86电力电子技术第4章

电子技术论坛第4章直流-直流变换器电子技术论坛主要内容：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。电子技术论坛4.1简介电子技术论坛直流-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)电子技术论坛4.2直流-直流变换器的控制电子技术论坛基本的直流-直流变换器和它的输出波形电子技术论坛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(4-1)式中Ts—开关周期D—开关占空比，改变负载端输出电压有3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。3.改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。ddsonsondon0so01UDUTtdtdtUTUTttsonTtD电子技术论坛方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后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。电子技术论坛电子技术论坛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：(4-2)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电子技术论坛4.3降压变换器电子技术论坛降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。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。电子技术论坛图4-3降压变换器电路原理图电子技术论坛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。电子技术论坛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fc应大大低于开关频率fs，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。电子技术论坛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，如图4-5(a)所示。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，如图4-5(b)所示。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电子技术论坛电子技术论坛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电子技术论坛4.3.4输出电压纹波电子技术论坛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电子技术论坛4.4升压变换器电子技术论坛图4-11升压变换器电路原理图电子技术论坛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。电子技术论坛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电子技术论坛图4-12升压变换器电路的情况(假定iL连续)电子技术论坛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(4-40)对于电流断续模式也可作类似分析。ssooDTRCDTUU电子技术论坛图4-17升压变换器的输出电压的纹波电子技术论坛4.6全桥式直流-直流变换器电子技术论坛图4-25全桥式开关模式变换器的电路结构图电子技术论坛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。如果变换器的同一桥臂的两个开关管在任一时刻都不同时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。以负直流母线N为参考点，A点的电压uAN，由如下的开关状态决定：当VTA+导通时或VDA+导通时，则A点的电压为：(4-58a)类似地，当VTA-导通时，或VDA-导通时，则A点的电压为：(4-58b)UudAN0ANu电子技术论坛综上所述，uAN仅取决于桥臂A是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流io的方向无关，因此UAN为：(4-59)式中，ton和toff分别是VTA+的导通时间和断开时间，VDVTA+是开关管VTA+的占空比。类似地，(4-60)因此，输出电压Uo(=UAN