电力电子技术(第2版)第4章

第4章直流-直流变换器主要内容：降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；几种不同变换器的开关利用率。4.1简介直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)4.丘克直流-直流变换器5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter)4.2直流-直流变换器的控制基本的直流-直流变换器和它的输出波形ddsonsondon0so01UDUTtdtdtUTUTtt开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为sonTtD改变负载端输出电压有2种调制方法：1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。在实际应用中，有如下问题：1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；2．在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fcfs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为第2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：直流-直流变换器有两种不同的工作模式：1.电感电流连续模式2.电感电流断续模式在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。stcosonˆUuTtD4.3降压变换器降压变换器电路原理图4.3.1电流连续模式时的工作情况在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL=-Uo，电感电流下降。输出电压(4-5)因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。DTtUUsondo降压变换器工作过程演示忽略电路所有元件的能量损耗，则因此,故有(4-6)因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。odPPooddIUIUDUUII1oddo4.3.2电流连续和断续模式的边界图4-6给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。由图4-5(a)和图4-6(a)中的电感电流波形可得因此，在所给的条件下，如果输出电流平均值Io比式(4-7)所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。图中给出了临界电流与占空比的关系。onLMLLodddtILtiLuUUoBodsodonLMLB)(2)(221IUULDTUULtII4.3.3电流断续模式时的工作情况在直流电机速度控制系统中，输入电压Ud基本上是不变的，需要改变输出电压Uo，从而改变电机速度。在直流可调电源的应用中，输入电压Ud可能是变化的，但输出电压Uo保持不变。在电流断续模式下，输出电压表达式分为两种不同情况：Ud为常数时输出电压表达式Uo为常数时输出电压表达式1.Ud为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0.5时所需要的电感电流最大，为则在Ud为常数时输出电压表达式为右图表示了输入电压不变时，不同占空比D时，输出电压与电流比的关系。LUTI8dsLBM)(41max,LBo22doIIDDUU2.Uo为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0时所需要的电感电流最大，为则在Uo为常数时输出电压表达式为右图表示了输出电压不变时，占空比D与电流比的关系。LUTI2osLBM21domax,LBodo1UUIIUUD4.3.4输出电压纹波在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。电压纹波的峰-峰值△Uo为:(4-24)式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcfs，就可以抑制输出电压的纹波。当变换器工作在电流连续模式时，电压脉动与输出负载功率无关。对电流断续模式的情况也可做类似的分析。在开关模式的直流电源系统中，输出电压纹波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不会影响分析结果的。2sc22soo)1(2)1(81ffDLCDTUU4.4升压变换器图4-11升压变换器电路原理图升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路原理图。当开关管导通时，输入电源的电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，输出与输入隔离。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，电感电流iL通过二极管和负载构成回路，由输入电源向负载提供能量。在下面的稳态分析中，输出端的滤波电容器被假定为足够大以确保输出电压保持恒定，即uo=Uo。4.4.1电流连续模式时的工作情况在稳态时，电感电压在一个周期内的积分是0，上式的两边除以Ts，得：(4-26)假设电路没有损耗，则Pd=Po，(4-27)0)(offodondtUUtUDtTUU11offsdoooddIUIUDII1do升压变换器工作过程演示(假定iL连续)4.4.2电流连续和断续模式的边界图4-13给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。由图4-12(a)和图4-13(a)中的电感电流波形可得(大部分升压变换器要求输出电压不变因此，在输出电压不变的条件下，如果输出电流平均值Io比式(4-7)所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。图中给出了临界电流与占空比的关系。onLMLLdddtILtiLuU)1(2221osondLMLBDDLUTLtUII2osOB)1(2DDLUTI4.4.3电流断续模式时的工作情况在大多数应用中Uo保持不变，Ud改变时会导致D的改变，由式(4-31)、(4-34)和(4-37)可得占空比D与负载电流在不同Uo/Ud时的函数关系：(4-38)图4-15给出了不同Uo/Ud时，占空比D与负载电流Io/Io,max的函数关系曲线。虚线是电流连续和断续模式的界限。21oBMododo)1(274IIUUUUD4.4.4寄生元件的影响升压变换器中的电感、电容、开关管、二极管的损耗对变换器造成寄生元件的效应。图4-16给出了在理想情况和考虑寄生元件影响时电压变换率与占空比的关系曲线。由图4-16可见，在考虑寄生元件影响时，当占空比接近1时，Uo/Ud将会降低。在前面的分析中，忽略了这些寄生元件的影响。当对变换器进行仿真和设计时，必须考虑寄生元件的影响。4.4.5输出电压纹波在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-17所示。纹波的峰-峰值为对于电流断续模式也可作类似分析。39)-(438)-(4onooonoonooRCtUURCtUCtICQU4.5降压-升压复合型变换器图4-18降压-升压复合型变换器电路原理图降压-升压复合型变换器可以得到高于或低于输入电压的输出电压。当开关管导通时，输入端经开关管和电感构成电流通道，提供能量给电感，二极管反向偏置。当开关管断开时，电感中的自感电势使二极管导通，储存在电感中的能量经二极管传递给电容和输出负载。该变换器的输出电压是负的。在稳态分析中，假定输出电容很大，因此输出电压不变uo=Uo。当该变换器工作于占空比控制的工作方式时，也有电流连续和电流断续2种工作模式。降压升压变换器工作过程演示4.5.1电流连续模式时的工作情况电感电压在一个周期内的积分为0，因此有：由式(4-41)可知，当占空比D大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比D小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，改变占空比就可以得到期望的输出电压值。DDUU1do0)1)((sosdTDUDTU4.5.2电流连续和断续模式的边界图4-20给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。因此有：图4-20给出了当输出电压Uo不变时，ILB和IoB与占空比D之间的函数关系曲线。该图表明，对于给定的占空比，当输出电压不变时，负载电流低于IoB变换器工作于电流断续模式。)1(2221osdsLMLBDLUTDLUTII2osoB)1(2DLUTI4.5.3电流断续模式时的工作情况在Uo不变时占空比D与输出负载电流在不同电压变换率Uo/Ud时的函数关系图7-22给出了不同电压变换率Uo/Ud时，占空比D与Io/IoBM之间的函数关系曲线。虚线标出了连续和断续模式的界限。oBModoIIUUD4.5.4寄生元件的影响与升压变换器类似，寄生元件对于电压变换率和复合型变换器反馈调节的稳定性有重大的影响。图4-23定性的反映了寄生元件的影响。在占空比比较高时，电压变换率下降，如图中的虚线所示。在对降压-升压复合型变换器进行计算机仿真设计时，应该考虑寄生元件对变换器性能的影响。4.5.5输出电压的纹波55)-(454)-(4onooonoonooRCtUURCtUCtICQU4.6全桥式直流-直流变换器图4-25全桥式开关模式变换器的电路结构图在全桥式直流-直流变换器中，其输出电压Uo是极性可变、幅值可控的直流电，输出电流io的幅值和方向也是可变的。因此，该变换器可以在四个象限运行。同一桥臂的两个开关管不能同时处于导通状态，否则就会造成直流短路。在实际中，它们在一个短间隙中都断开，该间隙称为逻辑延迟时间。如果变换器的