北京交通大學電力電子技術(shù)第05章直流斬波器DCDC變換器

1、電力電子技術(shù)Power Electronics Technology Spring 2006電 氣 工 程 學 院 陳 洛 忠第五章 直流斬波器（ DC-DC變換器 ）概 述1、直流電壓的調(diào)節(jié)方式（1）線性調(diào)節(jié)方式 通過與負載相串聯(lián)的線性元件來調(diào)節(jié)電壓 損耗大、效率低（2）開關(guān)調(diào)節(jié)方式通過電子開關(guān)的閉合/斷開來調(diào)節(jié)電壓電阻負載降壓變換器2、直直變換器屬開關(guān)調(diào)節(jié)方式3、直直變換技術(shù)的應用直流調(diào)速系統(tǒng)：如地鐵動車、無軌電車、其它 蓄電池供電的電動車輛等，在 此領(lǐng)域稱直流斬波技術(shù)開關(guān)電源：如通信電源、電腦、移動電話電源 等，在此領(lǐng)域稱直直變換技術(shù)4、直流斬波器的分類：根據(jù)輸入、輸出電壓大小降壓型 U

2、0 Ui Boost 型升降壓型 Buck-Boost 型 Cuk 型根據(jù)輸出電壓、輸出電流方向第一象限 U0 0 , I0 0第二象限 U0 0 , I0 0兩象限四象限根據(jù)是否帶隔離變壓器不帶隔離變壓器和帶隔離變壓器5、本章將討論直直變換器的工作原理和穩(wěn)態(tài)工作特性，在分析過程中基于如下幾點假設(shè)：電路中的開關(guān)管、二極管均為理想器件電路中的電感、電容均為理想器件直流輸入電源為理想的恒壓電源輸出電壓的紋波遠小于輸出平均電壓6、本章要求：熟悉直流變換電路的工作原理及控制方法，掌握四種基本DC/DC變換電路的工作原理、連續(xù)導電模式時的波形分析及電量計算方法了解多相多重型斬波電路、多象限斬波電路的工作

3、原理及控制方法了解帶隔離變壓器的DC/DC變換電路的工作原理7、重點：掌握各種DC/DC變換電路的工作原理、波形分析和電量計算直流斬波器的應用：直流電機調(diào)速直流電壓變換（開關(guān)電源）直流電壓隔離3. 1 工作原理及控制方式3. 1. 1 直流斬波器的工作原理 S ： 斬波開關(guān) D ： 續(xù)流二極管 S閉合： uLD = US S斷開： uLD = 0負載電壓平均值：斬波開關(guān)導通比（占空比）：0 1 ，0 ULD US0 t ton : ton t T :3.1.2直流斬波器的控制方式 基本控制方式：調(diào)節(jié) ton / T 定頻調(diào)寬控制（PWM）T 不變，調(diào)節(jié) ton 定寬調(diào)頻控制（PFM）ton 不

4、變，調(diào)節(jié) T toff 不變，調(diào)節(jié) ton 和 T 調(diào)頻調(diào)寬混合控制 反饋控制方式： 瞬時值控制（邊帶控制、bang-bang控制） 當 i Imax時，S 關(guān)斷 特點： 輸出電流(電壓)紋波恒定 響應速度快 開關(guān)頻率變化較大平均值控制電壓反饋控制或電流反饋控制 當 Uf Ur 時，減小ton ， U0 下降特點：開關(guān)頻率固定，易于濾波，響應較慢5. 1 降壓變換器（BUCK變換器）一、電路與工作原理1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理S閉合，Ud通過L向R供能，iL增大，L儲能增加S斷開， iL通過D續(xù)流，L上的能量消耗在R上， iL下降Uo=0 Ud 視iL是否連續(xù)，可分為連續(xù)導電模式和不連續(xù)導電模式

5、功率開關(guān)器件濾波電容儲能電感續(xù)流二極管二、連續(xù)導電模式1、波形分析穩(wěn)態(tài)時，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=IL忽略電路損耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo2、電量計算因為所以得：由得：5. 2 升壓變換器（BOOST變換器）一、 電路與工作原理1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理S閉合，Ud向L充電，iL增大，負載由C供電S斷開， iL通過D向C和R供電， iL下降Uo= Ud視iL是否連續(xù)，可分為連續(xù)導電模式和不連續(xù)導電模式儲能電感濾波電容二、連續(xù)導電模式1、波形分析穩(wěn)態(tài)時，Uo基本恒定，IC=0，UL=0， I0=ID ， Id=IL 忽略電路損耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo2、電

6、量計算穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)L積蓄能量與釋放能量相等：5. 3 升降壓變換器（BUCK-BOOST變換器）一、電路結(jié)構(gòu)與工作原理1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理S閉合，Ud向L充電，iL增大，負載由C供電S斷開， iL通過D向C和R供電， iL下降Uo=0 視iL是否連續(xù)，可分為連續(xù)導電模式和不連續(xù)導電模式二、 連續(xù)導電模式1、波形分析穩(wěn)態(tài)時，Uo基本恒定，IC=0，UL=0， I0=ID 忽略電路損耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo2、電量計算5. 4 丘克變換器（CUK變換器）一、 電路結(jié)構(gòu)與工作原理1、電路結(jié)構(gòu)L1、C1為能量傳遞元件L2、C2為濾波元件2、工作原理S閉合，D截止，Ud向L1充

7、電，iL1增大， C1向L2 、 C2和負載供電， iL2增大S斷開，D導通，Ud和L給C1充電， iL1下降，負載由L2和C2供電， iL2下降Uo=0視iL1是否連續(xù)，可分為連續(xù)導電和不連續(xù)導電模式二、連續(xù)導電模式1、波形分析穩(wěn)態(tài)時， UC1 、Uo基本恒定，IC1=0， IC2=0， UL1=0， UL2=0忽略電路損耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoId=IL1，Io=IL22、電量計算課 堂 思 考 1、在丘克DCDC變換器中，傳遞能量的元件是 。2、在BOOST電路中，若輸入電壓Ui=10.0V，占空比D=0.7，則輸出電壓Uo= 。 3、判斷對錯（1）BuckBoost DC

8、DC變換器： 在連續(xù)工作狀態(tài)下，輸入電流是連續(xù)的 屬于一象限D(zhuǎn)CDC變換器 在連續(xù)工作狀態(tài)下，若輸入電壓一定，則變換器輸出電壓與占空比呈線性關(guān)系 是升降壓DCDC變換器 連續(xù)工作狀態(tài)是指負載電流連續(xù)（2）DC-DC變換電路中，器件開關(guān)頻率越高，輸出電壓的脈動越小。（3）在DC-DC變換電路中，輸出濾波電容越大，輸出電壓的脈動越小。（4）在DC-DC變換電路中，輸入電壓越高，輸出電壓的脈動越小。 5.15.4 小結(jié)1、直流直流（DCDC）變換器把一種直流電變換成另一種直流電的電力電子裝置2、 DCDC變換器的分類、基本控制方法3、 DCDC變換器的工作頻率（開關(guān)器件的開關(guān)頻率）、輸出濾波電容對輸

9、出電壓脈動（紋波）的影響4、對四種基本DCDC變換器的要求： 能畫電路圖、并能敘述其工作原理 能畫各元件上的電壓、電流波形（重點是uL、iL波形，難點是ic波形） 會推導Uo/Ud=f(D)的關(guān)系式和iL的表達式5 . 5 帶隔離變壓器的直直變換器開關(guān)電源的基礎(chǔ)：由基本直直變換器派生而來由降壓變換器派生的電路 單端正激變換器 混合橋式變換器 電壓型推挽變換器 電壓型半橋變換器 電壓型全橋變換器 由升壓變換器派生的電路 電流型推挽變換器 由升-降壓變換器派生的電路 單端反激變換器 一、正激式（Forward）變換器（一）理想單端正激式變換器不考慮變壓器激磁電抗和漏抗2、工作原理 S閉合 ：D1正

10、偏導通， D2反偏截止，uL0 ，iL線性增大； S斷開：D2續(xù)流，uL0 ，iL線性減小。1、電路結(jié)構(gòu)3、單端變換器必須遵循的原則：磁通復位（去磁）原則 要求在每個周期結(jié)束時，變壓器磁芯中的磁通增量為零（即磁通復位），否則磁通將不斷增加，導致磁芯飽和，造成開關(guān)管損壞（二）實用單端正激式變換器1、電路結(jié)構(gòu)N1：原邊繞組；N2：副邊繞組；N3：去磁繞組2、工作原理S閉合：D1導通，D2、D3截止， iL 、im線性增長S斷開，去磁期間：D1截止，D2、D3導通， iL 、 im線性減小， im經(jīng)N3、D3反饋到電源Ud中斷開，去磁以后：D1 、D3截止，D2導通， iL線性減小3、基本關(guān)系： 承

11、受最大電壓： D1承受最大電壓： D2承受最大電壓： D3承受最大電壓： 通常?。?N3 = N1（三）雙管單端正激式變換器二、反激式（Flyback）變換器1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理3、波形分析4、基本關(guān)系 承受最大電壓： D承受最大電壓： 三、推挽式（Push-pull）變換器1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理T1導通、T2截止：D1正偏導通，D2反偏截止，iD1=iL線性增長，iD2=T1截止、T2導通：D1反偏截止，D2正偏導通，iD2=iL線性增長，iD=T1、T2截止： D1、D2續(xù)流， iL線性下降。若不考慮激磁電流，則iD1= iD2=iL/2根據(jù)iL是否連續(xù)可分為連續(xù)工況和斷續(xù)工況3、主

12、要波形4、基本關(guān)系 原邊T承受最大電壓：原邊承受最大電壓：副邊D承受最大電壓： 如果兩個開關(guān)導通時間不對稱，使會變壓器中存在直 流分量，因此容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和四、半橋式（Half-bridge）變換器1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理和主要波形：均與推挽式類似4、基本關(guān)系 原邊T承受最大電壓：副邊D承受最大電壓：由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導通 時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有 自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流 磁飽和五、全橋式（Full-bridge）變換器1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理和主要波形：均與推挽式類似4、基本關(guān)系 原邊T承受最大電壓： 副邊D承受最大電壓： 如果T1、T4與T2、T3的導通時間不對稱，則交流電壓uT 中將含有直流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直 流分量的產(chǎn)生，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以 阻斷直流電流五種帶隔離變壓器的DC/DC電路的比較電路結(jié)構(gòu)變壓器利用率（單端、雙