DC-DC變換電路原理.ppt

1、DC/DC變換電路,3.2基本的直流斬波電路,3.3復(fù)合斬波電路,3.4 變壓器隔離的直流直流變換器,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),返回,第3章 DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉(zhuǎn)換成另一固定電壓或電壓可調(diào)的直流電能。,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫(kù)克變換電路,重點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)、工作原理及主要數(shù)量關(guān)系,第3章 DC/DC變換電路,直流變換將直流電能(DC)轉(zhuǎn)換成另一固定電壓或電壓可調(diào)的直流電能。,直流變換電路完成直流變換的電路。,直流變換器實(shí)現(xiàn)直流變換的裝置。,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,直流調(diào)速：需

2、要可變的直流電壓,直流供電電壓一定，而負(fù)載需要不同電壓,直流升壓：太陽(yáng)能電池輸出電壓較低，需要 變換到較高電壓再變換為直流,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,（1）開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，R兩端電壓 uo=US,開(kāi)關(guān)管IGBT導(dǎo)通條件： UG0,3.1直流PWM控制技術(shù)基礎(chǔ),3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,（2）開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，R兩端電壓 uo=0,開(kāi)關(guān)管IGBT斷開(kāi)控制： UG=0,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,R兩端平均電壓：,控制一周期中導(dǎo)通時(shí)間比例可控制輸出平均電壓,開(kāi)關(guān)管IGBT控制電壓,R兩端電壓波形,3.1.1 直流變換的

3、基本原理及PWM概念,定義上述電路中導(dǎo)通占空比D為:,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖頻率調(diào)制(PFM),維持ton不變，改變TS。改變TS就改變了輸出電壓周期或頻率。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,脈沖寬度調(diào)制(PWM),維持TS不變，改變ton 在這種方式中，輸出電壓波形的周期不變，僅改變脈沖寬度。,改變占空比D有三種基本方法：,3.1.1 直流變換的基本原理及PWM概念,混合脈沖寬度調(diào)制,脈沖周期TS與寬度ton均改變。,廣義的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)包含上述三種控制方式,1面積等效原理PWM應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

4、,自動(dòng)控制理論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。,形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖,3.1.2 PWM技術(shù)基礎(chǔ),沖量=窄脈沖面積,沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形,1面積等效原理,比較RL電路對(duì)沖量相同而形狀不同窄脈沖的響應(yīng)波形可知，輸出波形大致相同 進(jìn)一步說(shuō),響應(yīng)波形的低頻成份基本相同。,上述原理可以稱為面積等效原理。根據(jù)該原理，將平均值為up的一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖加到包含慣性環(huán)節(jié)的負(fù)載上，將與施加幅值為up的恒定直流電壓所得結(jié)果基本相同，這樣一來(lái)就可用一列脈沖波形代替直流波形。,除了直流波形可用PWM波形來(lái)代替外，根據(jù)面積等效原理可以進(jìn)一步推出，可以

5、在一段時(shí)間內(nèi)按一定規(guī)則生成PWM波形來(lái)代替所需的任何波形,1面積等效原理,如用正弦脈沖寬度調(diào)制波形來(lái)代替正弦波SPWM,2直流PWM波形的生成方法,生成PWM波形有多種方法，常見(jiàn)有計(jì)算法、調(diào)制法等。,計(jì)算法是在每個(gè)時(shí)間段，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)直接計(jì)算出當(dāng)前所需要的脈沖寬度，進(jìn)而據(jù)此對(duì)電力電子器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制而獲得PWM波形。,調(diào)制法是利用高頻載波信號(hào)與期望信號(hào)相比較來(lái)確定各脈沖寬度信息進(jìn)而生成PWM波形。,調(diào)制法生成PWM波形典型框圖：,返回,2直流PWM波形的生成方法,載波信號(hào)頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)頻率,3.2基本的直流變換電路,3.2.1 降壓斬波電路,3.2.2 升壓斬波電路,3.2.3 升降壓斬

6、波電路,3.2.4 庫(kù)克變換電路,返回,3.2基本的直流變換電路,基本的直流變換電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫(kù)克變換電路,介紹內(nèi)容：,1、電路結(jié)構(gòu),2、工作原理,3、主要波形,4、基本數(shù)量關(guān)系,3.2基本的直流斬波電路,3.2.1 降壓變換電路,降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓，又稱為Buck型變換器。,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（1）T導(dǎo)通情形,電感電壓uL=US uo，在該電壓的作用下，電感電流iL線性增長(zhǎng) ，電感儲(chǔ)能增加,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（2）T 斷開(kāi)情形-電流連續(xù),電感電壓uL= uo，在該

7、電壓的作用下，電感電流iL線性下降 ，電感儲(chǔ)能減少,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,（2）T 斷開(kāi)情形-電流斷續(xù),電感電壓uL= 0， 電容向負(fù)載供電,T一周期中導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，向電感轉(zhuǎn)移的能量愈多，向負(fù)載轉(zhuǎn)移的能量也愈多，即輸出電壓愈高,3.2.1 降壓變換電路,1 降壓變換電路工作原理,特殊情形：T常斷開(kāi),特殊情形：T常導(dǎo)通,2 主要波形分析,3.2.1 降壓變換電路,理論基礎(chǔ)電路理論 基本方法分段線性分析 （重點(diǎn)是根據(jù)開(kāi)關(guān)情況確定等效電路）,假設(shè)條件：,1、器件是理想的（不考慮開(kāi)關(guān)時(shí)間、導(dǎo)通壓降等）,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,2 主要波形電感電流連續(xù)情形,

8、電感電流連續(xù)情形： iL0,降壓電路,2 主要波形電感電流連續(xù)情形,數(shù)學(xué)模型:,初值條件?,假設(shè)uC=Uo =常數(shù)iL線性增加,T導(dǎo)通波形,2主要波形電感電流連續(xù)情形,假設(shè)uC= Uo =常數(shù)iL線性減少,主要波形,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,(2) 平均輸出電流Io,表現(xiàn)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的量：,(3) 電感電流紋波DIL,(4) 負(fù)載電壓紋波DUO,主要器件承受的電壓、電流等量可根據(jù)波形確定,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,uL,uG,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,i

9、m,t,t,t,t,ton,toff,iM,(2) 輸出平均電流Io,IO,(3) 電感電流紋波DIL,uL,uG,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,iL,iC,im,t,t,t,t,ton,toff,iM,IO,(4) 電感電流極值iM、im,?,穩(wěn)態(tài)情況下，電容上一周期中的平均電流為零。,電感平均電流 =負(fù)載平均電流,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,(5) 電容電壓紋波DuC,uG,iL,im,t,t,ton,toff,iM,IO,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,（5）電容電壓紋波DuC,結(jié)論： 1：增加LC, 電壓紋波減少 2：開(kāi)關(guān)頻率高，電壓紋波小 3：D=0.5，電壓紋波達(dá)到峰值

10、,3 主要數(shù)量關(guān)系電感電流連續(xù)情形,5、電容電壓紋波DuC,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,電感電流斷續(xù)情形： 在一段時(shí)間內(nèi)iL=0,降壓電路,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設(shè)uC=Uo =常數(shù)iL線性增加,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,假設(shè)uC= Uo =常數(shù)iL線性減少,4 主要波形電感電流斷續(xù)情形,uC= Uo =常數(shù)iC維持不變,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,注意：tcon與電路參數(shù)、ton有關(guān),5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,（1）平均輸出電壓Uo,記,電壓變換比：,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,(2

11、) 輸出平均電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,uL,uG,iL,uC,t,t,t,t,ton,toff,iM,tcon,(4) 電容電壓紋波DuC,t,t2,t1,注意：,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,注意：,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,電感平均電流=負(fù)載平均電流,電感平均電流IL:,5 主要數(shù)量關(guān)系電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,注意到：,最后有：,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù): 電感電流僅瞬間為零,電流臨界連續(xù)時(shí):,（5） 電感電流臨界連續(xù)條件,降壓變換電路小結(jié),返回,3.2

12、.2 升壓變換電路 Boost電路,1 升壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,工作原理:,T導(dǎo)通時(shí), uL=US , 電感電流線性增加,電感儲(chǔ)能增加,電源向電感轉(zhuǎn)移電能。,T斷開(kāi)時(shí), uL=US - uC, 電感電流減少,電感儲(chǔ)能減少, 電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。,升壓變換電路結(jié)構(gòu),升壓變換電路IGBT實(shí)現(xiàn),返回,3.2.2 升壓變換電路 Boost電路,1 升壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,工作原理:,穩(wěn)態(tài)情況下,T斷開(kāi)時(shí), 電感電流減少,uL=US - uC 0,升壓變換電路IGBT實(shí)現(xiàn),2 波形分析,假設(shè)條件：,1、器件是理想的（不考慮開(kāi)關(guān)時(shí)間、導(dǎo)通壓降等）,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,升壓變

13、換電路IGBT實(shí)現(xiàn),2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,等效電路: 根據(jù)開(kāi)關(guān)器件的通斷狀況來(lái)確定,IGBT器件的通斷由其柵極控制信號(hào)決定,升壓變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升壓變換電路,T導(dǎo)通等效電路,T斷開(kāi)等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,升壓變換電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導(dǎo)通等效電路,T斷開(kāi)D續(xù)流等效電路,T斷開(kāi)D斷開(kāi)等效電路,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,升壓變換電路,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,升壓變換電路,3 主

14、要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,升壓變換電路,考慮Ioim情形:,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,注:,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,電感電流平均值I L,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,D2與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系,輸入功率=輸出功率，有：,其中：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(4) 電容電壓紋波DuC,注意:,3 主要數(shù)量關(guān)系,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)時(shí):,3 主要數(shù)量關(guān)系,(5) 電感電流臨界連續(xù)條件,

15、電流連續(xù)時(shí):,升壓變換電路小結(jié),升壓變換電路不宜在輸出端開(kāi)路情況下工作!,返回,3.2.3 升降壓變換電路 Buck-boost電路,1 升降壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,T導(dǎo)通時(shí), uL=US , 電感電流線性增加,電感儲(chǔ)能增加,電源向電感轉(zhuǎn)移電能。,T斷開(kāi)時(shí), uL= - uC, 電感電流減少,電感儲(chǔ)能減少, 電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。,升降壓變換電路結(jié)構(gòu),升降壓變換電路IGBT實(shí)現(xiàn),返回,3.2.3 升降壓變換電路 Buck-boost電路,1 升降壓變換電路結(jié)構(gòu)與工作原理,工作原理:,特殊情況: T長(zhǎng)期斷開(kāi)時(shí),輸出電壓uO=0。,T導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),電感電流將趨于無(wú)限大,此時(shí)斷開(kāi)T,將有無(wú)窮大

16、能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載,輸出電壓uO也將趨于無(wú)限大。,升降壓變換電路結(jié)構(gòu),升降壓變換電路IGBT實(shí)現(xiàn),2 波形分析,2、輸出濾波電容較大，輸出電壓基本平直,升降壓變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,電感電流連續(xù)iL0,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,T導(dǎo)通等效電路,T斷開(kāi)、D續(xù)流等效電路,波形分析-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,電感電流斷續(xù): 存在iL=0時(shí)間段,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T斷開(kāi)、D續(xù)流等效電路,T導(dǎo)通等效電路,T斷開(kāi)、D斷開(kāi)等效電路,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中

17、的平均電壓為零。,或：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,T導(dǎo)通期間：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,升降壓變換電路,(4)電容電壓紋波DuC,考慮Ioim情形:,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,或：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,升降壓變換電路,(2) 平均輸出電流Io,(3) 電感電流紋波DIL,T導(dǎo)通期間：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(4)電容電壓紋波DuC,注意:,3 主要數(shù)量關(guān)系,(5)電流臨界連續(xù)條件

18、,電流臨界連續(xù)時(shí):,3 主要數(shù)量關(guān)系,(5)電流臨界連續(xù)條件,電流連續(xù)時(shí):,升降壓變換電路小結(jié),D2與電路參數(shù)關(guān)系請(qǐng)自行推導(dǎo),返回,3.2.4 庫(kù)克變換電路,優(yōu)點(diǎn): 降壓、負(fù)載電流波動(dòng)小 缺點(diǎn)：不能升壓、電源電流波動(dòng)大,優(yōu)點(diǎn): 升壓、電源電流波動(dòng)小 缺點(diǎn)：不能降壓、負(fù)載電流波動(dòng)大,優(yōu)點(diǎn): 能升壓、降壓 缺點(diǎn)：負(fù)載電流、電源電流波動(dòng)大,升降壓變換電路,降壓變換電路,升壓變換電路,返回,3.2.4 庫(kù)克變換電路,期望電路：能同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓、降壓 能同時(shí)使電源電流、負(fù)載電流波動(dòng)小,庫(kù)克變換電路,3.2.4 庫(kù)克變換電路,1 工作原理:,T導(dǎo)通時(shí), uL=US , 電感電流線性增加,電感儲(chǔ)能增加,電源向

19、電感轉(zhuǎn)移電能。同時(shí)電容C1上儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移。,T斷開(kāi)時(shí), 電感電流減少,電感儲(chǔ)能減少, 電感儲(chǔ)能向C1 、負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。,控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能,3.2.4 庫(kù)克變換電路,1 工作原理:,特殊情況: T長(zhǎng)期斷開(kāi)時(shí),輸出電壓uO=0。,T導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),電感電流將趨于無(wú)限大,此時(shí)斷開(kāi)T,將有無(wú)窮大能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載,輸出電壓uO也將趨于無(wú)限大。,控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能,2 波形分析,假設(shè)條件：,1、器件是理想的（不考慮開(kāi)關(guān)時(shí)間、導(dǎo)通壓降等）,2、濾波電容較大，輸出電壓基本平直,庫(kù)克變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,2 波形分析-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換

20、電路,T導(dǎo)通、D斷開(kāi)等效電路,T斷開(kāi)、D續(xù)流等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導(dǎo)通、D斷開(kāi)等效電路,T斷開(kāi)、D續(xù)流等效電路,T斷開(kāi)、D斷開(kāi)等效電路,2 波形分析-電感電流斷續(xù)情形,T導(dǎo)通、D斷開(kāi)等效電路,T斷開(kāi)、D續(xù)流等效電路,T斷開(kāi)、D斷開(kāi)等效電路,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,(1) 平均輸出電壓Uo,C1平均電壓滿足:,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,(3) 電感電流紋波DiL

21、,(2) 輸出平均電流IO,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流連續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,(4) 輸出電壓紋波DuO,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,庫(kù)克變換電路,(1) 輸出平均電壓UO,穩(wěn)態(tài)情況下，電感上一周期中的平均電壓為零。,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,因輸入輸出功率平衡，有：,電流臨界連續(xù)時(shí):,庫(kù)克變換電路,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,因?yàn)椋?因輸入輸出功率平衡，有：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,又：,因Io=L2平均電流，有：,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,

22、電流臨界連續(xù)條件,#1、#2兩式相加,（#1）,（#2）,3 主要數(shù)量關(guān)系-電感電流斷續(xù)情形,(2) 電流臨界連續(xù)條件,電流臨界連續(xù)條件：,電流連續(xù)條件:,電流斷續(xù)條件:,庫(kù)克變換電路,庫(kù)克變換電路小結(jié),庫(kù)克變換電路,1、既能升壓、也能降壓,2、電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小,1、電路稍復(fù)雜（多用一電感、一電容）,2、電容C2充放電電流波動(dòng)大,返回,3.3.1 多相多重?cái)夭娐?把幾個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波器適當(dāng)組合，可以構(gòu)成復(fù)合型斬波電路,3.3復(fù)合斬波電路,多相多重?cái)夭娐?返回,3.3.1 多相多重?cái)夭娐?多相多重?cái)夭娐?如果在一個(gè)周期TS中，電源側(cè)電流iS 脈動(dòng)n次，則稱為n相斬波器。,假設(shè)復(fù)合型斬波器中每個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷周期都是TS,如果在一個(gè)周期TS中，負(fù)載電流io脈動(dòng)m次，則稱為m重?cái)夭ㄆ鳌?3.3.1 多相多重?cái)夭娐?多相多重?cái)夭娐?個(gè)開(kāi)關(guān)器件T1、T2、T3依序通、斷各一次，它們導(dǎo)通時(shí)間的起點(diǎn)相差TS /3，個(gè)開(kāi)