DC-DC變換電路原理.ppt

DC/DC變換電路,3.2基本的直流斬波電路,3.3復(fù)合斬波電路,3.4變壓器隔離的直流直流變換器,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),返回,第3章DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉(zhuǎn)換成另一固定電壓或電壓可調(diào)的直流電能。,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路,重點：電路結(jié)構(gòu)、工作原理及主要數(shù)量關(guān)系,第3章DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉(zhuǎn)換成另一固定電壓或電壓可調(diào)的直流電能。,直流變換電路完成直流變換的電路。,直流變換器實現(xiàn)直流變換的裝置。,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,直流調(diào)速：需要可變的直流電壓,直流供電電壓一定，而負(fù)載需要不同電壓,直流升壓：太陽能電池輸出電壓較低，需要變換到較高電壓再變換為直流,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,（1）開關(guān)管T導(dǎo)通時，R兩端電壓uo=US,開關(guān)管IGBT導(dǎo)通條件：UG0,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,（2）開關(guān)管T斷開時，R兩端電壓uo=0,開關(guān)管IGBT斷開控制：UG=0,3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,R兩端平均電壓：,控制一周期中導(dǎo)通時間比例可控制輸出平均電壓,開關(guān)管IGBT控制電壓,R兩端電壓波形,3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,定義上述電路中導(dǎo)通占空比D為:,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖頻率調(diào)制(PFM),維持ton不變，改變TS。改變TS就改變了輸出電壓周期或頻率。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖寬度調(diào)制(PWM),維持TS不變，改變ton在這種方式中，輸出電壓波形的周期不變，僅改變脈沖寬度。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1直流變換的基本原理及PWM概念,混合脈沖寬度調(diào)制,脈沖周期TS與寬度ton均改變。,廣義的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)包含上述三種控制方式,1面積等效原理PWM應(yīng)用的理論基礎(chǔ),自動控制理論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。,形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖,3.1.2PWM技術(shù)基礎(chǔ),沖量=窄脈沖面積,沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形,1面積等效原理,比較RL電路對沖量相同而形狀不同窄脈沖的響應(yīng)波形可知，輸出波形大致相同進(jìn)一步說,響應(yīng)波形的低頻成份基本相同。,上述原理可以稱為面積等效原理。根據(jù)該原理，將平均值為up的一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖加到包含慣性環(huán)節(jié)的負(fù)載上，將與施加幅值為up的恒定直流電壓所得結(jié)果基本相同，這樣一來就可用一列脈沖波形代替直流波形。,除了直流波形可用PWM波形來代替外，根據(jù)面積等效原理可以進(jìn)一步推出，可以在一段時間內(nèi)按一定規(guī)則生成PWM波形來代替所需的任何波形,1面積等效原理,如用正弦脈沖寬度調(diào)制波形來代替正弦波SPWM,2直流PWM波形的生成方法,生成PWM波形有多種方法，常見有計算法、調(diào)制法等。,計算法是在每個時間段，利用計算機技術(shù)直接計算出當(dāng)前所需要的脈沖寬度，進(jìn)而據(jù)此對電力電子器件進(jìn)行開關(guān)控制而獲得PWM波形。,調(diào)制法是利用高頻載波信號與期望信號相比較來確定各脈沖寬度信息進(jìn)而生成PWM波形。,調(diào)制法生成PWM波形典型框圖：,返回,2直流PWM波形的生成方法,載波信號頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制信號頻率,3.2基本的直流變換電路,3.2.1降壓斬波電路,3.2.2升壓斬波電路,3.2.3升降壓斬波電路,3.2.4庫克變換電路,返回,3.2基本的直流變換電路,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路,介紹內(nèi)容：,1、電路結(jié)構(gòu),2、工作原理,3、主要波形,4、基本數(shù)量關(guān)系,3.2基本的直流斬波電路,3.2.1降壓變換電路,降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓，又稱為Buck型變換器。,3.2.1降壓變換電路,1降壓變換電路工作原理,（1）T導(dǎo)通情形,電感電壓uL=USuo，在該電壓的作用下，電感電流iL線性增長，電感儲能增加,3.2.1降壓變換電路,1降壓變換電路工作原理,（2）T斷開情形-電流連續(xù),電感電壓uL=uo，在該電壓的作用下，電感電流iL線性下降，電感儲能減少,3.2.1降壓變換電路,1降壓變換電路工作原理,（2）T斷開情形-電流斷續(xù),電感電壓uL=0，電容向負(fù)載供電,T一周期中導(dǎo)通時間愈長，向電感轉(zhuǎn)移的能量愈多，向負(fù)載轉(zhuǎn)移的能量也愈多，即輸出電壓愈高,3.2.1降壓變換電路,1降壓變換電路工作原理,特殊情形：T常斷開,特殊情形：T常導(dǎo)通,2主要波形分析,3.2.1降壓變換電路,理論基礎(chǔ)電路理論基本方法分段線性分析（重點是根據(jù)開關(guān)情況確定等效電路）,假設(shè)條件：,1、器件是理想的（不考慮開關(guān)時間、導(dǎo)通壓降等）,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,2主要波形電感電流連續(xù)情形,電感電流連續(xù)情形：iL0,降壓電路,2主要波形電感電流連續(xù)情形,數(shù)學(xué)模型:,初值條件?,假設(shè)uC=Uo=常數(shù)iL線性增加,T導(dǎo)通波形,2主要波形電感電流連續(xù)情形,假設(shè)uC=Uo=常數(shù)iL線性減少,主要波形,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(1)平均輸出電壓Uo,(2)平均輸出電流Io,表現(xiàn)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的量：,(3)電感電流紋波DIL,(4)負(fù)載電壓紋波DUO,主要器件承受的電壓、電流等量可根據(jù)波形確定,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(1)平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,uL,uG,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,im,t,t,t,t,ton,toff,iM,(2)輸出平均電流Io,IO,(3)電感電流紋波DIL,uL,uG,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,im,t,t,t,t,ton,toff,iM,IO,(4)電感電流極值iM、im,?,穩(wěn)態(tài)情況下，電容上一周期中的平均電流為零。,電感平均電流=負(fù)載平均電流,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(5)電容電壓紋波DuC,uG,iL,im,t,t,ton,toff,iM,IO,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,（5）電容電壓紋波DuC,結(jié)論：1：增加LC,電壓紋波減少2：開關(guān)頻率高，電壓紋波小3：D=0.5，電壓紋波達(dá)到峰值,3主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,5、電容電壓紋波DuC,4主要波形電感電流斷續(xù)情形,電感電流斷續(xù)情形：在一段時間內(nèi)iL=0,降壓電路,4主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設(shè)uC=Uo=常數(shù)iL線性增加,4主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設(shè)uC=Uo=常數(shù)iL線性減少,4主要波形電感電流斷續(xù)情形,uC=Uo=常數(shù)iC維持不變,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,注意：tcon與電路參數(shù)、ton有關(guān),5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,記,電壓變換比：,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,(2)輸出平均電流Io,(3)電感電流紋波DIL,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,uL,uG,iL,uC,t,t,t,t,ton,toff,iM,tcon,(4)電容電壓紋波DuC,t,t2,t1,注意：,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,(4)電容電壓紋波DuC,注意：,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,電感平均電流=負(fù)載平均電流,電感平均電流IL:,5主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,注意到：,最后有：,(5)電感電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù):電感電流僅瞬間為零,電流臨界連續(xù)時:,（5）電感電流臨界連續(xù)條件,降壓變換電路小結(jié),返回,3.2.2升壓變換電路Boost電路,1升壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,工作原理:,T導(dǎo)通時,uL=US,電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉(zhuǎn)移電能。,T斷開時,uL=US-uC,電感電流減少,電感儲能減少,電感儲能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。,升壓變換電路結(jié)構(gòu),升壓變換電路IGBT實現(xiàn),返回,3.2.2升壓變換電路Boost電路,1升壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,工作原理:,穩(wěn)態(tài)情況下,T斷開時,電感電流減少,uL=US-uC0,2波形分析-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,T導(dǎo)通等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,波形分析-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,電感電流斷續(xù):存在iL=0時間段,2波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T斷開、D續(xù)流等效電路,T導(dǎo)通等效電路,T斷開、D斷開等效電路,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(1)平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(2)平均輸出電流Io,(3)電感電流紋波DIL,T導(dǎo)通期間：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(4)電容電壓紋波DuC,考慮Ioim情形:,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(1)平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(2)平均輸出電流Io,(3)電感電流紋波DIL,T導(dǎo)通期間：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(4)電容電壓紋波DuC,注意:,3主要數(shù)量關(guān)系,(5)電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)時:,3主要數(shù)量關(guān)系,(5)電流臨界連續(xù)條件,電流連續(xù)時:,升降壓變換電路小結(jié),D2與電路參數(shù)關(guān)系請自行推導(dǎo),返回,3.2.4庫克變換電路,優(yōu)點:降壓、負(fù)載電流波動小缺點：不能升壓、電源電流波動大,優(yōu)點:升壓、電源電流波動小缺點：不能降壓、負(fù)載電流波動大,優(yōu)點:能升壓、降壓缺點：負(fù)載電流、電源電流波動大,升降壓變換電路,降壓變換電路,升壓變換電路,返回,3.2.4庫克變換電路,期望電路：能同時實現(xiàn)升壓、降壓能同時使電源電流、負(fù)載電流波動小,庫克變換電路,3.2.4庫克變換電路,1工作原理:,T導(dǎo)通時,uL=US,電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉(zhuǎn)移電能。同時電容C1上儲能向負(fù)載轉(zhuǎn)移。,T斷開時,電感電流減少,電感儲能減少,電感儲能向C1、負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。,控制T通斷來控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能,3.2.4庫克變換電路,1工作原理:,特殊情況:T長期斷開時,輸出電壓uO=0。,T導(dǎo)通時間較長時,電感電流將趨于無限大,此時斷開T,將有無窮大能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載,輸出電壓uO也將趨于無限大。,控制T通斷來控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能,2波形分析,假設(shè)條件：,1、器件是理想的（不考慮開關(guān)時間、導(dǎo)通壓降等）,2、濾波電容較大，輸出電壓基本平直,庫克變換電路,2波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,2波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,T導(dǎo)通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,2波形分析-電感電流斷續(xù)情形,庫克變換電路,2波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導(dǎo)通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,T斷開、D斷開等效電路,2波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導(dǎo)通、D斷開等效電路,T斷開、D續(xù)流等效電路,T斷開、D斷開等效電路,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(1)平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(1)平均輸出電壓Uo,C1平均電壓滿足:,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(3)電感電流紋波DiL,(2)輸出平均電流IO,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫克變換電路,(4)輸出電壓紋波DuO,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,庫克變換電路,(1)輸出平均電壓UO,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2)電流臨界連續(xù)條件,因輸入輸出功率平衡，有：,電流臨界連續(xù)時:,庫克變換電路,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2)電流臨界連續(xù)條件,因為：,因輸入輸出功率平衡，有：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2)電流臨界連續(xù)條件,又：,因Io=L2平均電流，有：,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2)電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)條件,#1、#2兩式相加,（#1）,（#2）,3主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2)電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)條件：,電流連續(xù)條件:,電流斷續(xù)條件:,庫克變換電路,庫克變換電路小結(jié),庫克變換電路,1、既能升壓、也能降壓,2、電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動小,1、電路稍復(fù)雜（多用一電感、一電容）,2、電容C2充放電電流波動大,返回,3.3.1多相多重斬波電路,把幾個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波器適當(dāng)組合，可以構(gòu)成復(fù)合型斬波電路,3.3復(fù)合斬波電路,多相多重斬波電路,返回,3.3.1多相多重斬波電路,多相多重斬波電路,如果在一個周期TS中，電源側(cè)電流iS脈動n次，則稱為n相斬波器。,假設(shè)復(fù)合型斬波器中每個開關(guān)管通斷周期都是TS,如果在一個周期TS中，負(fù)載電流io脈動m次，則稱為m重斬波器。,3.3.1多相多重斬波電路,多相多重斬波電路,個開關(guān)器件T1、T2、T3依序通、斷各一次，它們導(dǎo)通時間的起點相差TS/3，個開關(guān)管導(dǎo)通時間ton相同，占空比D相同.,控制方案:,3.3.1多相多重斬波電路,T1、D1構(gòu)成一個降壓斬波器，只要T1截止時，i1不斷流，即電感電流連續(xù)，則T1輸出電壓u1的直流平均值U1是U1=USton/Ts=DUS。,同