电力电子技术 第十四次课

第3章DC/DC变换电路3.2基本的直流斩波电路3.3复合斩波电路3.4变压器隔离的直流—直流变换器3.1直流PWM控制技术基础返回第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路重点：电路结构、工作原理及主要数量关系第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。直流变换电路—完成直流变换的电路。直流变换器—实现直流变换的装置。3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念直流变换问题的提出直流调速：需要可变的直流电压直流供电电压一定，而负载需要不同电压直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要变换到较高电压再变换为直流3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（1）开关管T导通时，R两端电压uo=US开关管仅两种工作状态：导通与断开开关管IGBT导通条件：UG0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T导通等效电路ioUSiSuoRT3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（2）开关管T断开时，R两端电压uo=0开关管仅两种工作状态：接通与断开开关管IGBT断开控制：UG=0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T断开等效电路ioUSiSuoRT3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念R两端平均电压：SsonoUTtU控制一周期中导通时间比例可控制输出平均电压开关管IGBT控制电压R两端电压波形基本的直流变换电路ioUSiSuoRT3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念定义上述电路中导通占空比D为:offononsontttTtD通过控制占空比控制输出电压R两端平均电压：SsonoUTtUSDU导通占空比占空比导通比改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念①脉冲频率调制(PFM)维持ton不变，改变TS。改变TS就改变了输出电压周期或频率。tonTS1uttonTS2ut2211DTtTtDsonson改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念②脉冲宽度调制(PWM)维持TS不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。有利于滤波器的设计ton1TSutton2TSut改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念③混合脉冲宽度调制脉冲周期TS与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式ton1TSutton2TS2ut3.2基本的直流变换电路3.2.1降压斩波电路3.2.2升压斩波电路3.2.3升降压斩波电路3.2.4库克变换电路返回3.2基本的直流变换电路基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路介绍内容：1、电路结构2、工作原理3、主要波形3.2基本的直流斩波电路3.2.1降压变换电路降压变换电路输出电压的平均值低于输入直流电压，又称为Buck型变换器。?D、L、C作用降压变换电路IGBT实现USiSiLuoioRLCTDUSiSiLuoioRLCSD降压变换电路结构3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（1）T导通情形电感电压uL=US–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性增长，电感储能增加电源能量向电感、负载传递USiSiLuoioRLCTDT导通等效电路USiSiLuoioRLCTD3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流连续电感电压uL=–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性下降，电感储能减少电感储能向电容、负载转移USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL0)DUSiSiLuoioRLCT3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流断续电感电压uL=0，电容向负载供电电容储能向负载转移T一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高控制开关管导通占空比可控制输出电压USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL=0)iLDUSiSuoioRLCT3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理输出电压在0~电源电压之间可调—降压变换电路特殊情形：T常断开特殊情形：T常导通USiSiLuoioRLCTD稳态：电感电压uL=0负载电压u0=0稳态：电感电压uL=0负载电压u0=US2主要波形分析3.2.1降压变换电路理论基础——电路理论基本方法——分段线性分析（重点是根据开关情况确定等效电路）假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直2主要波形—电感电流连续情形电感电流连续情形：iL0降压电路T导通等效电路uG0T断开等效电路uG=02主要波形—电感电流连续情形数学模型:RuidtduCiuUdtdiLuCLCCCSLL初值条件?假设uC=Uo=常数iL线性增加uGtuLCsuUtiLiMimtiCtT导通等效电路+uo-+uL-T导通波形2主要波形—电感电流连续情形数学模型:RuidtduCiudtdiLuCLCCCLL初值条件?假设uC=Uo=常数iL线性减少toffCuiLuGttonuLCSuUtiCtimtiMT断开等效电路+uo-+uL-主要波形3主要数量关系—电感电流连续情形(1)平均输出电压Uo(2)平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3)电感电流纹波DIL(4)负载电压纹波DUO主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定3主要数量关系—电感电流连续情形uLuGCSuUiLiCimttttCutontoffiM(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(offConCStutuU或：0*)(*)(offoonoStUtUUSSSonoDUUTtUuLuG3主要数量关系—电感电流连续情形CSuUiLiCimttttCutontoffiM(2)输出平均电流IoRUDRUISOoIO(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUmMLiiIDonStULD1uLuG3主要数量关系—电感电流连续情形CSuUiLiCimttttCutontoffiMIO(4)电感电流极值iM、im?稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。电流连续时:22MmMOiiiI电感平均电流=负载平均电流22LOmLOMIIiIIiDD3主要数量关系—电感电流连续情形(5)电容电压纹波DuCuGiLimtttontoffiMIOiCtDuCtuCUORUiRuidtduCiOLCLCCD2/2/)(1offonontttOLCmCMCdtIiCUUu2*2*21*1LsCITCuDD3主要数量关系—电感电流连续情形（5）电容电压纹波DuC2*2*21*1LsCITCuDDonSstULDTC2)1(*2*21*1onSStTULCD8)1(SonoffonSDTtttT注意：28)1(SSTULCDDonSLtULDID1结论：1：增加LC,电压纹波减少2：开关频率高，电压纹波小3：D=0.5，电压纹波达到峰值3主要数量关系—电感电流连续情形5、电容电压纹波DuC28)1(SSCTULCDDuD记：开关频率电路TTfS1LCfC21截止频率滤波电路222)1(DffUDDuCSC纹波系数：OCCCUuUuDD222)1(ffDC电压纹波系数很小时,ffC4主要波形—电感电流断续情形电感电流断续情形：在一段时间内iL=0降压电路T导通等效电路uG0T断开、D续流等效电路uG=0uG=0T断开、D断开等效电路4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RuidtduCiuUdtdiLuCLCCCSLL初值条件假设uC=Uo=常数iL线性增加uGtuLCSuUtiLiMtiCtT导通等效电路+uo-+uL-4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RuidtduCiudtdiLuCLCCCLL初值条件假设uC=Uo=常数iL线性减少ttttuLuGCSuUiLiCtontoffiMCutconT断开、D续流等效电路+uo-+uL-4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RudtduCidtdiLuCCCLL0初值条件uC=Uo=常数iC维持不变CSuUuLuGiLiCttttCutontofftconiMT断开、D断开等效电路+uo-5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(conConCStutuU或：0*)(*)(conoonoStUtUUSconononoUtttUuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtcon注意：tcon与电路参数、ton有关5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压UoSconononoUtttUuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtconSoUDDDU211SonTtD1SconTtD2记电压变换比：211DDDUUSo5主要数量关系—电感电流断续情形(2)输出平均电流IoRUIOo(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUMLiIDuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtconIO电流断续时:2MoiI5主要数量关系—电感电流断续情形uLuGCSuUiLuCttttCutontoffiMtcon(4)电容电压纹波DuCOLCLCCIiRuidtduCiD21)(1ttOLCmCMCdtIiCUUuMoMsoMCiIiTDDIiCuD)(*)(*21*121IOCuDtt2t1注意：SMoMTDDiIitt)(21125主要数量关系—电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuCMoMsoMCiIiTDDIiCuD)(*)(*21*1212221)(***21RLTDLUDDCuSSCDSSonOSMTDLUDDDtLUUi1212*RUDDDTDLUDDDIiSSSOM2111212*注意：=？5主要数量关系—电感电流断续情形D2与系统参数关系uLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtconRUIOoonOSMtLUUi电感平均电流=负载平均电流SoSScononMLTDDDLUUTttiI121)(2*2电感平均电流IL:RUTDDDLUUOSoS121)(22111DDkDDUUSo电压变换比5主要数量关系—电感电流断续情形D2与系统参数关系2111DDkDDUUSo电压变换比211DDDUUSo注意到：212DDkDSRTLk2注意242112kDDD212111211/411242DkkDDDDDDUUSo最后有：(5)电感电流临界连续条件电流临界连续:电感电流仅瞬间为零uLuGCSuUiLuCttttCutontoffiMtconIOCuDtt2t1RUIOoonOSMtLUUi电流临界连续时:2MoiIonOSOotLUURUI2SSSSDTLDUURDU2STRLD21电流临界连续时:（5）电感电流临界连续条件STRLD21电流临界连续时:电感电流连续条件:STRLD21电感电流临界连续条件:STRLD21电感电流断续条件:STRLD21降压变换电路小结优点1、电路简单2、控