電子電力技術(shù)第4章

1、第4章 直流-直流變換器 主要內(nèi)容：n降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、在電流連續(xù)和斷續(xù)模式下的各物理量之間的函數(shù)關(guān)系；n全橋式直流-直流變換器在單極性和雙極性控制方式時(shí)的工作原理；n影響直流-直流變換器輸出電壓紋波的因素；n幾種不同變換器的開關(guān)利用率。 4.1 簡(jiǎn) 介直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。直流-直流變換器主要有如下幾種基本型式：n1. 降壓直流-直流變換器(Buck Converter)n2. 升壓直流-直流變換器(Boost Converter)n3. 降壓-升壓

2、復(fù)合型直流-直流變換器(Buck- Boost Converter)n4. 丘克直流-直流變換器 n5. 全橋式直流-直流變換器(Full Bridge Converter) 4.2 直流-直流變換器的控制 n基本的直流-直流變換器和它的輸出波形 n開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關(guān)管斷開時(shí)，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為 (4-1)式中 Ts開關(guān)周期 D開關(guān)占空比，n改變負(fù)載端輸出電壓有3種調(diào)制方法：1開關(guān)周期Ts保持不變，改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton。也稱為脈寬調(diào)制(PWM)。n2開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton保持不變，改變開關(guān)周期Ts。n3. 改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)

3、間ton，同時(shí)也改變開關(guān)周期Ts。 ddsonsondon0so 01UDUTtdtdtUTUTttsonTtD n方式1的PWM是最常見的調(diào)制方式，這主要是因?yàn)楹?種方式改變了開關(guān)頻率，而輸出級(jí)濾波器是根據(jù)開關(guān)頻率設(shè)計(jì)的，顯然，方式1有較好的濾波效果。 n圖4-2(a)是脈寬調(diào)制方式的控制原理圖。給定電壓與實(shí)際輸出電壓經(jīng)誤差放大器得到誤差控制信號(hào)uco，該信號(hào)與鋸齒波信號(hào)比較得到開關(guān)控制信號(hào)，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到期望的輸出電壓。圖4-2(b)給出了脈寬調(diào)制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關(guān)頻率。一般選擇開關(guān)頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。 n按照控制電壓和鋸齒波幅值的關(guān)系，開關(guān)占空

4、比D可以表示成： (4-2)n直流-直流變換器有兩種不同的工作模式： 1. 電感電流連續(xù)模式n2. 電感電流斷續(xù)模式n在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，設(shè)計(jì)變換器和它的控制器參數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮這兩種不同的工作模式的特性。 stcosonUuTtD4.3 降壓變換器 n降壓變換器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。n在實(shí)際應(yīng)用中，有如下問題：1實(shí)際的負(fù)載應(yīng)該是感性的。即使是阻性負(fù)載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因此，圖4-1的電路可能由于電感上的感應(yīng)電壓毀壞開關(guān)管。采用圖4-3的電路，則電感中儲(chǔ)存的電能可以通過二極管續(xù)流釋放給負(fù)載

5、； 2在大多數(shù)應(yīng)用中需要的是平穩(wěn)的直流電壓。而圖4-1的電路輸出電壓在0和Ud間變化。采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓。 n圖4-3 降壓變換器電路原理圖 n圖(a)所示的輸入電壓Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有開關(guān)頻率fs的諧波分量，如圖(b)所示。n采用由電感和電容組成的低通濾波器的特性如圖(c)所示。低通濾波器的角頻率fc應(yīng)大大低于開關(guān)頻率fs，經(jīng)過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關(guān)頻率造成的紋波。假設(shè)輸出端的濾波電容足夠大，則輸出電壓的瞬時(shí)值不變，即uo=Uo。在穩(wěn)態(tài)情況下，因?yàn)殡娙蓦娏髌骄禐?，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值Io。 4.3.1

6、電流連續(xù)模式時(shí)的工作情況 n在開關(guān)管導(dǎo)通期間ton，輸入電源經(jīng)電感流過電流，二極管反偏。這導(dǎo)致在電感端有一個(gè)正向電壓uL=Ud-Uo，如圖4-5(a)所示。這個(gè)電壓引起電感電流iL的線性增加；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中儲(chǔ)存電能，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，iL經(jīng)二極管繼續(xù)流動(dòng)，uL= -Uo，電感電流下降，如圖4-5(b)所示。輸出電壓 (4-5)n因此，在電流連續(xù)模式中，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓Uo隨占空比而線性改變，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。 DTtUUsondo忽略電路所有元件的能量損耗，則因此故有 (4-6) 因此，在電流連續(xù)模式下，降壓變換器相當(dāng)于一個(gè)直流變壓器，通過控制開關(guān)的占空比，

7、可以得到要求的直流電壓。 由式(4-6)有，輸入電流平均值Id與輸出電流Io是變比的關(guān)系，但當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，瞬時(shí)輸入電流從峰值跳變到0，這樣對(duì)輸入電源會(huì)有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臑V波器用來消除不必要的電流諧波。 odPP ooddIUIUDUUII1oddo4.3.4 輸出電壓紋波 n在前面的分析中，假設(shè)輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實(shí)際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續(xù)模式下的輸出電壓的波形如圖4-10所示。n電壓紋波的峰-峰值Uo為: (4-24)n式(4-24)表明：通過選擇輸出端低通濾波器的角頻率fc，使fcutri，VTB+和VTA

8、-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通；否則VTA+和VTB-斷開，VTB+和VTA-導(dǎo)通。 n雙極性控制方式下的工作過程為：在負(fù)載電流比較大的情況下，當(dāng)ucoutri，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，直流電源經(jīng)過VTA+、負(fù)載和VTB-構(gòu)成電流回路，輸出電壓uo=Ud，電流上升；當(dāng)ucoutri，使VTA+和VTB-斷開，觸發(fā)VTB+和VTA-，由于是感性負(fù)載，電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDB+和VDA-續(xù)流，VTB+和VTA-不能導(dǎo)通，輸出電壓uo= -Ud，同時(shí)電流下降；直至下一個(gè)周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。 n在負(fù)載電流較小的情況下，在ucoutri，控制信號(hào)使VT

9、B+和VTA-斷開，觸發(fā)VTA+和VTB-，由于電感電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDA+和VDB-續(xù)流，使VTA+和VTB-不能導(dǎo)通，uo=Ud，同時(shí)電流上升，直至電流上升到0，VDA+和VDB-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通，由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。 n圖4-26 雙極性PWM方式時(shí)的工作波形 n輸出電壓Uo、占空比D、控制電壓uco之間的函數(shù)關(guān)系 (4-66)將式(4-64)代入式(4-66)中得： (4-67) 式中 n式(4-67)表明，與前面介紹的變換器相似，全橋式開關(guān)模式變換器輸出電壓平均值與輸入控制信號(hào)是線性關(guān)系。事實(shí)上，當(dāng)考慮同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管有導(dǎo)通延遲時(shí)間時(shí)，輸出電壓Uo與

10、控制電壓uco的關(guān)系有輕微的非線性。 UDUDUDUUUd1d2d1BNANo) 12(cocotridokuuUUUconstanttridUUkn輸出電壓的波形顯示輸出電壓從+Ud變到-Ud。這就是為什么稱這種控制方式為雙極性PWM控制方式的原因。n當(dāng)控制電壓uco的大小和極性變化時(shí)，式(4-64)中的占空比D1從0到1之間變化，輸出電壓平均值Uo在-Ud到+Ud之間變化。n當(dāng)Io0時(shí)，平均功率從輸入U(xiǎn)d向輸出Uo傳遞；當(dāng)Ioutri ，則關(guān)斷VTA-，觸發(fā)VTA+ (4-68a)n如果ucoutri ，則關(guān)斷VTB-，觸發(fā)VTB+ (4-69a)n如果-ucoutri，且-ucoutri

11、 ，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，輸入電源Ud經(jīng)過VTA+、負(fù)載和VTB-構(gòu)成電流回路，uo=-Ud，電流上升；n當(dāng)ucoutri，且-ucoutri，使VTB-斷開，觸發(fā)VTB+，由于是感性負(fù)載，電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VTA+和VDB+續(xù)流，使VTB+不能導(dǎo)通，uo=0，同時(shí)電流下降；直至下一個(gè)周期觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通。由此循環(huán)往復(fù)周期性的工作。 n圖4-27單極性PWM方式時(shí)的工作波形 n輸出電壓平均值Uo為 (4-72)n由式(4-72)可以看出，單極性控制方式的輸出電壓平均值Uo與控制電壓uco成線性關(guān)系。n當(dāng)Io0時(shí)，平均功率從輸入U(xiǎn)d向輸出Uo傳遞；當(dāng)Io0時(shí)，平均功率從

12、輸出Uo向輸入U(xiǎn)d傳遞。 n如果兩種控制方式的開關(guān)頻率相同，則由于單極性脈寬調(diào)制控制方式的輸出電壓波形的頻率是雙極性脈寬調(diào)制控制方式的2倍，因此前者有著較好的頻率響應(yīng)和較小的輸出電壓紋波。 cotridd1d2d1BNANo) 12(uUUUDUDUDUUUn (a) 雙極性控制方式：輸出電壓紋波為： (4-74)n (b) 單極性控制方式：輸出電壓紋波為： (4-77)n圖4-28中給出了在雙、單極性控制方式下輸出電壓紋波Ur，rms/Ud與占空比D的函數(shù)關(guān)系曲線。由圖可見，單極性控制方式有著較小的輸出電壓紋波。 DDUDUUUU211d21d2o2rms,orms, r2) 12(1246

13、211d2o2rms,ormsr,DDUUUUn圖4-28 輸出電壓紋波Ur，rms與輸出電壓Uo的函數(shù)關(guān)系曲線 4.7 直流-直流變換器的比較 n圖4-29 不同的直流-直流變換器的開關(guān)利用率 n從圖4-29可以看出，升壓變換器和降壓變換器的開關(guān)利用率比較高，復(fù)合型變換器和全橋式變換器的開關(guān)利用率很低。n因此，從變換器的開關(guān)利用率考慮，通常采用升壓變換器或降壓變換器。只有在要求輸出電壓在比輸入電壓高和低的范圍調(diào)節(jié)，或者要求有負(fù)的輸出電壓時(shí)，考慮采用復(fù)合型變換器。只有要求變換器必須在四個(gè)象限運(yùn)行時(shí)，才使用全橋式直流-直流變換器。 4.8 直流開關(guān)電源的應(yīng)用 n直流-直流變換器主要應(yīng)用在可調(diào)的直

14、流電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般不加隔離變壓器，因此前幾節(jié)介紹的幾種主要直流-直流變換器可以直接應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中；而開關(guān)模式直流電源通常需要加入隔離變壓器，直流開關(guān)電源常常需要滿足下面的要求：1當(dāng)輸入電壓和負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓必須能在容差范圍內(nèi)保持不變或輸出電壓可調(diào)。2輸出與輸入之間需要電氣隔離。 3某些場(chǎng)合可能要求有多路輸出電壓，有些場(chǎng)合要求各輸出間也要電氣隔離。 4.8.1 帶有電氣隔離的直流-直流變換器 n輸入交流電經(jīng)二極管整流器整流成不可調(diào)的直流電壓。在輸入處用了一個(gè)抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾。直流-直流變換器把固定的直流電經(jīng)脈寬調(diào)制變換成高頻脈沖電壓，然

15、后通過隔離變壓器副邊的整流和濾波電路得到直流電壓Uo。由PWM控制器驅(qū)動(dòng)直流-直流變換器的開關(guān)管，通過反饋控制得到要求的直流輸出電壓。反饋控制電路的電氣隔離可以通過變壓器也可以用光電耦合器實(shí)現(xiàn)。 n圖4-30 直流開關(guān)電源的組成框圖 小 結(jié)n本章討論了幾種主要型式的直流-直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除了全橋式直流-直流變換器以外，其他變換器只能在電壓-電流相平面的單象限運(yùn)行，即功率只能單方向傳遞。而全橋式直流-直流變換器可以在四個(gè)象限運(yùn)行。 在負(fù)載電流較小的情況下，n在ucoutri，且-ucoutri，使VTA-斷開，觸發(fā)VTA+，由于電感電流不能突變，因此負(fù)載電流經(jīng)VDA+和VDB-續(xù)流，使VTA+不能導(dǎo)通，uo=Ud，同時(shí)電流上升，直至電流上升到0，VDA+和VDB-斷開，VTA+和VTB-導(dǎo)通。