第四章第四章直流直流直流（直流（DC-DCDC-DC）变换电路）变换电路- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC2n由图可知，变换器的输入是由电网电压整流而来的不控直流电压，变换电路的功能是通过控制电压Ucon将不控的直流输入变为可控的直流输出，通常把这种电路称为斩波电路或DCDC变流电路。 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC3n在开关式直流电源中，一般都需用变压器进行隔离。n下面讨论最常用的降压式、升压式、升降压式、库克式和全桥式五种DCDC变换电路。n上述五种变换电路中，降压式和升压式是基本型式，升降压式和库克式是它们的组合

2、，而全桥式则属于降压式类型。 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC4一、一、 基本控制方式基本控制方式 DCDC变换电路的控制原理1、时间比控制、时间比控制 0 01TontUudtEETT频率控制、频率控制、 混合控制混合控制 脉宽控制、脉宽控制、- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC52、瞬时值控制、瞬时值控制 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC6二、基本二、基本DC-DCDC-DC变换器变换器 (1) VT1，VT2均不通均不通 , E经经 VD1，L1，R、L对对C充电；充电；(2) 触通触通VT1，负载上有电压，负载上有电压， VD1截止，截止，C无放电

3、回路；无放电回路；(3) 触通触通VT2，C经经VT2与与L1形成形成 谐振，谐振，C放电并反向充电，上放电并反向充电，上(-)下下(+)，负载仍有电压；，负载仍有电压； (4) uc=-E时，时，ic=0，VT2断，断，uc经经VD1反压加至反压加至VT1，VT1关断；关断；(5) VT1断后，断后，VD2通，通，C经经L1、VD1、L2、VD2回路谐振，回路谐振，uc由由 -E上升到上升到E，uc=E时，时，ic=0，停止向负载输出；，停止向负载输出；(6) 负载电流经负载电流经VDF续流。续流。 1 1、晶闸管降压斩波器、晶闸管降压斩波器 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC7

4、2 2、BuckBuck（降压型）变换器（降压型）变换器 (1) (1) 电流连续时电流连续时 电感电压一周期内积分平均为零电感电压一周期内积分平均为零00()()0onoffEUtU t 0onononoffUttEttT00EIU I输入、输出功率相等输入、输出功率相等 001IEIU降压降压 “ “直流直流”变压器变压器 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC8图4-5 Buck变换器工作模式及电流连续时各点波形(a)导通（ton）模式；（b）关断（toff）模式；（c）各点波形- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC9(2) 电流断续时电流断续时图4-6 电流临界连续波形

5、图4-7 电流断续时波形电流连续与否的临界状态是VT关断结束时（或导通开始时）电感电流 ，如图4-6。根据导通（ton）模式的电感电压方程，可计算出临界连续时电感电流平均值ILB0Li - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC100011 ()1()222onLBLPEU tIiEUTLL因电流连续，有U0=E，则上式可进一步化为(1)2LBETIL在E、T、L不变时，这是一个关于占空比的凸形函数，可以求出=0.5时候具有电流极值max8LBETILmax4(1)LBLBII- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC11 如果在电流临界连续状态下保持T、L、E及不变，减少输出负载电流

6、（使负载功率减小，即增大负载电阻），此时电感电流平均值IL将小于临界平均值ILB，BUCK变换器进入电流断续运行状态，波形如图4-7所示。一个周期内，电感电压积分为0的条件可以表示为：001()()0EUTUT 或者是：01UE上式就是电流断续时BUCK变换器的输入输出关系，但是仍然需要解决1- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC12在VD导通的1T期间，电感电流在-U0作用下线性衰减，则电流断续下电感电流峰值iLP可写成为01LPUiTL因此电流断续时候电感电流平均值因此电流断续时候电感电流平均值IL0可表示为可表示为100111max1()4222LLPLBU TETIiILL 故

7、有01max4LLBII2020max14LLBUIEI(1)2LBETILmax4(1)LBLBII01UE- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC13（3） 滤波器的设计为了获得平直的直流输出电压U0，应设计好输出低通滤波器，可以通过对电流连续时输出电容电压UC纹波的计算来估算L、C值。按照电路拓扑，iL=i0+iC，电感电流的脉动成分iL全部流入电容，即IC=IL，稳定运行时流经电容电流的平均值应为0。因而可从图上可以看到半周期内(1/2)T内电容电量的变化为1()222LCITQ18CCLQUI TCC- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC14纹波电流IL可通过关断模式下

8、差分形式电压方程求得，即0=1LLoffIILLUtT（）0=(1)LUITL所以可以推出：201(1)8CUTULC这样，按照期望的纹波比例、斩波周期T及占空比，大体确定出LC的值。- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC15例 有一理想Buck变换电路，斩波频率20kHz，滤波元件参数为L=2mH，C=220F。若电源电压E=12V，希望输出电压UO=5V，输出平均电流IO=200mA，试计算：1）电感上电流纹波；2）输出电压纹波比值 。UcUo解： 1）斩波周期 5353252364115 1020 105=0.417125(1)(1 0.417) 5 100.07292 1011

9、2)(1)(1 0.417) (5 10 )88 (2 10 ) (220 10 )4 100.04%OOLTsfUUITAUcTUoLC 导通比 EL- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC163 3、升压（、升压（Boost)Boost)斩波器斩波器 利用电感中的储能释放时产生的电压来提高输出电压利用电感中的储能释放时产生的电压来提高输出电压 工作原理：工作原理： (1) V导通，导通，E加至加至L，L开始储能，开始储能，iL上升，上升，C向负载放电，向负载放电，VD关断。关断。 (2) V关断，关断，iL不变，则感应电势，和不变，则感应电势，和E叠加供给负载。叠加供给负载。C充电，

10、充电，uc上升，上升， L能量能量 C和负载和负载 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC17电感能量：电感能量：outinWW 11onoffooffoffttTUEEEttinLonWE ItV导通：导通：()outoLoffWUEItV关断关断：输入、输出功率相等输入、输出功率相等00EIU I001IEIU 升压升压 “ “直流直流”变压器变压器 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC18- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC19电流断续时的分析电流断续时的分析如果将负载电阻加大，那么流过回路的电流会减小，就有可能会出现当VT管关断之后的一小段时间内，电感内的电

11、流就为0，有一段时间是没有电流提供给负载，主要是靠恒定电压源提供负载电流。EiLPuLiLiLB(E-U0)tontoffTEiLPuLiLIL(E-U0)tonTtt1T2T电流临界连续电流临界连续电流断续电流断续- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC2000111(1)(1)2222onLBLPEtU TIiUTLLLLBI根据导通（ton）模式的电压方程，可以计算出临界连续时电感电流平均值电流连续时候输入、输出电流关系，求出临界连续时输出电流平均值001IEIU 200(1)(1)2BLBU TIIL应用中一般保持E恒定，改变占空比来调节电压U0，此时，ILB、I0B为占空比的凸

12、函数，可求得其极值。00=0.5;821=327U TLU TLLBmaxOBmax当时，I当时，I- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC21这样，电感输入平均电流ILB，输出平均电流I0B用其最大值分别表示分别有max200max4 (1)27(1)4LBLBBBIIII如果保持输入电压E，不变，减小负载电流，实际上也是减少电感的输入电流平均值，使ILILB或I0I0B，就会有电感电流断续的现象。根据一个周期内电感电压积分为零，可以求得电流断续时候BOOST变换器输入、输出关系。01011011()0LETEUTUEII- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC223. 电容C、

13、电感L的估算通过对电流连续时电感电流iL的纹波IL及电容电压uC的纹波Uc估算，可以大致确定Boost变换器中L、C之值。uLE0(E-U0)tontoffI1 I2ILI2I1 iL iUC0000ic(I2-I0)UcU0- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC23根据上面的图，可以求出电感电流的纹波0()onLoffEtILEU t 000000()()1LonoffLILUTttE UEE UEEIfLUfLUEfTU 式子中，- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC24根据导通模式，ton期间负载电流由电容电流提供，若忽略负载电流纹波，则有ic=I0，此时电容上的电量变换

14、反映电容电压的峰峰值脉动纹波1000000000011=,()=tontCCononCIUi dtI dttCCCUEtTU fI UEIUfCUfC因则- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC254、升降压斩波电路、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper) L和和C很大很大 电感电流电感电流iL和负载电压和负载电压uo基本为恒值基本为恒值工作原理工作原理 ： V通通时时 E经经V向向L供电使其贮能，电流为供电使其贮能，电流为i1 C维持输出电压恒定向负载供电维持输出电压恒定向负载供电 V断断时时 L的能量向负载释放，电流为的能量向负载释放，电流为i2 负载电压上负下正负载

15、电压上负下正VDERLa)CVi1i2uLuoILotb)oti1i2tontoffILILTLtu00d稳态时稳态时offoontUtEEEtTtEttUononoffono10 1/2时：为降压时：为降压1/2 1时：为升压时：为升压 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC26- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC27输入、输出关系输入、输出关系CUK变换器输入、输出关系是通过分别对电感L1、L2在导通（ton）与关断（toff）模式变换中，电流纹波及电容C1电压平均值UC1的分析导出来的。（1）L1中电流变化1211111LLononIIIELLtt11onLItE111

16、1111111, 1()=CoffoffCCofftonIEULtItLCEUEUtEILL故有为电容电压平均值。Ton期间期间Toff期间，期间，V关断，关断，VD导通导通,(1) ,onofftT tTC1代入上面式子：E(1-2 )U =1- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC28（2）L2中电流变化Ton期间变换器导通，电感电流iL2线性增长222121022LLCononIIIUULLtt22onC10LL故有 t =U -U22212022220,(1)LLoffoffoffIIIULLttItLtonT toffTU 0C1将代入得：U (1-2 )U =-Toff期间，

17、变换器工作在关断模式从电容C1两侧电感L1、L2电流变化的角度描述同一个电容电压平均值UC1，两个值是相等的，因此可以得到01-2(1 2 )101UEUE （），可推得- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC29- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC303.1.4 Speic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC31- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC323.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动

18、机工作于第1象限图3-3所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限- -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC33V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR图3-7 电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图 b） 波形

19、3.2.1 电流可逆斩波电路 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC34必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。以图3-7b为例说明。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。3.2.1 电流可逆斩波电路 - -电力电子技术电力电子技术- -DC-DC35降压斩波电路降压斩波电路升压斩波