第五章DCDC變換器

第5章

直流/直流變換器15直流/直流變換器5.0直流斬波電路5.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）

5.2

直流/直流升壓變換器（BoostDC/DC變換器）

5.3

直流升壓－降壓變換器（Boost-Buck變換器或Cuk變換器）5.4復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐分绷鲾夭娐罚―CChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流。DC—DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。復(fù)合斬波電路——不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。占空比

開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期之比定義為開(kāi)關(guān)的占空比D，占空比D可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

5.1直流/直流降壓變換器（BuckDC/DC變換器）

5.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理5.1.2電感電流連續(xù)時(shí)工作特性5.1.3電感電流斷流時(shí)工作特性5.1.1電路結(jié)構(gòu)和降壓原理

Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及降壓原理圖5.1(a)所示Buck變換器有兩種可能的運(yùn)行工況：電感電流連續(xù)模式(ContinuousCurrentMode)和電感電流斷流模式（DiscontinuousCurrentMode）。電感電流連續(xù)是指圖5.1(a)中電感電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都不為零；電感電流斷流是指在開(kāi)關(guān)管T阻斷的期間后期一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)二極管續(xù)流的電感電流已降為零。處于這兩種工況的臨界點(diǎn)稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，這時(shí)在開(kāi)關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。圖5.2(e)、(f)示出了電流連續(xù)和電流斷流兩種工況時(shí)的電壓、電流波形。本節(jié)分析電流連續(xù)時(shí)Buck變換器的工作特性。CCMDCMLiSToffT5.1.2電感電流連續(xù)時(shí)工作特性圖5.2Buck變換器電路圖及其主要波形在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，流過(guò)電感的電流均不為零，被稱為電流連續(xù)工況。這時(shí)Buck電路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期期間輸出電壓波形為寬度為、數(shù)值為的矩形波電壓。電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和工作波形lvOvSi+-liCiOiSV(b)開(kāi)關(guān)狀態(tài)1，T導(dǎo)通D截止等值電路CLRRDSVoi+-lilv(c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路TovLCTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoottttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv變壓比、導(dǎo)通比的定義

變壓比顯然與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通比都有關(guān)系，他們之間的關(guān)系可用多種方法推導(dǎo)。導(dǎo)通比（占空比）：變壓比：用波形積分的方法求變壓比vEO的直流分量V0為:CTEGRLODSVSigVovoiFoI(a)電路tgVonTonToffTsT(b)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV=(c)輸出電壓波形2sT-2sTsTp2ODi用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量周期性函數(shù)可以分解為無(wú)限項(xiàng)三角級(jí)數(shù)——付立葉級(jí)數(shù)：用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量F(ωt)也可表達(dá)為：用傅立葉分解方法求變壓比和諧波分量

在許多實(shí)際的電力電子變換器中，由于電路開(kāi)關(guān)通-斷狀態(tài)在時(shí)間上的對(duì)稱性，使電壓、電流波形具有某些特定的對(duì)稱性，從而使其付立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式中某些項(xiàng)系數(shù)為零，且其它項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算也變得比較簡(jiǎn)單。物理上這種情況就是這時(shí)電流或電壓波形中不存在某些電流或電壓分量。比如：偶函數(shù)（奇函數(shù)）：正弦（余弦和常數(shù)）項(xiàng)系數(shù)為零；半波對(duì)稱(鏡對(duì)稱)函數(shù)（奇諧波函數(shù)）：偶次諧波為零；直流分量、基波、諧波、紋波在直流電路中分解后的常量可看成所需要的直流量，諧波都是不需要的量。RSVTEGDSigVoioiCCibuck電路圖+-+-LLilvovEOvCoo諧波一般用濾波器濾掉,濾波器的輸出電壓有紋波。在交流電路中一般不會(huì)有直流分量，分解出的最低次諧波常常稱為基波，其他諧波一般都是不需要的分量。濾波RSVTEGDSigVoioiCCibuck電路圖+-+-LLilvovEOvCoo濾波器電抗對(duì)諧波的阻抗為：濾波器電容對(duì)諧波的阻抗為：直流量通過(guò)濾波器時(shí)其大小不受任何影響。如果：各諧波經(jīng)過(guò)濾波器后幾乎衰減為零。用開(kāi)關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)條件求變壓比

在開(kāi)關(guān)電路中，常常利用電路前一周期初始狀態(tài)與后一周期初始狀態(tài)相同這一條件來(lái)求電路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行表達(dá)式。電感電流、電感磁鏈電容電壓、電容電荷用電感電流表達(dá)式求變壓比T導(dǎo)通、D截止TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCooSi+-lilvCioiSVovCLR用電感電流表達(dá)式求變壓比T截止、D導(dǎo)通TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo(c)開(kāi)關(guān)狀態(tài)2，D導(dǎo)通T阻斷等值電路RDSVoi+-lilvTovLC用電感電流表達(dá)式求變壓比穩(wěn)態(tài)時(shí)：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv輸出電壓波動(dòng)量計(jì)算電容C在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiivTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo降壓電路的控制方法(2)PFM（PulseFrequencyModulation）

導(dǎo)通時(shí)間不變，導(dǎo)通的周期變化，導(dǎo)通比D也能發(fā)生變化，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的，但D的變化范圍有限。輸出電壓、輸出電流中的諧波頻率不固定，不利于濾波器的設(shè)計(jì)。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制是DC/DC電路中最常用的控制方法。

(1)PWM（PulseWidthModulation）周期不變，導(dǎo)通的時(shí)間變化，即導(dǎo)通比D改變從而改變變壓比，控制輸出電壓。5.1.3電感電流不連續(xù)時(shí)電路的運(yùn)行狀態(tài)

前面的分析都是基于電路工作中電感電流始終連續(xù)來(lái)分析的，當(dāng)運(yùn)行中電流不連續(xù)時(shí)，電路就會(huì)出現(xiàn)第三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此時(shí)T、D都截止。

RDSVoi(d)開(kāi)關(guān)狀態(tài)3，T阻斷D截止等值電路TCovTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck電路圖+-+-LLilvovEOvCoo電感電流不連續(xù)對(duì)運(yùn)行的影響tttttt(f)電感電流斷流時(shí)主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvSvovsTsoffTDT1'=sonDTT=Sv斷流后：電感臨界連續(xù)電流計(jì)算臨界連續(xù)時(shí)：電感電流波形圖tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII<(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=okI>5.2直流-直流升壓變換器（Boost變換器）+110VRSV+-oV220V++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+-理想Boost變換器的

開(kāi)關(guān)狀態(tài)和工作波形理想Boost變換器的變壓比理想Boost變換器的變壓比工作電流的平均值表達(dá)式假定負(fù)載電流平均值為IO輸入電流和電感電流的電流平均值均為：通過(guò)二極管的電流ID等于負(fù)載電流IO（電容的平均電流為零）通過(guò)開(kāi)關(guān)管T的電流平均值為：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11(e)電感電流連續(xù)時(shí)波形圖oonTsToffT+LDTCRSVLiDiciov工作電流的其他表達(dá)式電感電流的脈動(dòng)量為：通過(guò)開(kāi)關(guān)管T和D的電流最大值與電感電流的最大值相等：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11oonTsToffT+LDTCRSVLiDicioV理想Boost變換器輸出電壓紋波的大小輸出電壓脈動(dòng)等于開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通期間電容C的電壓變化量。可近似地由下式確定：理想Boost變換器開(kāi)關(guān)器件所承受的最大電壓

T和D所承受的最大電壓理想情況下均與輸出電壓相等。電感電流連續(xù)—臨界連續(xù)—不連續(xù)一個(gè)周期結(jié)束時(shí)電流大于零一個(gè)周期結(jié)束時(shí)電流剛好等于零一個(gè)周期未結(jié)束時(shí)電流就等于零圖3.3電感電流波形圖tgvLiLIonTttLiLKI(a)(b)tLiLI(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=LK>ILK<I電感臨界連續(xù)電流電感電流臨界連續(xù)工況波形圖電感電流斷流的影響B(tài)OOST電路的運(yùn)行與控制BOOST電路運(yùn)行中一般也使用PWM控制；BOOST電路不能空載運(yùn)行；BOOST電路運(yùn)行時(shí)占空比不能接近1；BOOST電路輸入電流脈動(dòng)較小，運(yùn)行中對(duì)電源的擾動(dòng)小。5.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路升降壓斬波電路

(buck-boostChopper)電路結(jié)構(gòu)基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。3.1.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路數(shù)量關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即

所以輸出電壓為：（3-41）V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo

上圖b中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有：

由上式得：

結(jié)論當(dāng)0<a<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<a<1時(shí)為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。

otb)oti1i2tontoffILIL5.3升降壓斬波電路和Cuk斬波電路2)Cuk斬波電路V通時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有電流。V斷時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。電路相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。

Cuk斬波電路及其等效電路a）電路圖b）等效電路同理：數(shù)量關(guān)系

V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1

toff。由此可得：

優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。5.4復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?.4.1

電流可逆斬波電路5.4.2

橋式可逆斬波電路5.4.3

多相多重?cái)夭娐?.4.1

電流可逆斬波電路復(fù)合斬波電路——降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成

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)。降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動(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。此電路電動(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。電流可逆斬波電路電路結(jié)構(gòu)a)電路圖V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，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，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過(guò)程（三種工作方式)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)一種斬波電路電流斷續(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)。電路響應(yīng)很快。

電流可逆斬波電路及波形5.4.2橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路——兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。

橋式可逆斬波電路

使