第3章+直流-直流变换电路

第3章直流-直流变换电路3.1直接DC/DC变换器3.2变压器隔离型DC/DC变换器第3章直流-直流变换电路·引言直流-直流变换电路（DC-DCConverter）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。特别是在电力牵引方面，如地铁、电气机车等。采用DC/DC变换器，可实现无级调速，比变阻器调速方式节省电能20-30％。采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数、减少网侧电流谐波并提高系统动态响应速度。第3章直流-直流变换电路·引言直流斩波电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。变压器隔离型DC-DC变换器种类5种基本电路形式：正激型、反激型、半桥型、推挽型和全桥型。包括直接DC/DC变换器（直流--直流电路，又称为直流斩波电路即DC/DCChopper）和变压器隔离型DC/DC变换器（直流—交流—直流电路）。直流-直流变换电路（DC-DCConverter）第3章直流-直流变换电路·引言•直流电源电压-脉冲电压•基本斩波电路不能实现幅值和极性变换•由电力电子开关和储能元件构成的斩波器可以实现上述目标。•为了简化分析，斩波器元件具有理想特性，即储能元件足够大（L、C）；电力电子开关元件为理想开关特性。•视斩波器为无损耗的直流变压器；取负载为电路与电容并联模型，稳态时两端电压恒定，用于模拟电动势负载。3.1直接DC/DC变换器3.1.1降压斩波电路3.1.2升压斩波电路3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路3.1.1降压斩波电路电路结构降压斩波电路（BuckChopper)用于将直流电源电压转换为低于其值的直流电压，并实现电能传递。为实现电压变换和适应不同负载情况，在基本斩波电路之间加入电感L和续流二极管VD，形成直流通道，起滤波作用。图3-1降压斩波电路的原理图全控型器件，常用IGBT若为晶闸管须有辅助关断电路。续流二极管电容将输出电压保持住。3.1.1降压斩波电路工作原理—电感电流连续S导通（ton）时段：当开关S导通时，电源Ud向电容充电，并给负载R供电，产生负载电流io。同时，电感L储能，电感电流iL上升，电感电压uL极性为左正右负，二极管VD处于断态。S关断（toff）时段：当开关S于t1时刻关断，电感L释放能量，电感电压uL极性为左负右正，二极管VD导通。电感L通过VD续流释放能量，并给负载R供电，电感电流iL不断减小。由于电感较大，电感电流减小缓慢，直到t2时刻开关S再次开通时，电感电流仍未减小到零。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。i图3-2降压斩波电路电流连续时的工作波形a)电路图3.1.1降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：（3-1）TS=ton+toff；ton——V通的时间toff——V断的时间D--导通占空比负载电流平均值：0()10STdoonooffLLSSUUtUtUudtTToondSUtDUT（3-2）ondooStIIDIT（3-3）在稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零，同时电容电流在一个开关周期内的平均值为零。假设电感L值足够大，则负载电流波形平直dddoooUIUDIUI（3-4）输出功率等于输入功率，可将降压斩波电路看作直流降压变压器。3.1.1降压斩波电路工作原理——电感电流断续S导通（ton）时段：当开关S导通时，电源Ud向电容C充电，并给负载R供电，产生负载电流。同时，电感L储能，电感电流iL上升，电感电压uL极性为左正右负，二极管VD处于断态。S关断且电感电流续流时段：当开关S于t1时刻关断，电感L释放能量，二极管VD导通，开关S两端电压为直流电压Ud。电感电流iL不断减小，t2时刻电感电流iL减小到零。S关断且电感电流为零、电容给负载供电时段：二极管VD关断，电感电流iL保持零值，并且电感两端的电压uL也为零，开关S两端电压为Ud-Uo。ia)电路图图3-3降压电路电流断续工作模式下的工作波形3.1.1降压斩波电路数量关系电流断续与断续的临界状态时：负载电流平均值：（3-5）ooUIRLLdodiuLUUdtdoLSUUIDTL在0到DTs时间段上，电感电压uL为oLII12ooSUDUTRL12SDLRT电感电流连续的临界条件为整理得式（3-8）即为判断降压型电路中电感电流连续与否的临界条件。（3-6）（3-7）（3-8）3.1.1降压斩波电路降压斩波电路的典型应用图3-5用于直流电动机的降压斩波电路VDoiLRdUouMEMV降压型电路常用于降压型直流开关稳压器、不可逆直流电动机调速等场合。当降压型电路用于直流电动机调速时，其原理图如图3-5所示。改变占空比，就可以改变加在直流电机电枢上的电压，从而实现调压调速的目的。电路工作模式也分为电感电流连续和断续两种情况，不同情况下直流电机呈现出不同的机械特性。3.1.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理diVDoiSSuLCRLidUoU图3-6升压斩波电路的原理图3.1.2升压斩波电路1.电感电流连续工作模式S导通（ton）时段：电源Ud向电感L充电，电感储能，电感电流iL上升，电感电压极性左正右负。二极管VD处于断态。S关断（toff）时段：二极管VD导通，电源Ud与电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。图3-2升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形diVDoiSSuLCRLidUoUSg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t20tio3.1.2升压斩波电路数量关系利用电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零的规律可得：整理得：0≤Ｄ≤1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。()0donodoffLSUtUUtUTTS=ton+toff；ton——V通的时间toff——V断的时间D--导通占空比11odUUD3.1.2升压斩波电路电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，且认为电感L足够大，则dLoffoooLdLddIItUIUIUIUIT与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。式中，Id为电源电流的平均值，Io为输出电流的平均值。3.1.2升压斩波电路2.电感电流断续工作模式S导通（ton）时段：电源Ud向电感L充电，电感电流iL上升，二极管VD处于断态。S关断且电感电流续流（t1~t2）时段：二极管VD导通，电感电流iL下降，t2时刻减小到零。开关S两端的电压等于负载电压Uo。S关断且电感电流为零（t2~t3）时段：二极管VD也关断，电感电流保持零值，开关S两端的电压等于电源电压Ud。图3-2升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形diVDoiSSuLCRLidUoUSg000iLiSoUtttontofftt0uSt0t1t2dUt33.1.2升压斩波电路数量关系电流断续与断续的临界状态时：负载电流平均值：（3-14）ooUIR电感电流连续的临界条件为整理得（3-18）oDII2(1)2ooSUUDDTRL2(1)2SDDLRT这就是用于判断升压型电路电感电流连续与否的临界条件。3.1.2升压斩波电路3)升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。3.1.2升压斩波电路该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作被降低。3)升压斩波电路典型应用若L较大时，电动机电枢电流连续且纹波较小，记为IR。定子电阻为R，由于直流电动机可等效为电阻、电感和反电势负载，反电势大小为EM，因此由升压电路原理可得升压关系为：1MREIREDVDouMEMVLE3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构diVDoiSSuLCRLidUoU图3-11升降压型电路的原理图3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路电感电流连续工作模式图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形当开关S处于通态时，二极管VD处于断态。电源Ud向电感L充电，电感储能，电感电流iL上升。当开关S处于断态时，二极管VD导通，电感通过VD向电容C充电，并向负载R供电，电感电流iL不断减小。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。Sg000iLULdUtttoUontofftdiVDoiSSuLCRLidUoU3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零，即整理得：V处于通态uL=UdV处于断态uL=-Uo010sTdonooffLLssUtUtUudtTT1odUDUD当0D1/2时为降压，当1/2D1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路若电源电流id和负载电流io的平均值分别为Id和Io，则当电流脉动足够小时，有：由上式得：结论其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。otb)otidiotontoffIoIddonooffItIt式中右边的负号表示电源电流id和负载电流io的方向相反。1offoddontDIIItDooddUIUI3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路S通时，Ud—L—S回路和R—L1—C1—S回路有电流。S断时，Ud—L—C1—VD回路和R—L1—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。图3-13Cuk斩波电路图VDSSuLCRLidUoUL11LiC13.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。设两个电感电流都连续，分别计算电感L和L1的两端电压在一个开关周期内的平均值为111()(1)0()(1)0LddCLCooUUDUUDUUUDUD消去UC1，可得Cuk电路输出、输入电压比与占空比D间的关系为1odUDUD负号表示输出电压与输入电压极性相反，输出电压可高于输入电压，也可低于输入电压。3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路图3-15Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理S通态，Ud—L—S回路和C1—S—L1回路同时导电，L和L1贮能。S断态，Ud—L—C1—VD—负载回路及L1—VD—负载回路同时导电，此阶段Ud和L串联后与L1并联一起向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在S处于通态时向L1转移）。输入输出关系：VDSSuLCRLidUoUL11LiC1VDSSuLCRdUoULiC11LiL1b)Zeta斩波电路1odUDUD3.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路原理S处于通态时，Ud—S—L回路和Ud—S—C1—L1—负载回路同时导电，电源Ud和C1串联向负载供电，L和L1贮能。S关断后，C1－L－VD回路及L1—负载—VD回路同时导电，L的能量转移至C1，L1向负载供电。输入输出关系：图3-16Sepic斩波电路和Zeta斩波电路相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输