第五章電力電子技術(shù)(DCDC)

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù) 第五章 DC/DC變換 DC/DC變換是干什么的？ DC/DC變換電路能將一組電參數(shù)的直流電能變換為另一組電參數(shù)的直流電能。這些電參數(shù)包括： 直流電幅值 直流電極性為什么要進(jìn)行DC/DC變換？ 應(yīng)用DC/DC變換技術(shù)可使直流輸出電壓脈動更小、紋波更低。具體： 直流傳動裝置提高穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能； 直流電源減小體積、降低重量，提高效 率； 逆變焊機降低體積和重量、提高電源效 率、提高焊接質(zhì)量。 DC/DC變換的方法 目前主要用脈沖調(diào)制實現(xiàn)輸出電壓的控制，方法主要有兩種： 1、脈沖寬度調(diào)制（PWM）應(yīng)用較廣 2、脈沖頻率調(diào)制(PFM)DC/DC變換電路1、基本DC/DC變換電路 降壓

2、、升壓、升降壓斬波電路和可逆斬波電路； 2、帶隔離變壓器的DC/DC變換電路；3、輸出低電壓的同步整流電路；4、分布式電源。DC/DC變換電路的特點：1、負(fù)載側(cè)并聯(lián)電容或電勢負(fù)載穩(wěn)定電壓；2、轉(zhuǎn)換電路特別是升壓電路中需要利用電感儲 能。3、對電阻性負(fù)載串聯(lián)電感（恒流源）穩(wěn)定電壓。 5.1 直流降壓斬波電路（直流降壓斬波電路（Buck電路）電路） 負(fù)載電流連續(xù)負(fù)載電流連續(xù) VT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路 負(fù)載電流斷續(xù)負(fù)載電流斷續(xù) 5.2 直流升壓斬波電路（直流升壓斬波電路（Boost 電路）電路） ooffTUEt VT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路 5.3 直流升降壓斬波電路直流升降壓斬波電路 5.3.1

3、 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 （Buck - Boost chopper） 升降壓斬波電路 輸入輸出波形 VT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路 5.3.2 Cuk斬波電路斬波電路 onooff1tUEEtVT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路及電流通路 5.3.3 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路 Sepic斬波電路斬波電路onooff1tUEEtVT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路及電流通路 Zeta斬波電路斬波電路 onooff1tUEEtVT導(dǎo)通與關(guān)斷時的等效電路及電流通路 5.4 可逆斬波電路可逆斬波電路 幾個概念：幾個概念： 可逆：既可正，又可負(fù)。能量可雙向傳遞。 電流可逆：電流的方向可正可

4、負(fù)。 能量的雙向傳遞： 電壓或電流的方向可以反向，能量可 以雙向流動。 可逆斬波電路：斬波電路的電流或能量可 逆向流動。5.4.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 斬波電路的電壓極性保持不變，電流既可正 又可負(fù)。以斬波電路為直流電動機供電 為例介紹(半橋電路)。電流可逆斬波電路可等效為降壓斬波電路和升壓斬波電路的互補疊加 電路的三種工作方式： 電路總是運行于降壓斬波狀態(tài)，直流電動機工作于第一象限的電動運行狀態(tài)。 參見降壓斬波電路 電路總是運行于升壓斬波狀態(tài)，直流電動機工作于第二象限的再升制動狀態(tài)。 參見升壓斬波電路 在一個周期內(nèi)，電路在降壓斬波和升壓斬波兩種狀態(tài)之間交替工作。 第三種工作方式

5、電流io有正有負(fù)，平均值很小，對于電動機而言，相當(dāng)于負(fù)載很小電流io為正時，分VT1導(dǎo)通和關(guān)斷兩種情況： 電流io為負(fù)時，分VT2導(dǎo)通和關(guān)斷兩種情況： 第三種工作方式的另一種理解法 把VT1和VD2、VT2和VD1當(dāng)作兩個雙向開關(guān)雙向開關(guān)： 開關(guān)電流有正有負(fù)，開關(guān)可雙向?qū)щ?，更接近理想開關(guān)。 IGBT與二極管反并聯(lián)可以理解為一個開關(guān)。 利用開關(guān)來表示的電流可逆斬波電路工作原理分析負(fù)載性質(zhì)：電阻-電感-反電勢 電流滯后電壓注意：K1、K2不能同時導(dǎo)通，否則電源短路。 K1導(dǎo)通時，或是VT1導(dǎo)通，或是VD2導(dǎo)通，取決于電流的方向。電流為正， VT1導(dǎo)通，電流為負(fù)， VD2導(dǎo)通。此時U0=E。能量的

6、流向取決于電流io的方向。 K2導(dǎo)通時， U0=0。電流io的方向取決于電感中的儲能情況。 5.4.2 橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路 橋式可逆斬波電路的等效開關(guān)電路橋式可逆斬波電路的等效開關(guān)電路 橋式可逆斬波電路的三種驅(qū)動控制方式 單極性斬波控制 雙極性斬波控制 受限單極性斬波控制1、單極性斬波控制 保持K4導(dǎo)通、K3關(guān)斷，使K1、K2按PWM控制方式交替導(dǎo)通，電動機工作在第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動和再生制動狀態(tài)。 保持K2導(dǎo)通，K1關(guān)斷，使K3、K4按PWM控制方式交替導(dǎo)通，向電動機提供負(fù)電壓，使電動機工作在第3、4象限，即反轉(zhuǎn)電動和反轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。2、雙極性斬波控制 使K1、K4和K2

7、、K3成對按照PWM控制方式交替導(dǎo)通，并且使K1、K2和K3、K4的導(dǎo)通狀態(tài)互補，避免電源短路。四種工作模式： 斬波電路輸出正向電壓，負(fù)載電流為正 斬波電路輸出反向電壓，負(fù)載電流為正 斬波電路輸出反向電壓，負(fù)載電流為負(fù) 斬波電路輸出正向電壓，負(fù)載電流為負(fù) 模式一 斬波電路輸出正向電壓，負(fù)載 電流為正，電動機正轉(zhuǎn) 該模式下，K1、K4導(dǎo)通時間長，K2、K3導(dǎo)通時間短，平均電壓為正。 模式二 斬波電路輸出反向電壓，負(fù)載 電流為正，電動機正轉(zhuǎn) 該模式下，K1、K4導(dǎo)通時間短，K2、K3導(dǎo)通時間長，平均電壓為負(fù)。模式三 斬波電路輸出反向電壓，負(fù)載電流為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn) 該模式下，K1、K4導(dǎo)通時間短，K

8、2、K3導(dǎo)通時間長，平均電壓為負(fù)。模式四 斬波電路輸出正向電壓，負(fù)載電流為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn) 該模式下，K1、K4導(dǎo)通時間長，K2、K3導(dǎo)通時間短，平均電壓為正。3、受限單極性斬波控制 在正轉(zhuǎn)期間使K2、K3一直關(guān)斷，讓K1進(jìn)行PWM控制，K4一直導(dǎo)通. 在反轉(zhuǎn)期間使K1、K4一直關(guān)斷，讓K2進(jìn)行PWM控制，K3一直導(dǎo)通?？偨Y(jié)： 受限單極性方式無論電動機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都只有一只開關(guān)管處于PWM控制方式，既減小了開關(guān)損耗又降低了上下橋臂同時導(dǎo)通的機會，運行最可靠，應(yīng)用最多。 缺點：負(fù)載較輕時，電動機電流小，出現(xiàn)斷續(xù)情況，負(fù)載平均電壓提高，電動機轉(zhuǎn)速升高，機械特性變軟。5.5 帶隔離變壓器的帶隔離變壓

9、器的DC/DC變換電路變換電路 許多場合需要帶隔離變壓器的DC/DC變換電路，結(jié)構(gòu)如下圖所示。也稱直交直變換電路。 采用隔離型結(jié)構(gòu)的電路實現(xiàn)DC/DC變換的原因：（1）輸出端和輸入端需要隔離；（2）某些應(yīng)用中的多路輸出之間需要隔離；（3）輸出電壓與輸入電壓的比值遠(yuǎn)小于1或者遠(yuǎn)大于 1；（4）交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、電容的體積和重量。為了減小環(huán)境噪聲，交流環(huán)節(jié)的工作頻率應(yīng)高于20kHz這一人耳的聽覺極限，一般工作在幾百kHz到幾千kHz。隔離型DC/DC變換電路分為： 單端（single end）電路 雙端（double end）電路 5.5.1 單端正激變換器單端

10、正激變換器 單端變換器是在降壓斬波電路中插入隔離變壓器構(gòu)成的，典型的單端正激變換器如下圖所示。降壓斬波電路 變壓器有三個繞組，N1是一次繞組，N2是二次繞組，N3是復(fù)位繞組，L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容， VD1是輸出整流二極管，VD2是續(xù)流二極管，VD3是復(fù)位繞組的串聯(lián)二極管。 電路中開關(guān)管V按PWM控制方式工作。V開通時，E加到變壓器原邊繞組N1上，N1中電流iN1線性上升（因原邊電壓恒定），變壓器鐵芯磁通增加，在副邊繞組N2中感應(yīng)出上正下負(fù)的電勢，使二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，L儲能，流經(jīng)其電流逐漸增大，變壓器向負(fù)載提供能量。這期間，復(fù)位繞組N3感應(yīng)出負(fù)電壓（下正上負(fù)），VD3截

11、止。V關(guān)斷時，變壓器原邊繞組N1極性變?yōu)橄抡县?fù)，副邊繞組N2極性也隨之發(fā)生變化（變?yōu)橄抡县?fù)），VD1關(guān)斷，L的電流因不能突變而經(jīng)VD2續(xù)流，L放能，流經(jīng)其電流逐漸減小。V關(guān)斷期間，變壓器中儲存的能量經(jīng)繞組N3（極性變?yōu)樯险仑?fù)）和復(fù)位二極管VD3回饋到電源。電流連續(xù)時5.5.2 雙管正激變換器雙管正激變換器 雙管正激變換器電路 全控型器件V1和V2同時通斷，當(dāng)V1和V2同時導(dǎo)通時，變壓器繞組N1產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓，二極管VD1和VD2反向偏置截止，變壓器二次繞組N2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，形成上正下負(fù)的電壓，使得VD3導(dǎo)通，VD4關(guān)斷，能量從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)，供給L、R、C。在此期間，變壓器的勵

12、磁電流線性增加。當(dāng)V1和V2同時關(guān)斷時，在變壓器勵磁電流的作用下，變壓器繞組N1產(chǎn)生上負(fù)下正的電壓，VD1和VD2導(dǎo)通，變壓器勵磁電流經(jīng)VD1和VD2續(xù)流開始逐漸減小，同時，二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，形成上負(fù)下正的電壓，使得VD3關(guān)斷，電感電流經(jīng)VD4續(xù)流，由電感供給負(fù)載能量。當(dāng)勵磁電流減小為零時，VD1和VD2截止。 5.5.3 單端反激變換器單端反激變換器 單端反激變換器電路 變壓器的一次繞組N1與二次繞組N2的同名端相反，C是輸出濾波電容。 采用PWM控制方式。當(dāng)全控型器件V開通時，變壓器原邊繞組N1有電流流通，并有上正下負(fù)的電壓，變壓器副邊繞組N2的同名端耦合出同樣極性（下正上負(fù)）的電壓，二

13、極管VD截止，流過繞組N1的電流i1線性增大，電感儲存能量；當(dāng)全控型器件V關(guān)斷時，電流i1變?yōu)榱?，二次繞組中產(chǎn)生反方向的感應(yīng)電勢，即形成上正下負(fù)的電壓，使二極管VD導(dǎo)通，變壓器中儲存的磁場能量通過繞組N2和二極管VD向負(fù)載釋放。 單端反激變換器電流連續(xù)時的工作波形圖 5.5.4 半橋變換器半橋變換器 隔離型半橋變換器電路 變壓器一次側(cè)的兩個端子分別與C1、C2和全控型器件V1、V2的中點相連；變壓器二次繞組帶有中心抽頭，構(gòu)成全波整流電路。變壓器二次繞組N2和一次繞組N1的匝數(shù)比為K=N2N1。設(shè)兩個電容器的容量相同，則電容器中點的電壓為E2。V1、V2交替導(dǎo)通，在變壓器一次側(cè)形成幅值為E2的交

14、變電壓，改變V1、V2的導(dǎo)通占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓uN2的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。為了避免上下兩個開關(guān)同時導(dǎo)通而造成短路，每個開關(guān)各自的占空比不能超過50%，且要留有足夠的裕量，這樣就出現(xiàn)了二者同時關(guān)斷的情況。 變換器波形圖 5.5.5 全橋變換器全橋變換器 隔離型全橋變換器電路 5.6 同步整流電路同步整流電路 5.6.1 同步整流電路概述同步整流電路概述 為了降低損耗提高電源效率，采用開關(guān)時間短、輸入阻抗高、導(dǎo)通壓降低的電力MOSFET來代替二極管完成整流。由電力MOSFET構(gòu)成的、與一次側(cè)開關(guān)器件電壓相位同步的整流電路就是同步整流電路（SR）。用于同步整流的MOSTET

15、要求具有雙向?qū)щ娞匦浴Ｍ秸鞴芗捌潆娐穲D形符號如下。 MOSFET實際上是一個雙向?qū)щ娖骷?，以往的?yīng)用中只利用了正向?qū)щ娞匦裕纬闪薓OSFET只能單向?qū)щ姷母拍?。由于MOSFET存在寄生二極管，在用作同步整流管SR時，將MOS管反接使用，即源極S接電源正端，相當(dāng)于二極管的陽極，漏極D接電源負(fù)端，相當(dāng)于二極管的陰極，當(dāng)MOS管在門極信號的作用下導(dǎo)通時，電流從源極S流向漏極D。 事實上，同步整流技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)的標(biāo)志，凡是高水平的開關(guān)電源，必定有同步整流技術(shù)。使用上，不再局限于5V、3.3V、2.5V、1.8V這些低輸出電壓領(lǐng)域，12V、15V、24V也在使用同步整流技術(shù)。 5.6

16、.2 同步整流電路的基本原理同步整流電路的基本原理半波同步整流電路及波形圖 上圖中，在u1的正半波，給SR的柵極施加控制信號ugs，則同步整流管導(dǎo)通，電流i由源極S流向漏極D。在此期間，電阻R兩端的電壓就等于u1。在u1的負(fù)半波，SR的柵極所施加控制信號ugs變?yōu)榱?，同步整流管關(guān)斷，電路斷開，電阻R兩端的電壓變?yōu)榱?。到下一個電源周期時，重復(fù)開通和關(guān)斷同步整流管，則負(fù)載R上就得到了半周期電壓，從而實現(xiàn)了半波整流。在該電路中，電源電壓與SR的柵極控制信號是同步變化的。因SR中存在體二極管，圖中電路還會出現(xiàn)另一種工作狀態(tài)。即電路工作時，如果不給柵極施加控制信號，電路仍會在電壓周期的正半波由電源、電阻

17、R、體二極管構(gòu)成回路。不過此時SR的體二極管的正向?qū)▔航岛头聪蚧謴?fù)時間都較大，故在這種情況下，整流過程產(chǎn)生的損耗將會明顯增加。這也是同步整流管的源極S接電源正端的原因。 5.7 分布式電源分布式電源 電源發(fā)展的一個重要方向是模塊化。在DC/DC變換技術(shù)的基礎(chǔ)上，將一個完整的電源系統(tǒng)通過高效率的設(shè)計與高密度的安裝技術(shù)封裝在一個較小的空間內(nèi)，使電源模塊化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，就可以將其作為一個類似電阻外形的標(biāo)準(zhǔn)單元器件安裝在電路板上為系統(tǒng)供電。這種電源能夠有效地減少所占電路板和系統(tǒng)設(shè)備的空間，具有體積小、重量輕、運行效率高等優(yōu)點，其電源效率一般在80%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的線性電源（效率一般只有35%40%）。 模塊分布式供