电力电子技术课件直流变换器

电力电子技术课件直流变换器第1页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.1概述3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）3.4直流降压-升压变换器（BUCK-BOOST变换器）3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）3.6两象限、四象限直流-直流变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器1直流直流变换器2第2页，共74页，2023年，2月20日，星期一一、基本概念DC-DC变换器定义:只对直流参数进行变换的电路3.1概述3第3页，共74页，2023年，2月20日，星期一一般结构：完成的功能：直流电幅值变换直流电极性变换3.1概述(续1)4第4页，共74页，2023年，2月20日，星期一二.理想直流变换器应具备的性能1.输入/输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.1概述（续2）5第5页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.快速动态响应,抑制干扰的能力强4.高效率/小型化3.1概述（续3）6第6页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）

一、BUCK电路拓扑T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当时，T导通。D：续流二极管。L和C组成LPF。7第7页，共74页，2023年，2月20日，星期一二、工作原理当时，控制信号使得T导通，D截止，向L充磁,向C充电；当时，T截止，D续流，U0靠C放电和L中电流下降维持。3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续1）8第8页，共74页，2023年，2月20日，星期一三、主要波形两种理解方式：能量存储/电气工程滤波功能/电信工程3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续2）9第9页，共74页，2023年，2月20日，星期一四、假设及参数计算1.T，D均为理想器件2.L较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续3）10第10页，共74页，2023年，2月20日，星期一(一)、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）(二)、二极管D导通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）得：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续4）11第11页，共74页，2023年，2月20日，星期一若假定Buck电路为无损的，则有即开关周期T可表示为可求得的表达为

或3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续5）12第12页，共74页，2023年，2月20日，星期一因此，电容上电压峰-峰脉动值为得或3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续6）13第13页，共74页，2023年，2月20日，星期一五、分析方法小结1、定性画出关键波形；2、由于LC网路的输入是方波，采用分时区线性化处理3、理想化处理：器件、电源和负载；4、在DC/DC变换器中，降阶处理：假定电容上的端压为恒定值，将二阶微分方程降为一阶微分方程5、稳态条件下的的两个重要定律：电感伏秒平衡：电容电荷平衡：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续7）14第14页，共74页，2023年，2月20日，星期一问题1：BUCK电路中，L、C对电感电流iL脉动大小和输出电容电压uc的脉动大小分别有何影响？LIL，CUCfI，UCI，UC

确定，则：fC，L3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续8）15第15页，共74页，2023年，2月20日，星期一六、电流断续时的状况1、求Av根据伏秒平衡律：2、求Dp平均电流：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续9）16第16页，共74页，2023年，2月20日，星期一解得：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续10）17第17页，共74页，2023年，2月20日，星期一七、典型应用3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续11）18第18页，共74页，2023年，2月20日，星期一作业1、比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。2、试述CCM和DCM工作的优缺点。3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续12）19第19页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）一、BOOST电路拓扑20第20页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续1）二、工作原理当21第21页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续2）22第22页，共74页，2023年，2月20日，星期一三、主要波形3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续3）23第23页，共74页，2023年，2月20日，星期一

四、参数计算（一）、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）（二）、二极管D导通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）可得：将代入上式，则求得3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续4）24第24页，共74页，2023年，2月20日，星期一说明:1)

K0<1，AV>1，所以U0>Ud，是升压电路。2)可以调压。

两种模式：能量的传输模式1：0<t<KT，T/on，D/off，电流iL升高，等效电路：模式2：KT<t<T，T/off，D/on，电流iL降低，等效电路：3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续5）25第25页，共74页，2023年，2月20日，星期一设BOOST电路是无损的在0—t1期间，二极管D截止，电容C向负载提供能量，电容电压的脉动量取决于在这期间电容上释放的电荷量，当输出电压的脉动量远小于输出电压时，负载电流的脉动量可以忽略。则电容电压的脉动量为或3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续6）26第26页，共74页，2023年，2月20日，星期一五、典型应用(1)3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续7）27第27页，共74页，2023年，2月20日，星期一六、典型应用(2)作业：1.设计一个BUCK变换器并进行仿真，条件：f=25KHz，Ui=300v，Uo=150v，Io=6A，Io=1A，Upp=10v；2.设计一个BOOST变换器，条件：

f=100KHz，Ui=150v，Uo=300v，Io=6A，IL=1A，Upp=10v。3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续8）28第28页，共74页，2023年，2月20日，星期一思考题及作业1、BOOST电路能否空载运行？空载运行会带来什么问题？2、BOOST电路启动过程通常采用软启动，即占空比逐步增大的方法，为什么？3、在启动过程，BOOST电路的主电路和控制电路的时序为主电路先于控制电路工作，为什么？3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续9）29第29页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)30第30页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续1）一、电路输入和输出反相，输出电压可以大于或小于输入电压。二、工作原理在T导通时，D截止，电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变；在T/off时，D/on，把存放在中的能量释放给负载和电容。31第31页，共74页，2023年，2月20日，星期一三、主要波形3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续2）32第32页，共74页，2023年，2月20日，星期一四、参数计算(一)、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）

(二)、二极管D导通工作模式（t1≤t≤t2=T）由(一)、(二)可得：3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续3）33第33页，共74页，2023年，2月20日，星期一设BUCK-BOOST电路是无损的从式（4-28）可得电容电压的脉动量为3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续4）34第34页，共74页，2023年，2月20日，星期一图中由开关T、二极管D和L1、L2、C1构成的电路既能实现DC/DC升压变换又可实现降压变换，称为直流升压－降压变换器，Cuk变换器。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）35第35页，共74页，2023年，2月20日，星期一一、CUK电路的特点1.输入，输出电流皆没有脉动，只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波；2.既可升压也可降压；3.开关晶体管发射极接地；4.输入输出电压反相。二、CUK电路BUCK电路：以C1作为输入电源；R为负载，所以输出电流为连续。BOOST电路：以Ud作为输入电源；LPF为负载。与普通的BOOST电路相比，D与C1交换了以下位置，由于L1存在，所以输入电流为连续。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续1）36第36页，共74页，2023年，2月20日，星期一三、工作原理这个电路的关键是靠C1传输能量在期间，VT/on，VD/off。输入电路：Ud给L1充磁；输出电路：Uc1给L2充磁。在期间，VT/off，VD/on。输入电路：把L1中的存能送给C1，给C1充电，

L1，L2中的能量均是减小的；输出电路：靠L2，C2中的存能维持输出电压基本不变。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续2）37第37页，共74页，2023年，2月20日，星期一波形1、两个电感上的电压是相等的。2、管子所承受的反压=输入电压+输出电压=C1上的电压。3、管子所流过的电流=输入电流+输出电流4、C1充当了一个直流电源；作用存储能量/使得前后两级独立工作。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续3）38第38页，共74页，2023年，2月20日，星期一四、电路分析(连续模型)1.均值等效电路所以电感两端的均值电压为0，相当于虚短。所以电容中的电流的均值为0，相当于虚断。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续4）39第39页，共74页，2023年，2月20日，星期一2.CUK均值等效电路3.电压增益L1电压的瞬时值：若C1，C较大，认为电压恒定即：所以<1><2>3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续5）40第40页，共74页，2023年，2月20日，星期一L2电压的瞬态值：结论：如果则<3><4><5>3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续6）41第41页，共74页，2023年，2月20日，星期一Cuk：Buck：Boost：所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与Boost增益的积。电流增益：4.输出，入端电流脉动 入端:

出端:<6><7><8>3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续7）42第42页，共74页，2023年，2月20日，星期一上式说明：如果L1↑，△Id↓，如果L2↑，△Id↓。式<7>和式<8>相除得：上式再次证明了uL1=uL2的结论。输入电流的最大值：输出电流的最大值：VT电流最大值：<10><9>3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续8）43第43页，共74页，2023年，2月20日，星期一注意：iT的最大值发生在t=DT，与Id，I0的最大值同时发生。5.波形(自己画)3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续9）44第44页，共74页，2023年，2月20日，星期一小结：不同变换器比较3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续10）45第45页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.6两象限、四象限直流—直流变换器第一象限：Ud>0,Id>0第二象限：Ud>0,Id<0第三象限：Ud<

0,Id<

0第四象限：Ud<

0,Id>0IdUd46第46页，共74页，2023年，2月20日，星期一直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速N的乘积成正比：

电枢电压平衡方程为：转速高低由电枢电压的大小决定，转速方向由电枢电压的方向决定。

电机的转矩方程为：转矩大小由电枢电流的大小决定，转矩方向由电枢电流的方向决定。

转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态直流电动机的特性3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续1）47第47页，共74页，2023年，2月20日，星期一直流电机的四象限运行3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续2）48第48页，共74页，2023年，2月20日，星期一1、两象限直流—直流变换器UAB始终大于零工作状态：iAB可正可负电机转向始终为正电磁转矩可正可负电动制动3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续3）49第49页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向电机运行于正向电动状态，能量由输入直流电源供向负载。(b)降压变换电路第一象限工作3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续4）50第50页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：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（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路第二象限工作3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续5）51第51页，共74页，2023年，2月20日，星期一2、四象限直流—直流变换器

3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续6）52第52页，共74页，2023年，2月20日，星期一第三、四象限运行等效电路3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续7）53第53页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：反向（VAB<0）输出电压大小：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3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续8）54第54页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：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Vd回馈电能）第四象限工作3.6两象限、四象限直流—直流变换器（续9）55第55页，共74页，2023年，2月20日，星期一3.7单端正激变换器和单端反激变换器3.7.1单端正激变换器3.7.2单端反激变换器56第56页，共74页，2023年，2月20日，星期一1、单端正激变换器单端变换器——变压器工作在B-H平面的第一象限；正激变换器——在T导通时，变压器向负载传递能量。正激变换器特点——输出功率50-200W较大。(b)单端正激DC/DC变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续1）57第57页，共74页，2023年，2月20日，星期一N2、D2导电N3、D1、D3截止T导通：Ton=DTs期间R3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续2）58第58页，共74页，2023年，2月20日，星期一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

sV3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续3）59第59页，共74页，2023年，2月20日，星期一输出电压U2与Ud的关系等效电路(N2向右看相当于BUCK电路)改变D可以改变U03.7单端正激变换器和单端反激变换器（续4）60第60页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作波形3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续5）61第61页，共74页，2023年，2月20日，星期一开关管两端的最大电压T两端的反压为：3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续6）62第62页，共74页，2023年，2月20日，星期一通常取

N3=N1，故工作中的最大占空比

Dmax=0.5

因此T的反压

最大运行导通比3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续7）63第63页，共74页，2023年，2月20日，星期一双管正激变换器T1和T2具有相同的占空比；T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。不需要专门的去磁绕组;多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Ud，小于单管变换器。双管正激变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续8）64第64页，共74页，2023年，2月20日，星期一2、单端反激变换器反激变换器——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单端变换器——变压器工作在B-H平面的第一象限；反激变换器特点——输出功率较小，一般小于100W。单端反激变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续9）65第65页，共74页，2023年，2月20日，星期一一、拓扑推演--从BUCK-BOOST到Flyback变换器BUCK-BOOST变换器电感用两个并联线圈代替3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续10）66第66页，共74页，2023年，2月20日，星期一工作原理当T导通,原边N1电感上电压的极上正下负,副边N2电压的极为上负下正,因此,二极管D1截止,所以把能量存储在原边N1上,负载靠电容C放电维持。当T截止,原边电感上的电压为上负下正,副边电压为上正下负,D1导通,把存储在副边的能量传给电容和负载。工作区域

3.7单端正激变换器和单端