新能源汽车功率电子基础 第2版 课件 第5、6章 直流转换技术、逆变技术

第5章直流转换技术目录5.0引言5.1降压电路

工作原理、电压计算、案例分析5.2升压电路5.3升降压电路5.4组合电路

5.5隔离电路5.6新能源汽车直流功率变换器

双向DC/DC、高低压DC/DC、48VDC/DC5.0引言功能（1）将直流电直接变换为另一种固定电压或固定电流的直流电；（2）提供输入电源和负载之间的隔离；（3）将直流输出电压的交流脉动减小到最低。分类输入输出关系绝缘方式名称降压型非隔离Buck隔离型正激式、推挽式升压型非隔离Boost隔离型正激式、推挽式降压升压型非隔离Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta隔离型正激式、推挽式可逆型非隔离半桥、H桥5.1降压电路－工作原理图5.1降压变换器电路a)b)c)图5.2降压变换器简化电路:a)全电路,b)导通电路,c)截止电路5.1降压电路－工作模式a)b)图5.3降压变换器的工作模式波形示意图:a)CCM,b)

DCMCCMDCM5.1降压电路－CCM输出电压计算图5.4两个开关状态的电感电压波形示意①②③④5.1降压电路－CCM电感电流纹波①②③④图5.5两个开关状态的电感电流波形ΔiL5.1降压电路－CCM电容电压纹波系数图5.5两个开关状态的电感电流波形ΔiL①②③④5.1降压电路－临界电流图5.5两个开关状态的电感电流波形ΔiL图5.6临界状态平均电感电流与占空比关系①②③④5.1降压电路－案例分析（1.1）【例5-3】UI=42V，PWM频率为40kHz，L=50mH，C=20mF，R=0.14~1.4Ω，要求降压变换器的输出电压uo=14V，试设计PI电压调节器和电流调节器，满足电压阶跃响应的稳态误差为0、无超调和上升时间≤10ms。图5.13降压电路双闭环电压控制系统原理图5.1降压电路－案例分析（1.2）图5.18电压电流双闭环控制系统的电压阶跃响应

a）电压响应曲线 b）电流响应曲线PI电流内环调节器PI电压外环调节器5.2升压电路－工作原理图5.19

DC/DC升压变换器电路图5.20

DC/DC升压变换器的工作电路:a)简化电路,

b)导通电路c)截止电路5.2升压电路－CCM输出电压计算①②③④图5.21

升压电路电感电压波形5.2升压电路－案例分析（1.1）【例5-5】UI=14V，PWM频率为100kHz，L=18mH，C=800mF，R=0.84~4.2Ω，要求降压变换器的输出电压uo=42V，试设计PI电压调节器和电流调节器，满足电压阶跃响应的稳态误差为0、无超调、电压纹波系数小于1%和上升时间≤15ms。图5.23升压电路双闭环电压控制系统原理图5.2升压电路－案例分析（1.2）PI电流内环调节器PI电压外环调节器图5.24升压电路双闭环控制系统的阶跃响应曲线5.3升降压电路－工作原理图5.25

DC/DC升降压电路图5.26

DC/DC升降压变换器的简化电路:a)全电路,

b)导通电路,

c)截止电路5.3升降压电路－CCM输出电压计算①②③④图5.27升降压电路的电感电压稳态波形5.3升降压电路－案例分析（1.1）

【例5-6】质子膜燃料电池(PEMFC)的输出电压范围280V至450V，最大输出的持续功率为30kW，供电直流336V、最大输入电流80A的恒压负载，试设计一个DC/DC变换器，计算其占空比的变化范围，并绘制该供电系统的功能框图。解：由题意可知

（1）确定DC/DC的类型所设计的DC/DC变换器的输入电压UI即为燃料电池系统的输出电压，输出电压UO即为负载的输入电压。因此，存在式中，UI,min=280V，

UI,max=450V，UO=336V。因此，该DC/DC变换器为升降压变换器。5.3升降压电路－案例分析（1.2）续解：

（2）确定DC/DC的最低工作效率

所设计的DC/DC变换器的输入功率PI即为燃料电池系统的输出功率，输出功率PO即为负载的输入功率，其所需的最大输出功率为

该DC/DC变换器的效率应大于

因此，该DC/DC的最低工作效率为90%。5.3升降压电路－案例分析（1.3）续解：

（3）确定DC/DC的占空比

假设该DC/DC变换器工作在CCM状态，因此当

时，有

，占空比

。当

时，有

，占空比

。当

时，有

，占空比

。这样，升降压DC/DC的占空比为

。5.3升降压电路－案例分析（1.4）续解：

（4）绘制供电系统的功能框图

注意DC/DC输入输出极性的问题。

280V-450V燃料电池系统升降压DC/DC336V恒压负载燃料电池系统发电、输电和用电的功能框图5.3升降压电路－案例分析（2.1）【例5-7】UI=260~450V，PWM频率为50kHz，L=400mH，C=400mF，R=0.5Ω，要求降压变换器的输出电压uo=336V，试设计PI电压调节器和电流调节器，满足电压阶跃响应的稳态误差小于3.36V、无超调、超调量小于1%和上升时间≤15ms。图5.28 升降压电路双闭环电压控制系统原理图5.3升降压电路－案例分析（2.2）PI电流内环调节器PI电压外环调节器图5.29升降压电路双闭环控制系统的阶跃响应曲线5.4组合电路－半桥DC/DC变换器电路图5.32 半桥DC/DC变换器电路原理图降压电路升压电路5.4组合电路－H桥DC/DC变换器电路

图5.33 H桥DC/DC变换器电路原理图5.4组合电路－H桥DC/DC变换器电路应用案例（1.1）

图5.34直流电动机正反转控制系统原理图【5-9】ua=120V,Ra=0.5Ω,La=10mH,Rf=7.5Ω,Lf=5mH,J=0.01kg·m2.

Ub=200V,Rb=0.4Ω,Uf=12V.fp=1kHz.Tl=30N·m,Jl=0.2kg·m2,nref=1000r·min﹣1.要求正反向运行,试设计转速调节器和电流调节器,满足转速阶跃响应的稳态误差绝对值≤5r·min﹣1,无超调量和上升时间≤0.2s.5.4组合电路－H桥DC/DC变换器电路应用案例（1.2）

图5.35 直流电动机正反转控制系统运行曲线a)电动机转速,

b)电源电压,电枢电压,

c)电源电流,电枢电流,

d)负载转矩,电磁转矩5.4组合电路－多相多重电路图5.36三相三重DC/DC降压变换器的电路原理图5.5隔离DC/DC电路－单端正激式脉冲变压器电压电感伏秒平衡稳态输出电压图5.37单端正激式变换器原理电路+_E1+_E25.5隔离DC/DC电路－单端正激式电路应用案例（1.1）图5.38 单端正激式变换器控制系统仿真模型【例5-11】如图5.38所示的单端正激式DC/DC变换器控制系统仿真模型,Ebh=400V,Rbh=0.4Ω;Ebl=13.8V,Rbh=0.02Ω;L=50μH,C=20μF.开关通态电阻20mΩ,二极管内阻为50mΩ,阈值电压为0.7V;Rf=10Ω,Cf=10μF.变压器匝比为4:1,励磁电感为100μH,绕组内阻和漏感分别为1mΩ和0.1μH.PWM频率100kHz,参考电压Uref为14V,负载电阻范围为14~0.14Ω,要求设计无超调,上升时间小于50ms,系统稳态误差小于1%.5.5隔离DC/DC电路－单端正激式电路应用案例（1.2）图5.39 单端正激式DC/DC变换器控制系统运行曲线a,d)输出电压;b,e)电感电流和低电压蓄电池电流;c,f)高电压蓄电池组电压.5.5隔离DC/DC电路－半桥式图5.40

半桥式隔离变换器电路原理图脉冲变压器电压电感伏秒平衡0<δ<0.5稳态输出电压5.5隔离DC/DC电路－H桥式图5.43

H桥式隔离变换器电路原理图脉冲变压器电压电感伏秒平衡0<δ<0.5稳态输出电压D1D2D3D45.5隔离DC/DC电路－H桥式移相控制原理图5.43

H桥式隔离变换器电路原理图D1D3D2D4图5.45

H桥式变换器移相控制的波形曲线5.5隔离DC/DC电路－H桥式移相控制原理图5.43

H桥式隔离变换器电路原理图D1D3D2D4图5.45

H桥式变换器移相控制的波形曲线5.5隔离DC/DC电路－H桥式应用案例（1.1）图5.38 单端正激式变换器控制系统仿真模型【例5-11】隔离变压器匝比为5:1,PWM频率100kHz,参考电压Uref为14V,负载电阻范围为14~0.14Ω,要求设计无超调,上升时间小于50ms,系统稳态误差小于1%.5.5隔离DC/DC电路－H桥式应用案例（1.1）图5.46 隔离式H桥DC/DC变换器控制系统仿真模型【例5-14】H桥式DC/DC变换器的隔离变压器匝比为5:1,PWM频率100kHz,参考电压Uref为14V,负载电阻范围为14~0.14Ω,要求设计无超调,上升时间小于50ms,系统稳态误差小于1%.5.5隔离DC/DC电路－H桥式电路应用案例（1.2）图5.47 隔离式H桥DC/DC变换器控制系统运行曲线a,d)输出电压;b,e)电感电流和低电压蓄电池电流;c,f)高电压蓄电池组电压.5.6新能源汽车直流功率变换器－应用概述5.6新能源汽车直流功率变换器－电驱动双向DC/DC图5.48 某典型混合动力电动汽车的电驱动系统结构5.6新能源汽车直流功率变换器－高低压DC/DC图5.49 纯电动乘用车的高电压直流母线与12V直流母线的电能转换电路框图5.6新能源汽车直流功率变换器－48V电驱动系统架构图5.50 ISG48V系统的电气框图5.1 DC/DC变换器分类5.2 DC/DC变换器的工作模式5.3 DC/DC变换器电路的周期稳态分析方法（1）由各开关状态的组合决定变换器的电压回路；（2）利用伏秒平衡或荷电平衡分析变换器输出电压特性。5.4 DC/DC变换器的控制方法5.5 DC/DC变换器的车载应用（1）新能源汽车低压用电设备供电由隔离型DC/DC变换器持续供电；（2）燃料电池系统利用非隔离型DC/DC变换器与蓄电池电气连接，为车辆电动化系统持续供电；（3）隔离型DC/DC变换器电路是新能源汽车车载充电设备的核心电路之一。本章知识点5.1 DC/DC变换器分类5.2 DC/DC变换器的工作模式5.3 DC/DC变换器电路的周期稳态分析方法（1）由各开关状态的组合决定变换器的电压回路；（2）利用伏秒平衡或荷电平衡分析变换器输出电压特性。5.4 DC/DC变换器的控制方法5.5 DC/DC变换器的车载应用（1）新能源汽车低压用电设备供电由隔离型DC/DC变换器持续供电；（2）燃料电池系统利用非隔离型DC/DC变换器与蓄电池电气连接，为车辆电动化系统持续供电；（3）隔离型DC/DC变换器电路是新能源汽车车载充电设备的核心电路之一。本章知识点本章作业仿真分析

使用PSIM练习应用案例的仿真书面作业

5.1、5.2、5.5欢迎同学们提问与讨论！第6章逆变技术目录6.0引言6.1单相逆变电路

单相电压源逆变电路开关状态6.2单相逆变电路脉宽调制技术

SPWM采样法、单极性调制、双极性调制6.3三相电压源逆变器

电路工作原理、SPWM调制、SVPWM调制6.0引言－逆变器结构图6.1电压源逆变器功能框图6.0引言－逆变技术功能与分类功能（1）将直流电直接变换为交流电；（2）交流电的电压/电流幅值和频率均可调。分类（1）负载方式：电网侧的有源逆变和独立负载的无源逆变；（2）直流电源：电压型和电流型逆变器；（3）逆变电路：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式，多重化；（4）PWM方式：方波、正弦波、空间矢量。应用（1）直流电源：蓄电池、伏光电池、燃料电池等给交流负载供电；（2）可控交流：交流电机调速、感应加热、UPS；（3）电网馈电：电机再生制动的直流电能向交流电网回馈。6.0引言—面积等效原理a)b)s(k)w(k)c)d)面积等效原理示意图

a)正弦波电压脉冲,b)SPWM电压脉冲,c/d)感性负载电流波形6.1单相电压源逆变电路－H桥式开关状态图6.4H桥式单相电压源逆变器电路原理图6.2单相电压源逆变电路－SPWM生成方法单极性SPWM等幅而不等宽的正负脉波电压的瞬时取值为：UI、0、-UI。OwtUI-UI双极性SPWM等幅而不等宽的正负脉波电压的瞬时取值为：UI、-UI。OwtUI-UI6.2单相电压源逆变电路－SPWM信号调制基准波与载波调制度与载波比（1）调制度ma

：基准信号的幅值urm与载波信号的幅值ucm之比；（2）载波比mf

：载波频率fc与调制频率fr之比。调制方法（1）同步调制：mf为常数的信号调制方法；（2）异步调制：mf可变的信号调制方法；（3）过调制：ma大于1的PWM信号调制方法。SPWM采样脉宽生成方法示意图a)调制信号、载波信号 b)SPWM脉宽6.2单相电压源逆变电路－SPWM采样方法6.2单相电压源逆变电路－单极性SPWM技术原理图6.5采用单极性SPWM技术的单相电压源逆变器的驱动信号理想电压波形a）信号波和载波b）S1开关驱动信号c）S3开关驱动信号d）S13两开关驱动差动信号6.2单相电压源逆变电路－单极性SPWM技术输出电压调制占空比及输出电压计算（2）正半周(图6.4）（3）负半周(图6.4)（1）占空比（4）输出电压图6.6采用规则采样法的单极性SPWM占空比产生方法:a)信号波和载波,b)调制脉冲宽度1,c)调制脉冲宽度2.6.2单相电压源逆变电路－单极性SPWM应用案例（1.1）电路仿真模型图6.7单极性SPWM调制的单相电压源逆变电路仿真模型6.2单相电压源逆变电路－单极性SPWM应用案例（1.2）恒压源和蓄电池供电的逆变器输出波形比较

单极性SPWM调制下的负载电压和电流波形a)基准波和载波b)门极信号c)负载电压d)负载电流和电源电流图6.8恒压源图6.9蓄电池6.2单相电压源逆变电路－单极性SPWM应用案例（1.3）不同载波频率下蓄电池供电的逆变器输出波形比较

单极性SPWM调制下的负载电压和电流波形a)基准波和载波b)门极信号c)负载电压d)负载电流和电源电流图6.9500Hz图6.105000Hz6.2单相电压源逆变电路－双极性SPWM技术原理图6.11采用双极性SPWM技术的单相电压源逆变器的驱动信号理想电压波形a）信号波和载波b）S1开关驱动信号c）S3开关驱动信号d）S13两开关驱动差动信号6.2单相电压源逆变电路－双极性SPWM技术输出电压调制占空比及输出电压计算（2）参考点O(图6.4）（1）占空比（3）输出电压图6.12采用规则采样法的单极性SPWM占空比产生方法:a)信号波和载波,b)调制脉冲宽度.6.2单相电压源逆变电路－双极性SPWM应用案例（1.1）电路仿真模型图6.13

双极性SPWM调制的单相电压源逆变电路仿真模型6.2单相电压源逆变电路－双极性SPWM应用案例（1.2）供电电源和载波频率不同的逆变器输出波形比较单极性SPWM调制下的负载电压和电流波形a)基准波和载波b)门极信号c)负载电压d)负载电流和电源电流图6.14恒压源/500Hz图6.15蓄电池/5000Hz6.3三相电压源逆变电路－开关状态电路结构图6.16全桥式三相电压源逆变电路拓扑Z为中性点N的三相星型感性负载6.3三相电压源逆变电路－开关状态表开关状态相电压线电压开关模式导通截止uANuBNuCNuABuBCuCASASBSCS1S4S6S2S3S52UI/3–UI/3–UI/3UI0–UI100S1S3S6S2S4S5UI/3UI/3–2UI/30UI–UI110S2S3S6S1S4S5–UI/32UI/3–UI/3–UIUI0010S2S3S5S1S4S6–2UI/3UI/3UI/3–UI0UI011S2S4S5S1S3S6–UI/3–UI/32UI/30–UIUI001S1S4S5S2S3S6UI/3–2UI/3UI/3UI–UI0101S1S3S5S2S4S6000000111S2S4S6S1S3S50000000006.3三相电压源逆变电路－单极性SPWM技术图6.17采用SPWM单极性调制技术的三相电压源逆变器驱动信号波形a)信号波和载波b)S1开关驱动信号c)S3开关驱动信号d)S5两开关驱动信号三相SPWM逆变器的理想相电压瞬时输出三相SPWM逆变器的理想相电压基波峰值三相SPWM逆变器的理想线电压基波峰值注意：单极性SPWM调制的中性参考点为两个输入滤波电容中点O。6.3三相电压源逆变电路－单极性SPWM调制输出6.3三相电压源逆变电路－单极性SPWM技术应用案例(1.1)图6.18采用SPWM单极性调制技术的三相电压源逆变电路仿真模型6.3三相电压源逆变电路－单极性SPWM技术应用案例(1.2)单极性SPWM调制下的负载电压和电流波形a)基准波和载波b~d)门极信号e)相电压f)线电压g)相电h)电源电流图6.19恒压源/500Hz图6.20蓄电池/5000Hz供电电源和载波频率不同的三相逆变器输出波形比较6.3三相电压源逆变电路－SVPWM空间坐标图6.21三相交流电机定子绕组及坐标轴系

a）三相定子绕组b）空间电压矢量空间电压矢量三相正弦电压极坐标形式空间电压矢量6.3三相电压源逆变电路－SVPWM空间电压矢量电压空间矢量的笛卡尔坐标与正弦电压的关系极坐标形式单位空间电压矢量6.3三相电压源逆变电路－SVPWM之3/2变换两相静止坐标系三相坐标系6.3三相电压源逆变电路－SVPWM之开关状态函数6.3