《高等电力电子技术》第二章

AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术高等电力电子技术第二章电力电子拓扑基础以基本开关变换器为基础，通过对偶设计法、三端开关模型法、开关变换器级联法实现电力电子拓扑结构的设计高等电力电子技术1234开关变换器拓扑概述开关变换器拓扑的对偶法设计开关变换器的拓扑叠加设计第二章电力电子拓扑基础开关变换器拓扑的三端开关模型法设计高等电力电子技术2.1开关变换器拓扑概述2.1.1开关变换器的基本拓扑2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术2.1.1开关变换器的基本拓扑矩阵变换器推挽变换器飞跨电容式变换器二极管嵌位式变换器全桥式变换器半桥式变换器按结构分三电平变换器二电平变换器按电平数分桥式变换器基本变换器开关变换器ZetaSepicCukboostBuckBoostBuck在电力电子技术中，一般将开关变换器按能量变换形式分为四大类，AC-DC变换器,DC-AC变换器,DC-DC变换器,AC-AC变换器。无论是何种变换类型，开关变换器都存在一些基本的拓扑结构。高等电力电子技术名称电路拓扑优点缺点用途Buck电路简单，动态特性好。输入电流是脉动的，EMI大;功率开关管发射极不接地，驱动电路复杂。降压变换Boost输入电流连续，EMI小；功率开关管发射极接地，驱动电路简单。二极管的电流是脉动的，输出电流纹波较大。升压变换Cuk输入、输出电流都没有脉动，EMI小，输出纹波小；既可升压也可降压；功率开关管发射极接地，驱动电路简单。多了一个滤波电感和一个能量传递电容，输入输出极性相反。升压－降压变换L1L2RCUsVVDUsVLCRVDVDCRLVUs2.1.1开关变换器的基本拓扑由于各种开关变换器基本拓扑结构的不同，使得其各自的用途、特点等都各不相同，以下列出几种相关开关变换器的拓扑及其基本特征。高等电力电子技术Sepic输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量相对大。既可升压也可降压Zeta输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量大。既可升压也可降压半桥式结构简单，只要两个功率开关管。电压利用率低，功率开关管的电流应力较大。适合低电流输入的场合全桥式电压利用率高，功率开关管的电压应力和电流应力都较小。结构复杂，需要四个功率开关管，成本高。适用于大容量场合L1L2RC1UsVVDC2L1L2RC1UsVVDC2V1VD1VD2V2V1VD1VD3V3V2VD2VD4V42.1.1开关变换器的基本拓扑高等电力电子技术推挽式驱动不需隔离，变压器双端磁化，只要两个功率开关管。变压器绕组利用率低，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁。适合低压输入的场合二极管钳位式多电平桥不存在动态均压问题。输出波形质量有较大改善，输出电压的也相对减小，动态响应好。需要多个钳位二极管，存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合飞跨电容式多电平桥开关方式灵活，对功率器件保护能力有功功率又能控制无功功率较强，既能控制。需要多个钳位电容，也存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合矩阵式输入电流、输出电压、功率因数均可控，且能量能双向流动。功率器件数量多且结构复杂，控制难度大。适合能量可双向流动的高品质电能转换V1VD2V2VD1C1C2VD5VD6V1V2V3V4VD1VD2VD3VD40C1C2V1V2V3V4VD1VD2VD3VD40C3输入abcuvw输出S11S31S23S22S21S13S12S33S322.1.1开关变换器的基本拓扑高等电力电子技术为讨论简便起见,本课程将以BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC、ZETA六种基本开关变换器为基础研究电力电子拓扑结构的相关规律。2.1.1开关变换器的基本拓扑高等电力电子技术2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元将含有二极管或功率开关管的基本单元称之为“基本开关单元”。根据功率开关器件所在不同开关变换器中的拓扑结构和特点，可将其分为三类。二端开关单元三端开关单元基本变换单元基本开关单元高等电力电子技术1.二端开关单元二端开关单元是指：由二极管和功率开关管组成的具有二个端口的基本开关单元，主要包括：单向开关单元、准双向开关单元以及双向开关单元三种拓扑结构。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术（1）单向开关单元a)b)图2-1单向开关单元电路拓扑a)单向不可控开关单元b)单向可控开关单元单向开关单元是指电流只能单向流通的基本开关单元。单向开关单元包括可控和不可控单向开关两种基本单元，其中单向不可控开关单元由单个二极管构成；而单向可控开关单元则由单个功率开关管构成。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术（2）准双向开关单元a)b)图2-2准双向开关单元电路拓扑a)准双向电流开关单元b)准双向电压开关单元准双向开关单元是指电流或电压能双向通过，但只有正向可控的基本开关单元。准双向开关单元分为准双向电流开关单元和准双向电压开关单元，它们都同时包括二极管和功率开关管。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术（3)双向开关单元图2-3双向开关单元电路拓扑双向开关单元是指电流能双向可控的基本开关单元。双向开关单元主要包括四种结构：二极管桥式、共射背靠背式、共集背靠背式、双管反并式。a)二极管桥b）共射背靠背式c）共集背靠背式d）双管反并式2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术2.三端开关单元三端开关单元：由功率开关和二极管构成的具有三端口输出的基本开关单元。那么三端开关单元具有怎样的拓扑结构呢？2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术从上图所示的6种基本开关变换器拓扑中可以发现：各变换器都有一个功率开关管和一个二极管组成的基本单元，其中功率开关管和二极管反向连接且连接节点输出，因此称该结构的基本单元为三端口开关单元，如上图虚线框所示。VLVDCRUsVLVDCRUsVVDRUsVL1VDRUsL2C2L2L1C1C1C2VLVDCRUsVL1VDC1RUsL22.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术图2-5三端开关单元三端口开关单元对外有三个端：功率开关端口，称为有源端，用a表示；二极管端口，称为无源端，用p表示；功率开关管和二极管相连接的端口，称为公共端，用c表示。这样是形成三端开关单元，如图2-5所示。acp注意：三端开关单元中的功率开关管和二极管的开关状态互补，即：当功率开关管导通时二极管关断，而二极管导通时功率开关管关断。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术3.基本变换单元基本变换器其拓扑结构主要是由输入电源、储能元件、三端开关、滤波环节及负载构成，显然其核心部分就是储能元件和三端开关。这样，可将三端开关单元和储能元件组合成基本变换器的核心单元，称之为基本变换单元。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术其中虚线框内就是各自的基本变换单元，如BUCK变换器中的基本变换单元称之为BUCK型基本变换单元，其它以此类推。与三端开关功能不同的是：基本变换单元不仅起着基本变换的作用，而且它还起到能量存储和传输的作用。UsVVDLCRUsVVDLCUsVVDRUsVVDL1RL2C1L1C1L2C2C2UsVVDLCRUsVVDL1RL2C12.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元高等电力电子技术2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则图2-7基本开关变换器的系统结构对于任意一个基本开关变换器，都可以将其分解为图2-7所示的结构：输入部分、输出部分(能量转换)、中间部分而各个部分内部及各部分之间的连接方式存在一定规则输入滤波器能量缓冲器输出滤波器负载输入电源输入部分输出部分中间部分VVD高等电力电子技术规则1：输入端只有两种正确的拓扑形式，即电压源和功率开关管串联或电流源和功率开关管并联a)b)c)d)图2-8输入端的电源和功率开关管的拓扑组合方式UsVIsVUsVIsV2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则2输出端只有两种正确的拓扑形式，即二极管和电压负载同向串联或二极管和电流负载反向并联输出端的二极管和负载电源的拓扑组合方式共有8种情况，如下图所示a)b)c)d)e)f)g)h)VDUoIoVDVDUoIoVDVDIoIoVDVDUoVDUo2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则3中间部分每一个支路只包含一个电压缓冲器（电容）或一个电流缓冲器（电感）电流缓冲器具有电流源的特性，相当于一个电流源，同样，电压缓冲器相当于一个电压源。若一条支路上有多个电压缓冲器串联，该支路可以等效为一个电压缓冲器；若一条支路上有多个相同的电流缓冲器串联，该支路可以等效为一个电流缓冲器，而同一支路多个不同的电流缓冲器无法串联，因此，中间部分任何一条支路只有一个电压缓冲器或电流缓冲器。2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则4中间部分的每一个串联支路是一个电压缓冲器（电容），每一个并联支路是一个电流缓冲器（电感）输入端和中间部分的前级缓冲器的拓扑组合共有8种结构形式，如图2-10所示：a)b)c)d)e)f)g)h)图2-10输入部分和中间部分的前级缓冲器的拓扑组合方式VIsUoVUoUsIsUsVIoVIoIsUsVVIoUoIsUsVVIoUo2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则5输入电压源不能通过开关直接与电压缓冲器或电压负载相连；输入电流源不能通过开关直接与电流缓冲器或电流负载相连若变换器没有中间部分，只有输入端和输出端，那么输入端有两种电路拓扑同样输出端也只有两种电路结构，其拓扑组合形式有8种，如图2-11所示。a)b)c)d)e)f)g)h)图2-11输入部分和输出部分的组合方式UsUoVVDUsUoVVDIsVIoVDIsVIoVDVIoIsVDUoUsVVDUoIsUsVDVIoVVD2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则6电压缓冲器不能通过二极管和电压负载相连电流缓冲器不能通过二极管和电流负载相连图2-12中间部分的后一级电源缓冲器和输出部分的拓扑组合方式d)c)IoIoU1VDVDVDVDU1a)b)I1UoUoI12.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则7中间部分所包含的缓冲器的数目不超过两个，且类型不同。图2-13中间部分缓冲器的拓扑组合U1U2IbUbUbIbI1I2a)b)AANBN2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则8相邻两个电源（包括缓冲器和负载）类型不能相同由规则5可得输入级与负载之间相连时，电源类型不同，输入级与中间部分相连时电源类型也不同。由规则6可得中间部分后级缓冲器与负载的电源类型不同。由规则7可得中间部分缓冲器电源类型不同。即相邻两个电源的类型一定不相同。2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术规则1电压源和功率开关管串联；规则2二极管和电流负载并联；规则3中间部分每一个支路只包含一个电压缓冲器（电容）或一个电流缓冲器（电感）；规则4中间部分每一个串联支路是一个电压缓冲器（电容），每一个并联支路是一个电流缓冲器（电感）；规则5输入电压源不能通过开关直接与电压缓冲器相连；规则6电压缓冲器不能通过串联一个二极管和电压负载相连；规则7中间部分所包含的缓冲器的数目不超过两个，且类型不同；规则8相邻两个电源（包括缓冲器和负载）类型不能相同C1C2VDL2L1RUsVZETA变换器2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则高等电力电子技术2.2开关变换器开拓扑的对偶法设计2.2.1平面电路的对偶及其对偶规则2.2.2开关变换器的对偶设计高等电力电子技术2.2.1平面电路的对偶及其对偶规则对偶性是电路拓扑的基本性质之一，