第二章直流變換電路(NCUT電力電子電路)課件

第一節(jié)：概述DC-DC變換器定義:只對(duì)直流參數(shù)進(jìn)行變換的電路一般結(jié)構(gòu)：直流電源DC-DC主電路負(fù)載控制電路完成的功能：·直流電幅值變換·直流電極性變換第二章DC/DC變換器一、基本概念1概況一點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容整體概述概況三點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容概況二點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容二.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.快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),抑制干擾的能力強(qiáng)4.高效率/小型化直流電源DC-DC主電路負(fù)載控制電路3三、兩種基本電路Buck電路—降壓電路Boost電路—升壓電路基本的含義：英語：Fundamental-n.Somethingthatisanessentialornecessaryofasystemorobject.《三國演義》：備若有基本，天下碌碌之輩，誠不足慮也。數(shù)學(xué)：基本特性電子學(xué)：三種基本放大器，CE、CB、CC。獨(dú)立性和完備性。43.1.Driving:電車,地鐵,電動(dòng)汽車,火車3.2.直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),3.3.照明,氙燈ballast3.4.switchingpowersupply,Eg.Adapter,VRM五.Typicaltopologies:Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk四.Application5第二節(jié):單象限降壓型電路一.電路T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),當(dāng)時(shí),T導(dǎo)通D:續(xù)流二極管L0和C0組成LPF67二.工作原理當(dāng)時(shí),控制信號(hào)使得T導(dǎo)通,D截止,向L0充磁,向C0充電當(dāng)時(shí),T截止,D續(xù)流,U0靠C0放電和L0中電流下降維持三.假設(shè):1.T,D均為理想器件2.L0較大,使得在一個(gè)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(gè)電路無功耗5.電路已達(dá)穩(wěn)態(tài)；△IL=0,△Qc=08四.電路各點(diǎn)的波形9五.電路分析1.電感電流iL表達(dá)式當(dāng)儲(chǔ)能(1)當(dāng)時(shí),達(dá)到最大值,(2)當(dāng)時(shí),放能(3)當(dāng)時(shí),達(dá)到最小值(4)由于電路達(dá)到了穩(wěn)態(tài),102.伏秒平衡定律的證明：由式（2，4）和穩(wěn)態(tài)條件得到：得：這就是電感的伏秒平衡，實(shí)際是對(duì)的積分，即平均值為零平均電流(5)(6)(7)(2)(4)穩(wěn)態(tài)條件,113.輸出電壓增益輸出電壓平均值輸入電壓平均值由(6)式得:(10)當(dāng)D改變,U0改變4.輸入電流平均值Id輸入功率電流輸出電壓輸出電流125.輸出電壓紋波分析當(dāng)?shù)珵橛邢拗惦姼须娏麟娙蓦娏髫?fù)載電流情況1:C充電情況2:C放電13當(dāng)電荷量為Q實(shí)際上就是圖中的陰影部分的面積在時(shí),陰影部分的面積為:S2S114S2S1在期間，輸出電壓紋波15代入上式得:所以當(dāng)與給定后當(dāng)最大時(shí),用,的最大值為166.保持電流連續(xù)的臨界電感值由的圖形可知,當(dāng)時(shí),電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)當(dāng)取最大值時(shí),當(dāng)時(shí),處于連續(xù)狀態(tài)17六.電流斷續(xù)時(shí)的狀況1.求Av根據(jù)伏秒平衡律:2.求Dp平均電流:DTTDTDpT18解得:19開關(guān)變換器穩(wěn)態(tài)分析方法小結(jié)1、根據(jù)開關(guān)的工作時(shí)序定性畫出關(guān)鍵波形；2、由于LC網(wǎng)路的輸入/輸出是方波,采用分時(shí)區(qū)線性化處理，類似于方波信號(hào)通過RC、LC、RLC網(wǎng)路的分析方法；3、理想化處理：器件、電源和負(fù)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(gè)重要定律：伏秒平衡：電荷平衡：20BUCK電路的設(shè)計(jì)思路：STEP1，確定D和RoSTEP2、設(shè)計(jì)電感LSTEP3、設(shè)計(jì)電容CoSTEP4、選擇T/D的耐壓/電流值：STEP5、仿真驗(yàn)證21七、TypicalApplicationsBuckThreePhasesInvertersACmotor交流調(diào)速系統(tǒng)BuckSignalPhasesInvertersHidLampilluminingsystemBuckLowv/highILoadSwitchingpowersupplesystem二次電源BuckHighV/LowILoadSwitchingpowersupplesystem一次電源22作業(yè)1，比較CCM和DCM工作時(shí)，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(diǎn)。3，試述伏秒平衡和電荷平衡定律。4，畫出電容器高頻等效電路，并說明其頻率特性。23第三節(jié):單象限升壓型直流變換電路一.電路二.工作原理當(dāng)三.連續(xù)模型分析1.直流增益Av根據(jù)伏秒平衡律:24說明:1)所以是升壓電路

2)可以調(diào)壓TwoModes:能量的傳輸Mode1:0<t<DT,TisonDisoff,thecurrentiLincrease,theequivalentcircuitMode2:DT<t<T,Tisoff,Dison,thecurrentiLdecrease,theequivalentcircuitTheenergyin DCsourceLLoadCTheenergyinLLoadC252.電流增益根據(jù)無耗網(wǎng)絡(luò)的定義:3.電感電流的分析/變換器是靠電感傳輸能量的。電感電流是關(guān)鍵波形當(dāng)當(dāng)當(dāng)電荷平衡26平均電流所以同理可得:4.波形:275.考慮電感時(shí)的情況求平均輸入電阻RK理想的BOOST286.TypicalApplications(1)BoosttypePFCAcinput90~260VUnder500W/DCM500~5000WPFCOver500W/CCMBoosttypePFCThreePhaseAcinputLoadThreephasesPFCBoosttypePFCAcinput90~260V400vDCBUSUniversalLinePowerSupplyBoosttypeAcinput90~260VInverterUPSBatteryUninterruptablePowerSupplyUnionPostService296.TypicalApplications(2)

SolarenergyLightingBoosttypePhoto-BatteryInverterHMLampBoosttypeBattery12v400vDCBUS

Car’sLightingInverterHMLampHomework‘s:1.todesignaBuckconverteranddosimulation.Specification:f=25KHz,Ui=300v,Uo=150v,Io=6A,IL=1A,Upp=10v;2.todesignaBoostconverter.Specification:f=100KHz,Ui=150v,Uo=300v,Io=6A,IL=1A,Upp=10v;30第四節(jié):單象限升/降壓直流變換電路(Buck-Boost)一.電路輸入和輸出反相二.工作原理:在T導(dǎo)通時(shí),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(shí),Don,把存放在中的能量釋放給負(fù)載和電容。為什么要畫出D的電流波形？三.連續(xù)模型的分析方法1.電壓增益根據(jù)伏秒平衡律:311>1<12.輸入電流脈動(dòng)/關(guān)心變換器如何從電源中汲取電流輸入電流增量:輸入電感電流的最大值:由無耗性可知:323.輸出電壓的脈動(dòng)值當(dāng)VTon,VDoff時(shí),電容C0放電維持輸出電壓選大電容可以消除U0的脈動(dòng)4.考慮rL的影響若的紋波很小時(shí),平均值與有效值相等33(不講)在求均值時(shí),電感短路,電容開路,所以:作業(yè)：計(jì)算T和D的耐壓。34第五節(jié):單象限的CUK電路一.CUK電路的特點(diǎn):1.輸入、輸出電流皆沒有脈動(dòng),只是在直流成分的基礎(chǔ)上附加了一個(gè)不大的開關(guān)紋波;2.電壓增益3.開關(guān)晶體管發(fā)射極接地;4.輸入輸出電壓反向;二.CUK電路35三.工作原理:這個(gè)電路的關(guān)鍵是靠C1傳輸能量在期間,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?cè)谄陂g,VT/on,Vd/off,輸入電路:Ud給L1充磁,輸出電路:Uc1給L2充磁L1,L2中的能量均是增加的VToff,VDon

等效電路VTon,VDoff

等效電路36四.電路分析(連續(xù)模型)1.穩(wěn)態(tài)的均值等效電路所以電感兩端的均值電壓為0,相當(dāng)于虛短所以電容中的電流的均值為0,相當(dāng)于虛斷372.CUK均值等效電路3.電壓增益L1電壓的瞬時(shí)值:若C1,C2較大,認(rèn)為電壓恒定即:所以:<2><1>38L2電壓的瞬態(tài)值:（3）結(jié)論:如果（4）根據(jù)伏秒平衡律:(5)39CUK:Boost:Buck:所以Buck-Boost及Cuk的增益為Buck與Boost增益的積電流增益:(6)4.輸出、入端電流脈動(dòng)入端:出端:(7)(8)40上式說明:如果如果式（7)和式(8)相除得:上式再次證明了的結(jié)論輸入電流的最大值:輸出電流的最大值:(9)(10)VT電流最大值,41注意:的最大值發(fā)生在與的最大值同時(shí)發(fā)生5.波形(自己畫)426.考慮L1,L2內(nèi)阻的分析(不講）均值等效電路令43第六節(jié):雙象限直流電壓變換電路（不講）一.雙象限電路的分類<一>輸出電流平均值I0極性可變?cè)?當(dāng),當(dāng)輸出電流:負(fù)載等效電壓:輸出電壓:恒大于零應(yīng)用:負(fù)載為直流電機(jī)時(shí),構(gòu)成具有再生制動(dòng)力的不可逆調(diào)速系統(tǒng)正轉(zhuǎn)(減速運(yùn)行)正轉(zhuǎn)制動(dòng)力44典型電路:1)Buck與Boost組合電路,工作在Buck電路時(shí),電源向負(fù)載傳輸能量,工作在Boost電路時(shí),負(fù)載向電源反饋能量2)雙向CUK電路分析輸出電壓均用正向傳輸電路;分析輸出電流<二>輸出電壓U0極性可變電路原理:靠改變占空比改變U0的極性應(yīng)用負(fù)載為電機(jī)時(shí),構(gòu)成可逆調(diào)速系統(tǒng)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)制動(dòng)典型電路:雙管正激電路<三>電機(jī)負(fù)載下輸出電壓和輸出電流的分析方法451.等效電路:2.求E值.在穩(wěn)態(tài)時(shí),令3.求的均值U0是根據(jù)開關(guān)電路決定4.求的表達(dá)式令R=0,根據(jù)的瞬態(tài)表達(dá)式+-46第七節(jié):四象限橋式直流變換電路（不講）一.四象限橋式直流變換電路概述1.應(yīng)用具有摩擦負(fù)載的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)2.優(yōu)點(diǎn):以DC-DC原理實(shí)現(xiàn)的直流變換電路,具有網(wǎng)絡(luò)側(cè)功率因數(shù)高,響應(yīng)速度快3.分類:全橋電路半橋電路單極性電路雙極性電路同頻電路倍頻電路4.雙極性電路:指在一個(gè)斬波周期內(nèi),輸出電壓只有一個(gè)極性變換的電路47的平均值由上式可知:U0隨D改變而改變特點(diǎn):電流脈動(dòng)大,但不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)情況5.單極性電路:在一個(gè)斬波周期內(nèi),輸出電壓僅有幅度變化而無極性變化當(dāng)0當(dāng)048平均值:特點(diǎn):電流脈動(dòng)小,但在輕載或低速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)狀況6.同頻電路:輸出電壓的斬波頻率為f,開關(guān)元件的開關(guān)頻率為fs同頻電路:f=fs倍頻電路:f=2fs7.電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)制動(dòng)正轉(zhuǎn)制動(dòng)反轉(zhuǎn)二.雙級(jí)性全橋電路<一>控制電壓的分布(與普通的全橋電路相同)同相,脈寬為DT同相,脈寬為D0T49三種情況:時(shí)區(qū)A,D>0.5,I0>0,時(shí)區(qū)B,D=0.5,I0=0,時(shí)區(qū)C,D<0.5,I0<0,控制信號(hào)與占空比D的關(guān)系最大控制電壓50<二>工作過程分析:只討論D=0.5因?yàn)椴荒躱n,而VD1與VD3on,當(dāng)?shù)?dāng)51(三)直流增益:雙極性橋式直流變換器,實(shí)質(zhì)上是一個(gè)線性放大器四.電流脈動(dòng)計(jì)算(5-178)52第八節(jié)單象隔離型電路一、單端反激式開關(guān)電路的原理單端：工作在B-H平面的第一象限反激式:是指開關(guān)管在截止時(shí),將存儲(chǔ)在原邊電感的能量傳輸?shù)礁边?觀察變壓器的極性.工作區(qū)域

電路結(jié)構(gòu)及工作原理

T:開關(guān)管

D:整流二極管

Co:是輸出電容R:負(fù)載TL：高頻變壓器(一)、理想條件下的電路分析53給磁芯增加氣隙，增加H值工作區(qū)域

54工作原理當(dāng)T導(dǎo)通,原邊電感上電壓的極,副邊電壓的極為,因此,D截止,所以把能量存儲(chǔ)在原邊上,靠電容放電維持.當(dāng)T截止,原邊電感上的電壓為,副邊電壓為,D導(dǎo)通,把存儲(chǔ)的能量傳給電容和負(fù)載.55儲(chǔ)能元件的能量平衡分析穩(wěn)態(tài)條件下的的兩個(gè)重要定律：伏秒平衡：電荷平衡：56連續(xù)導(dǎo)電方式:在T截止期間,初級(jí)的儲(chǔ)能被部分釋放.不連續(xù)導(dǎo)電方式:在T截止期間,初級(jí)的儲(chǔ)能被全部釋放.2.兩種導(dǎo)電模式工作區(qū)域

573.波形分析有圖b中u2波形可知,根據(jù)伏秒平衡與原理:nUdDT=UoDoTn=N2/N1得,在換流瞬間,原副邊電流滿足下面關(guān)系:T的耐壓：5859輔助網(wǎng)絡(luò)的作用：在BG截止時(shí),D1導(dǎo)通,C1并聯(lián)在ce之間,使的上升速度減慢,且減少峰值電壓和損耗；在BG導(dǎo)通時(shí),C1通過R1向開關(guān)管ce極放電，減少了BG導(dǎo)通時(shí)的峰值電流和損耗.4,輔助網(wǎng)絡(luò)的功能寄生參數(shù)及作用：CS,LsCS:幾百PF，thisenergyBG，增加了開通損耗Ls:BG關(guān)斷時(shí)，這個(gè)能量將變?yōu)镃S

上的電能，是BG的開關(guān)應(yīng)力增加解決的方法：增加CS

的數(shù)值LsCs60減少漏感的變壓器繞制方法61（二）電路的外特性1、與Boost/Buck-boost電路相同，F(xiàn)lyback的電路不能開路行.2、電路的外特性，如圖3-26所示CCM區(qū)臨界線DCM區(qū)橫軸:最大臨界電流值輸出電流縱軸:輸出電壓變壓器原邊的電壓臨界線將U-I平面分為兩個(gè)區(qū)域.在CCM區(qū),相