電力電子技術(shù)_第四章直流—直流變換

1、- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC1第四章第四章直流直流直流（直流（DC-DCDC-DC）變換電路）變換電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC2n由圖可知，變換器的輸入是由電網(wǎng)電壓整流而來(lái)的不控直流電壓，變換電路的功能是通過(guò)控制電壓Ucon將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵觯ǔ０堰@種電路稱(chēng)為斬波電路或DCDC變流電路。 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC3n在開(kāi)關(guān)式直流電源中，一般都需用變壓器進(jìn)行隔離。n下面討論最常用的降壓式、升壓式、升降壓式、庫(kù)克式和全橋式五種DCDC變換電路。n上述五種變換電路中，降壓式和升壓式是基本型式，升降壓式和庫(kù)克式是它們的組合

2、，而全橋式則屬于降壓式類(lèi)型。 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC4一、一、 基本控制方式基本控制方式 DCDC變換電路的控制原理1、時(shí)間比控制、時(shí)間比控制 0 01TontUudtEETT頻率控制、頻率控制、 混合控制混合控制 脈寬控制、脈寬控制、- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC52、瞬時(shí)值控制、瞬時(shí)值控制 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC6二、基本二、基本DC-DCDC-DC變換器變換器 (1) VT1，VT2均不通均不通 , E經(jīng)經(jīng) VD1，L1，R、L對(duì)對(duì)C充電；充電；(2) 觸通觸通VT1，負(fù)載上有電壓，負(fù)載上有電壓， VD1截止，截止，C無(wú)放電

3、回路；無(wú)放電回路；(3) 觸通觸通VT2，C經(jīng)經(jīng)VT2與與L1形成形成 諧振，諧振，C放電并反向充電，上放電并反向充電，上(-)下下(+)，負(fù)載仍有電壓；，負(fù)載仍有電壓； (4) uc=-E時(shí)，時(shí)，ic=0，VT2斷，斷，uc經(jīng)經(jīng)VD1反壓加至反壓加至VT1，VT1關(guān)斷；關(guān)斷；(5) VT1斷后，斷后，VD2通，通，C經(jīng)經(jīng)L1、VD1、L2、VD2回路諧振，回路諧振，uc由由 -E上升到上升到E，uc=E時(shí)，時(shí)，ic=0，停止向負(fù)載輸出；，停止向負(fù)載輸出；(6) 負(fù)載電流經(jīng)負(fù)載電流經(jīng)VDF續(xù)流。續(xù)流。 1 1、晶閘管降壓斬波器、晶閘管降壓斬波器 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC7

4、2 2、BuckBuck（降壓型）變換器（降壓型）變換器 (1) (1) 電流連續(xù)時(shí)電流連續(xù)時(shí) 電感電壓一周期內(nèi)積分平均為零電感電壓一周期內(nèi)積分平均為零00()()0onoffEUtU t 0onononoffUttEttT00EIU I輸入、輸出功率相等輸入、輸出功率相等 001IEIU降壓降壓 “ “直流直流”變壓器變壓器 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC8圖4-5 Buck變換器工作模式及電流連續(xù)時(shí)各點(diǎn)波形(a)導(dǎo)通（ton）模式；（b）關(guān)斷（toff）模式；（c）各點(diǎn)波形- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC9(2) 電流斷續(xù)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)圖4-6 電流臨界連續(xù)波形

5、圖4-7 電流斷續(xù)時(shí)波形電流連續(xù)與否的臨界狀態(tài)是VT關(guān)斷結(jié)束時(shí)（或?qū)ㄩ_(kāi)始時(shí)）電感電流 ，如圖4-6。根據(jù)導(dǎo)通（ton）模式的電感電壓方程，可計(jì)算出臨界連續(xù)時(shí)電感電流平均值ILB0Li - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC100011 ()1()222onLBLPEU tIiEUTLL因電流連續(xù)，有U0=E，則上式可進(jìn)一步化為(1)2LBETIL在E、T、L不變時(shí)，這是一個(gè)關(guān)于占空比的凸形函數(shù)，可以求出=0.5時(shí)候具有電流極值max8LBETILmax4(1)LBLBII- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC11 如果在電流臨界連續(xù)狀態(tài)下保持T、L、E及不變，減少輸出負(fù)載電流

6、（使負(fù)載功率減小，即增大負(fù)載電阻），此時(shí)電感電流平均值IL將小于臨界平均值ILB，BUCK變換器進(jìn)入電流斷續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，波形如圖4-7所示。一個(gè)周期內(nèi)，電感電壓積分為0的條件可以表示為：001()()0EUTUT 或者是：01UE上式就是電流斷續(xù)時(shí)BUCK變換器的輸入輸出關(guān)系，但是仍然需要解決1- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC12在VD導(dǎo)通的1T期間，電感電流在-U0作用下線性衰減，則電流斷續(xù)下電感電流峰值iLP可寫(xiě)成為01LPUiTL因此電流斷續(xù)時(shí)候電感電流平均值因此電流斷續(xù)時(shí)候電感電流平均值IL0可表示為可表示為100111max1()4222LLPLBU TETIiILL 故

7、有01max4LLBII2020max14LLBUIEI(1)2LBETILmax4(1)LBLBII01UE- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC13（3） 濾波器的設(shè)計(jì)為了獲得平直的直流輸出電壓U0，應(yīng)設(shè)計(jì)好輸出低通濾波器，可以通過(guò)對(duì)電流連續(xù)時(shí)輸出電容電壓UC紋波的計(jì)算來(lái)估算L、C值。按照電路拓?fù)?，iL=i0+iC，電感電流的脈動(dòng)成分iL全部流入電容，即IC=IL，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)流經(jīng)電容電流的平均值應(yīng)為0。因而可從圖上可以看到半周期內(nèi)(1/2)T內(nèi)電容電量的變化為1()222LCITQ18CCLQUI TCC- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC14紋波電流IL可通過(guò)關(guān)斷模式下

8、差分形式電壓方程求得，即0=1LLoffIILLUtT（）0=(1)LUITL所以可以推出：201(1)8CUTULC這樣，按照期望的紋波比例、斬波周期T及占空比，大體確定出LC的值。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC15例 有一理想Buck變換電路，斬波頻率20kHz，濾波元件參數(shù)為L(zhǎng)=2mH，C=220F。若電源電壓E=12V，希望輸出電壓UO=5V，輸出平均電流IO=200mA，試計(jì)算：1）電感上電流紋波；2）輸出電壓紋波比值 。UcUo解： 1）斬波周期 5353252364115 1020 105=0.417125(1)(1 0.417) 5 100.07292 1011

9、2)(1)(1 0.417) (5 10 )88 (2 10 ) (220 10 )4 100.04%OOLTsfUUITAUcTUoLC 導(dǎo)通比 EL- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC163 3、升壓（、升壓（Boost)Boost)斬波器斬波器 利用電感中的儲(chǔ)能釋放時(shí)產(chǎn)生的電壓來(lái)提高輸出電壓利用電感中的儲(chǔ)能釋放時(shí)產(chǎn)生的電壓來(lái)提高輸出電壓 工作原理：工作原理： (1) V導(dǎo)通，導(dǎo)通，E加至加至L，L開(kāi)始儲(chǔ)能，開(kāi)始儲(chǔ)能，iL上升，上升，C向負(fù)載放電，向負(fù)載放電，VD關(guān)斷。關(guān)斷。 (2) V關(guān)斷，關(guān)斷，iL不變，則感應(yīng)電勢(shì)，和不變，則感應(yīng)電勢(shì)，和E疊加供給負(fù)載。疊加供給負(fù)載。C充電，

10、充電，uc上升，上升， L能量能量 C和負(fù)載和負(fù)載 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC17電感能量：電感能量：outinWW 11onoffooffoffttTUEEEttinLonWE ItV導(dǎo)通：導(dǎo)通：()outoLoffWUEItV關(guān)斷關(guān)斷：輸入、輸出功率相等輸入、輸出功率相等00EIU I001IEIU 升壓升壓 “ “直流直流”變壓器變壓器 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC18- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC19電流斷續(xù)時(shí)的分析電流斷續(xù)時(shí)的分析如果將負(fù)載電阻加大，那么流過(guò)回路的電流會(huì)減小，就有可能會(huì)出現(xiàn)當(dāng)VT管關(guān)斷之后的一小段時(shí)間內(nèi)，電感內(nèi)的電

11、流就為0，有一段時(shí)間是沒(méi)有電流提供給負(fù)載，主要是靠恒定電壓源提供負(fù)載電流。EiLPuLiLiLB(E-U0)tontoffTEiLPuLiLIL(E-U0)tonTtt1T2T電流臨界連續(xù)電流臨界連續(xù)電流斷續(xù)電流斷續(xù)- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC2000111(1)(1)2222onLBLPEtU TIiUTLLLLBI根據(jù)導(dǎo)通（ton）模式的電壓方程，可以計(jì)算出臨界連續(xù)時(shí)電感電流平均值電流連續(xù)時(shí)候輸入、輸出電流關(guān)系，求出臨界連續(xù)時(shí)輸出電流平均值001IEIU 200(1)(1)2BLBU TIIL應(yīng)用中一般保持E恒定，改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓U0，此時(shí)，ILB、I0B為占空比的凸

12、函數(shù)，可求得其極值。00=0.5;821=327U TLU TLLBmaxOBmax當(dāng)時(shí)，I當(dāng)時(shí)，I- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC21這樣，電感輸入平均電流ILB，輸出平均電流I0B用其最大值分別表示分別有max200max4 (1)27(1)4LBLBBBIIII如果保持輸入電壓E，不變，減小負(fù)載電流，實(shí)際上也是減少電感的輸入電流平均值，使ILILB或I0I0B，就會(huì)有電感電流斷續(xù)的現(xiàn)象。根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)電感電壓積分為零，可以求得電流斷續(xù)時(shí)候BOOST變換器輸入、輸出關(guān)系。01011011()0LETEUTUEII- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC223. 電容C、

13、電感L的估算通過(guò)對(duì)電流連續(xù)時(shí)電感電流iL的紋波IL及電容電壓uC的紋波Uc估算，可以大致確定Boost變換器中L、C之值。uLE0(E-U0)tontoffI1 I2ILI2I1 iL iUC0000ic(I2-I0)UcU0- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC23根據(jù)上面的圖，可以求出電感電流的紋波0()onLoffEtILEU t 000000()()1LonoffLILUTttE UEE UEEIfLUfLUEfTU 式子中，- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC24根據(jù)導(dǎo)通模式，ton期間負(fù)載電流由電容電流提供，若忽略負(fù)載電流紋波，則有ic=I0，此時(shí)電容上的電量變換

14、反映電容電壓的峰峰值脈動(dòng)紋波1000000000011=,()=tontCCononCIUi dtI dttCCCUEtTU fI UEIUfCUfC因則- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC254、升降壓斬波電路、升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper) L和和C很大很大 電感電流電感電流iL和負(fù)載電壓和負(fù)載電壓uo基本為恒值基本為恒值工作原理工作原理 ： V通通時(shí)時(shí) E經(jīng)經(jīng)V向向L供電使其貯能，電流為供電使其貯能，電流為i1 C維持輸出電壓恒定向負(fù)載供電維持輸出電壓恒定向負(fù)載供電 V斷斷時(shí)時(shí) L的能量向負(fù)載釋放，電流為的能量向負(fù)載釋放，電流為i2 負(fù)載電壓上負(fù)下正負(fù)載

15、電壓上負(fù)下正VDERLa)CVi1i2uLuoILotb)oti1i2tontoffILILTLtu00d穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)offoontUtEEEtTtEttUononoffono10 1/2時(shí)：為降壓時(shí)：為降壓1/2 1時(shí)：為升壓時(shí)：為升壓 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC26- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC27輸入、輸出關(guān)系輸入、輸出關(guān)系CUK變換器輸入、輸出關(guān)系是通過(guò)分別對(duì)電感L1、L2在導(dǎo)通（ton）與關(guān)斷（toff）模式變換中，電流紋波及電容C1電壓平均值UC1的分析導(dǎo)出來(lái)的。（1）L1中電流變化1211111LLononIIIELLtt11onLItE111

16、1111111, 1()=CoffoffCCofftonIEULtItLCEUEUtEILL故有為電容電壓平均值。Ton期間期間Toff期間，期間，V關(guān)斷，關(guān)斷，VD導(dǎo)通導(dǎo)通,(1) ,onofftT tTC1代入上面式子：E(1-2 )U =1- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC28（2）L2中電流變化Ton期間變換器導(dǎo)通，電感電流iL2線性增長(zhǎng)222121022LLCononIIIUULLtt22onC10LL故有 t =U -U22212022220,(1)LLoffoffoffIIIULLttItLtonT toffTU 0C1將代入得：U (1-2 )U =-Toff期間，

17、變換器工作在關(guān)斷模式從電容C1兩側(cè)電感L1、L2電流變化的角度描述同一個(gè)電容電壓平均值UC1，兩個(gè)值是相等的，因此可以得到01-2(1 2 )101UEUE （），可推得- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC29- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC303.1.4 Speic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC31- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC323.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)降壓斬波電路拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如圖3-1所示，電動(dòng)

18、機(jī)工作于第1象限圖3-3所示升壓斬波電路中，電動(dòng)機(jī)工作于第2象限電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC33V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR圖3-7 電流可逆斬波電路及其波形a） 電路圖 b） 波形

19、3.2.1 電流可逆斬波電路 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC34必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)，V2和VD2總處于斷態(tài)只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則V1和VD1總處于斷態(tài)第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作當(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。以圖3-7b為例說(shuō)明。在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。3.2.1 電流可逆斬波電路 - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -DC-DC35降壓斬波電路降壓斬波電路升壓斬波