电力电子与现代控制(电力电子线路及其触发控制)第二部分.ppt

1、电力电子与现代控制Power Electronics and Modern Control,中国科学院研究生院,电力电子线路及其控制,2、DC/DC变换器,2.2 直流/直流变换器,1、无变压器隔离的直流/直流变换器 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器和Cuk变换器） 2、带隔离变压器的直流/直流变换器 单端反激式（Flyback）直流/直流变换器 单端正反激式（Flyforward）直流/直流变换器 全桥直流/直流变换器 3、双向直流/直流变换器,分析的前提条件,变压比、

2、导通比的定义： 变压比：输出电压与输入电压的比值M； 导通比：又称占空比，指功率器件在一个开关周期内导通时间ton与整周期Ts时间的比值D= ton / Ts， 1D0 。,理想的电力电子变换器： （1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零； （2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零； （3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率； （5）所有的变换器根据其电感电流是否连续可分为电流连续工作模式（CCM）和电流断续工作模式（DCM）两种，仅分析其CCM模式下的工

3、作原理。,工作状态1：VT导通，VD截止，输入电压对电感、电容和负载充电，此时有：,工作状态2：VT截止，VD导通，储存在电感的能量转移到输出电容，此时有：,工作原理分析：,可见，由于1D0，所以输出电压低于输入电压，且极性相同。,Buck DC/DC 变换器,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,(b) Buck DC/DC 变换器工作波形,电路拓扑,则变压比为：,工作状态1：VT导通，VD截止，输入电压对电感充电，输出电容向负载供电，此时有：,工作状态2：VT截止，VD导通，电源以及储存在电感的能量向输出电容充电，此时有：,工作原理分析：,Boost DC/DC 变换器,电路拓扑,可

4、见，由于1D0，所以输出电压高于输入电压，且极性相同。,(b) Boost DC/DC 变换器工作波形,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,则变压比为：,(b) Buck-Boost DC/DC变换器工作波形图,Buck-Boost DC/DC 变换器,工作状态1：VT导通，VD截止，输入电压对电感充电，输出电容向负载供电，此时有：,工作状态2：VT截止，VD导通，储存在电感的能量转移到输出电容，此时有：,工作原理分析：,可见，D0.5时，输出电压高于输入电压；而D0.5时，输出电压低于输入电压，且极性相反。,(a) 电路拓扑,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,则变压比为：,

5、Cuk DC/DC变换器,工作状态1：VT导通，VD截止，输入电压对电感L1充电，输出电容C2对电感L2和电容C1充电，此时有：,工作状态2：VT截止，VD导通，输入电源向L1和电容C1充电，储存在电感L2的能量转移到输出电容，此时有：,工作原理分析（假设电容C1的电压保持不变）,(a) 电路拓扑,可见，D0.5时，输出电压高于输入电压；而D0.5时，输出电压低于输入电压，且极性相反。,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,则变压比为：,(b) Cuk DC/DC 变换器工作波形图,非隔离型 DC/DC 变换器的理想工作特性,单端反激式（Flyback）DC/DC变换器,变压器模型,变压

6、器模型中包含一个理想变压器、原副边漏感Ld1、Ld2和励磁电感Lm，原副边匝数比k为N1/N2。,其中理想变压器的特性为：,电压变比：,电流变比：,为简化分析，原副边漏感Ld1和Ld2在以下的分析中忽略。,单端反激式（Flyback）DC/DC变换器,从Buck-Boost变换器到单端反激式变换器与的转化关系,工作原理分析（磁通连续情况）,单端反激式（Flyback）DC/DC变换器,(a) 电路拓扑,工作状态1：VT导通，VD截止，输入电源对变压器原边等效励磁绕组Lm充电：,(b) Flyback DC/DC变换器工作波形,工作状态2：VT截止，VD导通，变压器原边绕组的储能释放到副边绕组：

7、,与Buck-Boost变换器类似,变压器等效励磁电感上电压为：,变压器等效励磁电感上电压为：,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,则变压比为：,单端正激式（Forward）DC/DC变换器,工作状态1：0tton,VT，VD2导通，VD1，VD3截止，输入电源对变压器原边绕组Np充电，同时变压器副边绕组对电感Lf和输出电容充电，此时有：,工作状态2：tonttm, VT，VD2截止；VD1导通，变压器励磁电感Lm储能通过原边辅助绕组释放； VD1导通，输出电感Lf的储能通过VD3释放到负载电压：,(b) Forward DC/DC变换器工作波形,(a) 电路拓扑,工作状态3： tmt

8、Ts,变压器储能释放完毕，VD1截止，电感Lf中电流连续，VD3导通：,工作原理分析（电感Lf电流连续情况）,与Buck DC/DC变换器类似,稳态时，一个周期内电感电压平均值为0，得：,则变压比为：,全桥式DC/DC变换器,(a) 全桥式变换器结构,电路结构：如上图所示（忽略变压器励磁电感Lm时） 原理分析：在一个周期内共有四种工作状态。 工作状态1：T1、T4导通，T2、T3截止， UAB= Uin， D5导通，if上升, i2=if，i1=i2/n，i3=0； 工作状态2：T1-T4截止，UAB=0，D5，D6导通，if下降，i2=i3=if/2，i1=0； 工作状态3：T1、T4截止，

9、T2、T3导通，UAB=-Uin，D6导通，if上升，i3=if，i1=-i3/n，i2=0; 工作状态4：T1-T4截止，UAB=0，D5、D6导通，if下降, i2=i3=if/2，i1=0。,(b) 全桥式变换器的工作波形,稳态时，输出电感平均电压为零，则输出/输入电压比为：,n:1:1,i2,i3,双向DC/DC变换器,前面介绍的DC/DC变换器能量只能从输入电源流向负载，又称为单方向DC/DC变换器，在有些实际的工业应用场合需要DC/DC变换器电流即能从电源流向负载，又能使电流回馈到电源侧，如电机驱动系统，电池充放电系统等。电流即能从电源流向负载，又能使电流回馈到电源侧的DC/DC变

10、换器称之为双向DC/DC变换器，该类变换器是在单向DC/DC变换器的基础上发展起来的，也分为输入/输出非隔离型和隔离型两类，本节仅介绍简单的非隔离型DC/DC变换器。 前面介绍的单向非隔离型DC/DC变换器有Buck型、Boost型和Buck/Boost型三类，只要将电路中的单向全控器件和二极管都用反并二极管的单向全控器件代替即可构成相应的双DC/DC变换器。分别如下图所示。,DC/DC变换器的控制,DC/DC变换器的开环控制,Buck型变换器的脉冲宽度调制（PWM）,Vst:载波,Vcont:输出电压给定,DC/DC变换器的控制,DC/DC变换器的闭环控制模式有两种： 电压控制模式：仅有输出

11、电压闭环控制。 电流控制模式：在输出电压电压闭环内加入电流闭环，按照其实现方式可分为：峰值电流控制模式、平均值电流控制模式和电荷控制模式三种。,电流控制模式的优点有： 系统稳定性增强，稳定域扩大； 系统动态特性改善，对输入电压扰动的抗扰能力提高； 具有快速限制电流的能力，电流模式可以对电路中器件的电流进行快速地限幅，甚至可以不用设置过流保护电路。,电压控制模式,电流控制模式,DC/DC变换器的闭环控制模式,峰值电流控制模式,峰值电流控制模式其电流的反馈值是开关的电流峰值，电流控制环的作用是使开关电流峰值跟随给定值。其优点是结构简单，动态相应快。其缺点在于：由于开关电流往往带有噪声，容易引起比较器的误动作，易受干扰，造成工作不稳定。,平均值电流控制模式,平均值电流控制模式的反馈值是连续的电感电流，电感电流的给定值和反馈值的差值经过一个比例积分调节器，输出为控制电压信号，该信号与锯齿波或对称的三角波比较后产生开关触发信号。其优点有：控制精度高，由于积分环节对电感电流具有滤波作用，对噪音干扰不太敏感。其缺点在于，由于比例积分环节增加了控制环的时间常数，使得对电流的调节速度受到影响。,电荷控制模式,电荷控制模式其反馈值为开关的电流值，反馈的开关电流在开关导通期间对电容Cs充电，当充电