電力電子技術(shù)課件直流變換器

電力電子技術(shù)課件直流變換器第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.1概述3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）3.4直流降壓-升壓變換器（BUCK-BOOST變換器）3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）3.6兩象限、四象限直流-直流變換器3.7單端正激變換器和單端反激變換器1直流直流變換器2第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日一、基本概念DC-DC變換器定義:只對直流參數(shù)進行變換的電路3.1概述3第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日一般結(jié)構(gòu)：完成的功能：直流電幅值變換直流電極性變換3.1概述(續(xù)1)4第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日二.理想直流變換器應(yīng)具備的性能1.輸入/輸出端的電壓均為平滑直流,無交流諧波分量2.輸出阻抗為零3.1概述（續(xù)2）5第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.快速動態(tài)響應(yīng),抑制干擾的能力強4.高效率/小型化3.1概述（續(xù)3）6第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）

一、BUCK電路拓撲T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，當時，T導通。D：續(xù)流二極管。L和C組成LPF。7第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、工作原理當時，控制信號使得T導通，D截止，向L充磁,向C充電；當時，T截止，D續(xù)流，U0靠C放電和L中電流下降維持。3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)1）8第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、主要波形兩種理解方式：能量存儲/電氣工程濾波功能/電信工程3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)2）9第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日四、假設(shè)及參數(shù)計算1.T，D均為理想器件2.L較大，使得在一個周期內(nèi)電流連續(xù)且無內(nèi)阻3.直流輸出電壓U0為恒定4.整個電路無功耗5.電路已達穩(wěn)態(tài)3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)3）10第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日(一)、晶體管T導通工作模式（0≤t≤t1=KT）(二)、二極管D導通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）得：3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)4）11第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日若假定Buck電路為無損的，則有即開關(guān)周期T可表示為可求得的表達為

或3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)5）12第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日因此，電容上電壓峰-峰脈動值為得或3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)6）13第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日五、分析方法小結(jié)1、定性畫出關(guān)鍵波形；2、由于LC網(wǎng)路的輸入是方波，采用分時區(qū)線性化處理3、理想化處理：器件、電源和負載；4、在DC/DC變換器中，降階處理：假定電容上的端壓為恒定值，將二階微分方程降為一階微分方程5、穩(wěn)態(tài)條件下的的兩個重要定律：電感伏秒平衡：電容電荷平衡：3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)7）14第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日問題1：BUCK電路中，L、C對電感電流iL脈動大小和輸出電容電壓uc的脈動大小分別有何影響？LIL，CUCfI，UCI，UC

確定，則：fC，L3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)8）15第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日六、電流斷續(xù)時的狀況1、求Av根據(jù)伏秒平衡律：2、求Dp平均電流：3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)9）16第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日解得：3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)10）17第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日七、典型應(yīng)用3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)11）18第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日作業(yè)1、比較CCM和DCM工作時，電壓增益和電流增益公式，電感上電壓的差別。2、試述CCM和DCM工作的優(yōu)缺點。3.2直流-直流降壓變換器（BUCK變換器）（續(xù)12）19第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）一、BOOST電路拓撲20第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)1）二、工作原理當21第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)2）22第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、主要波形3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)3）23第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

四、參數(shù)計算（一）、晶體管T導通工作模式（0≤t≤t1=KT）（二）、二極管D導通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）可得：將代入上式，則求得3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)4）24第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日說明:1)

K0<1，AV>1，所以U0>Ud，是升壓電路。2)可以調(diào)壓。

兩種模式：能量的傳輸模式1：0<t<KT，T/on，D/off，電流iL升高，等效電路：模式2：KT<t<T，T/off，D/on，電流iL降低，等效電路：3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)5）25第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日設(shè)BOOST電路是無損的在0—t1期間，二極管D截止，電容C向負載提供能量，電容電壓的脈動量取決于在這期間電容上釋放的電荷量，當輸出電壓的脈動量遠小于輸出電壓時，負載電流的脈動量可以忽略。則電容電壓的脈動量為或3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)6）26第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日五、典型應(yīng)用(1)3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)7）27第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日六、典型應(yīng)用(2)作業(yè)：1.設(shè)計一個BUCK變換器并進行仿真，條件：f=25KHz，Ui=300v，Uo=150v，Io=6A，Io=1A，Upp=10v；2.設(shè)計一個BOOST變換器，條件：

f=100KHz，Ui=150v，Uo=300v，Io=6A，IL=1A，Upp=10v。3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)8）28第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日思考題及作業(yè)1、BOOST電路能否空載運行？空載運行會帶來什么問題？2、BOOST電路啟動過程通常采用軟啟動，即占空比逐步增大的方法，為什么？3、在啟動過程，BOOST電路的主電路和控制電路的時序為主電路先于控制電路工作，為什么？3.3直流-直流升壓變換器（BOOST變換器）（續(xù)9）29第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.4直流降壓升壓變換器(Buck-Boost變換器)30第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.4直流降壓升壓變換器(Buck-Boost變換器)（續(xù)1）一、電路輸入和輸出反相，輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。二、工作原理在T導通時，D截止，電源向Ld輸送能量,輸出電壓是靠C0的放電保持基本不變；在T/off時，D/on，把存放在中的能量釋放給負載和電容。31第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、主要波形3.4直流降壓升壓變換器(Buck-Boost變換器)（續(xù)2）32第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日四、參數(shù)計算(一)、晶體管T導通工作模式（0≤t≤t1=KT）

(二)、二極管D導通工作模式（t1≤t≤t2=T）由(一)、(二)可得：3.4直流降壓升壓變換器(Buck-Boost變換器)（續(xù)3）33第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日設(shè)BUCK-BOOST電路是無損的從式（4-28）可得電容電壓的脈動量為3.4直流降壓升壓變換器(Buck-Boost變換器)（續(xù)4）34第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日圖中由開關(guān)T、二極管D和L1、L2、C1構(gòu)成的電路既能實現(xiàn)DC/DC升壓變換又可實現(xiàn)降壓變換，稱為直流升壓－降壓變換器，Cuk變換器。3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）35第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日一、CUK電路的特點1.輸入，輸出電流皆沒有脈動，只是在直流成分的基礎(chǔ)上附加了一個不大的開關(guān)紋波；2.既可升壓也可降壓；3.開關(guān)晶體管發(fā)射極接地；4.輸入輸出電壓反相。二、CUK電路BUCK電路：以C1作為輸入電源；R為負載，所以輸出電流為連續(xù)。BOOST電路：以Ud作為輸入電源；LPF為負載。與普通的BOOST電路相比，D與C1交換了以下位置，由于L1存在，所以輸入電流為連續(xù)。3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)1）36第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、工作原理這個電路的關(guān)鍵是靠C1傳輸能量在期間，VT/on，VD/off。輸入電路：Ud給L1充磁；輸出電路：Uc1給L2充磁。在期間，VT/off，VD/on。輸入電路：把L1中的存能送給C1，給C1充電，

L1，L2中的能量均是減小的；輸出電路：靠L2，C2中的存能維持輸出電壓基本不變。3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)2）37第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日波形1、兩個電感上的電壓是相等的。2、管子所承受的反壓=輸入電壓+輸出電壓=C1上的電壓。3、管子所流過的電流=輸入電流+輸出電流4、C1充當了一個直流電源；作用存儲能量/使得前后兩級獨立工作。3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)3）38第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日四、電路分析(連續(xù)模型)1.均值等效電路所以電感兩端的均值電壓為0，相當于虛短。所以電容中的電流的均值為0，相當于虛斷。3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)4）39第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.CUK均值等效電路3.電壓增益L1電壓的瞬時值：若C1，C較大，認為電壓恒定即：所以<1><2>3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)5）40第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日L2電壓的瞬態(tài)值：結(jié)論：如果則<3><4><5>3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)6）41第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日Cuk：Buck：Boost：所以Buck-Boost及Cuk的增益為Buck與Boost增益的積。電流增益：4.輸出，入端電流脈動 入端:

出端:<6><7><8>3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)7）42第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日上式說明：如果L1↑，△Id↓，如果L2↑，△Id↓。式<7>和式<8>相除得：上式再次證明了uL1=uL2的結(jié)論。輸入電流的最大值：輸出電流的最大值：VT電流最大值：<10><9>3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)8）43第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日注意：iT的最大值發(fā)生在t=DT，與Id，I0的最大值同時發(fā)生。5.波形(自己畫)3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)9）44第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日小結(jié)：不同變換器比較3.5直流升壓-降壓變換器（CUK變換器）（續(xù)10）45第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.6兩象限、四象限直流—直流變換器第一象限：Ud>0,Id>0第二象限：Ud>0,Id<0第三象限：Ud<

0,Id<

0第四象限：Ud<

0,Id>0IdUd46第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日直流電機電樞繞組的反電勢Ea與其勵磁磁通和轉(zhuǎn)速N的乘積成正比：

電樞電壓平衡方程為：轉(zhuǎn)速高低由電樞電壓的大小決定，轉(zhuǎn)速方向由電樞電壓的方向決定。

電機的轉(zhuǎn)矩方程為：轉(zhuǎn)矩大小由電樞電流的大小決定，轉(zhuǎn)矩方向由電樞電流的方向決定。

轉(zhuǎn)矩方向與電機轉(zhuǎn)向相同為電動狀態(tài)，反之為制動狀態(tài)直流電動機的特性3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)1）47第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日直流電機的四象限運行3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)2）48第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日1、兩象限直流—直流變換器UAB始終大于零工作狀態(tài)：iAB可正可負電機轉(zhuǎn)向始終為正電磁轉(zhuǎn)矩可正可負電動制動3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)3）49第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作模式：降壓（將Vd的電壓降低后送到負載）輸出電壓方向：正向輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍赫螂姍C運行于正向電動狀態(tài)，能量由輸入直流電源供向負載。(b)降壓變換電路第一象限工作3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)4）50第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作模式：輸出電壓方向：正向輸出電壓大小：輸出電流方向：負向電機運行于正向制動狀態(tài)，能量由負載向直流輸入電源回饋。升壓（將負載的電壓升高后向Vd回饋電能）(c)升壓變換電路第二象限工作3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)5）51第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日2、四象限直流—直流變換器

3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)6）52第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日第三、四象限運行等效電路3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)7）53第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作模式：降壓（將Vd的電壓降低后送到負載）輸出電壓方向：反向（VAB<0）輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍悍聪螂姍C運行于反向電動狀態(tài)，能量由直流輸入電源供向負載。第三象限工作3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)8）54第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作模式：輸出電壓方向：正向輸出電壓大?。狠敵鲭娏鞣较颍悍聪螂姍C運行于反向制動狀態(tài)，能量由負載供向直流輸入電源。升壓（將負載的電壓升高后向Vd回饋電能）第四象限工作3.6兩象限、四象限直流—直流變換器（續(xù)9）55第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.7單端正激變換器和單端反激變換器3.7.1單端正激變換器3.7.2單端反激變換器56第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日1、單端正激變換器單端變換器——變壓器工作在B-H平面的第一象限；正激變換器——在T導通時，變壓器向負載傳遞能量。正激變換器特點——輸出功率50-200W較大。(b)單端正激DC/DC變換器3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)1）57第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日N2、D2導電N3、D1、D3截止T導通：Ton=DTs期間R3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)2）58第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日D2截止；i3將N3感應(yīng)電勢經(jīng)D3反送至電源，i3減小到零;

iL經(jīng)D1續(xù)流。T截止：Toff

=(1-D)Ts期間

sV3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)3）59第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日輸出電壓U2與Ud的關(guān)系等效電路(N2向右看相當于BUCK電路)改變D可以改變U03.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)4）60第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作波形3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)5）61第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日開關(guān)管兩端的最大電壓T兩端的反壓為：3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)6）62第六十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日通常取

N3=N1，故工作中的最大占空比

Dmax=0.5

因此T的反壓

最大運行導通比3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)7）63第六十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日雙管正激變換器T1和T2具有相同的占空比；T1、T2導通時，D1、D2反偏截止，電源通過變壓器向負載輸送能量T1、T2截止時，iL經(jīng)D續(xù)流，變壓器激磁電流經(jīng)D1、D2返回電源，起去磁作用。不需要專門的去磁繞組;多一個開關(guān)管；開關(guān)管上承受的電壓僅為Ud，小于單管變換器。雙管正激變換器3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)8）64第六十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日2、單端反激變換器反激變換器——開關(guān)管導通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感（變壓器）中，當開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d單端變換器——變壓器工作在B-H平面的第一象限；反激變換器特點——輸出功率較小，一般小于100W。單端反激變換器3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)9）65第六十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日一、拓撲推演--從BUCK-BOOST到Flyback變換器BUCK-BOOST變換器電感用兩個并聯(lián)線圈代替3.7單端正激變換器和單端反激變換器（續(xù)10）66第六十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日工作原理當T導通,原邊N1電感上電壓的極上正下負,副邊N2電壓的極為上負下正,因此,二極管D1截止,所以把能量存儲在原邊N1上,負載靠電容C放電維持。當T截止,原邊電感上的電壓為上負下正,副邊電壓為上正下負,D1導通,把存儲在副邊的能量傳給電容和負載。工作區(qū)域

3.7單端正激變換器和單端