电力电子-第3章(修改)

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第3章直流/直流变换器3直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器小结第3章直流变换电路1、定义：利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。2、分类：按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。3、隔离方式：在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术第3章直流变换电路3.1直流变换电路的工作原理工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。输出电压平均值的改变：因为D是0～1之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton或TS来实现。图3.1.1基本的斩波器电路及其负载波形直流变换电路的常用工作方式主要有两种：①脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。②脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS不变，改变。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。3.1直流变换电路的工作原理3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术第3章直流变换电路3.2降压变换电路原理图续流二极管输入直流电压滤波电感滤波电容负载导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图3.2.1(b)所示；关断期间（toff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如3.2.1(c)所示；图3.2.1降压电路及其波形图3.2降压变换电路3.2.1电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。图3.2.2电感电流波形图Buck变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流临界连续状态电感电流断流模式3.2.1电感电流连续时工作特性1.电流连续时只有两种开关状态6)-(3OSLSVVdtdiLdtdiL7)-(3DLfVVTDLVVTLVViSOSSOSonOSL9)-(3)1()1(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL8)-(3OSVdtdiL(2)开关状态2：T管阻断,D管导通(1)开关状态1：T管导通,D管阻断2.变压比、导通比的定义SonTTD/0/SMVVsonDTTsoffTDT)1(变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法导通比（占空比）：变压比：用电感电流表达式求变压比T导通、D截止T截止、D导通稳态时：00(1)LsSLsViDTLVViDTL0SSVMDVV故有3.2.2电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比2.临界负载电流3.BUCK变换器输出电压外特性升高使00VVEOTTSonDM第三种状态:T、D都截止。变压比1.三种开关状态和变压比临界连续时：SVconst时08KmiSIVLf2.临界负载电流00012122(1)2(1)2LKLSSSSoIIIVVDTLVVDLfVDDLfVDLf时constV0LfVIKmo2003.Buck变换器输出电压外特性变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性的。在电感电流断流的情况下，变压比M为(3-21)式，控制特性是非线性的。外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC如果：CL1各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波输出纹波电压：在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。20min0max008)1(LCfVDCQVVV其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。它表明通过选择合适的L、C值，当满足fc＜＜f时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。设计图3.2(a)所示的BuckDC/DC变换器。电源电压Vs=147～220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。例3.13.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术第3章直流变换电路3.3升压变换电路1)定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压2）原理图3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏截止，电感L储能，电容C给负载R提供能量。toff工作期间：二极管Ｄ导通，电感L经二极管Ｄ给电容充电，并向负载RL提供能量。3.3升压变换电路图3.3.1升压变换电路及其波形TTSonDTDTSoff)1(LSLdidtVSLsViDTLLSoLdidtVV0(1)SLsVViDTL0/1/(1)SMVVD2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比T导通,D截止T阻断，D导通000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs2.变压比和电压、电流基本关系输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定理想Boost变换器输出电压纹波的大小①T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。②T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容C充电。图3.3.1升压变换电路及其波形总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:3.3升压变换电路电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比2.临界负载电流3.Boost变换器输出电压外特性3.3升压变换电路1.三种开关状态与变压比VG0,T管导通,D截止ssLLDTLVIimax1.三种开关状态与变压比VG=0,T管阻断，D导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/111.三种开关状态与变压比VG=0,T管阻断，D管截止DM11)1(111)1(11111111DDDDDDDDDDDDDVVMso2max)1(2)1(2)1(2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB)1/(),1/(1DVVDMso)1/(1DM2.临界负载电流临界负载电流当负载电流IOIOB,电感电流连续当负载电流IO=IOB,电感电流处于连续与断流的边界当负载电流IOIOB,电感电流断流3.Boost变换器输出电压外特性稳态运行时，开关管T导通期间,电源输入到电感中的磁能，在T截止期间全部通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流工况。如果变换器负载电阻变得很大，负载电流太小，这时如果占空比仍不减小、不变、电源输入到电感的磁能不变，必使输出电压不断增加。因此没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作。图3.5(a)所示Boost变换器，输入电源电压Vs=10～30V，输出电压被控为恒值V，开关频率fs=40kHz，最大输出功率100W，电流Iomax=2.08A，最小输出功率10W，电流Iomin=0.208A，要求变换器工作时电感电流连续，求最小升压电感L值及输出电压纹波小于1%时的滤波电容C。例3.2Boost电路的运行与控制小结一般使用PWM控制；不能空载运行；占空比不能接近1；输入电流脉动较小，运行中对电源的扰动小。3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术第3章直流变换电路3.4升降压变换电路1)概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。图3.4.1升降压变换电路原理图3.4升降压变换电路2）工作原理：①ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。②toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。图3.4.1升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4升降压变换电路3.5库克变换电路3.6带隔离变压器的直流变换器3.7直流变换电路的PWM控制技术第3章直流变换电路1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。3.5库克变换电路L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容图3.5.1（a）库克(Cuk)变换电路原理图3.5库克变换电路图3.5.1库克电路及其等效电路和工作波形晶闸管关断晶闸管开通1）Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管D的电流连续或断流。2）工作情况电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电流总是大于零。电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电