新能源汽车功率电子基础（第2版）课件：直流转换技术

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