第5章 直流-直流变换电路

第5章直流-直流变换电路本章要点直流斩波电路的基本结构和分类；单象限直流斩波器（降压式、升压式、升-降压式、Cuk电路）的基本电路结构、工作原理和波形；H桥式斩波电路的基本结构和工作原理变压器隔离的斩波电路的基本结构和工作原理5.1直流斩波器一、概述将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它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D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC/DC变换电路，俗称斩波器(Chopper)。在直流斩波器中，因输入电源为直流电，电流无自然过零点，半控元件的关断只能通过强迫换流措施来实现。造成线路的复杂化和成本的提高。因此，直流斩波器多以具有自关断能力的全控型电力电子器件作为开关器件。二、直流斩波器的基本结构和工作原理下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。图5-1SVDdI+-0ULRsU0Ttont0U0usU三、直流斩波器的分类直流斩波器按照调制形式可分为1）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制(PFM)；3）混合调制。按变换电路的功能分类有1）降压式直流-直流变换(BuckConverter)；2）升压式直流-直流变换(BoostConverter)；3）升压-降压复合型直流-直流变换(Boost-BuckConverter)；4）库克直流-直流变换（CukConverter）。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为1）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。onontTtLLTLdtudtudtu000onontTtCCTCdtidtidti000四、直流斩波器中电感、电容的基本特性1、电感电压的伏秒平衡特性稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此，每个开关周期中电感电压2、电容电流的安秒平衡特性稳态条件下，开关变换器中的电容电流必然周期性重复，每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定，因此，每个开关周期中电容电流5.2单管非隔离直流斩波器5.2.1、降压式直流斩波电路1、电路的结构电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电容，R为负载；Us为输入直流电压，U0为输出直流电压。图5-2LVTVDC-+R0u0iLiDi+-LU(a)6-2sUsi2、工作原理1）在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，则电源Us通过L向负载供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，在电感端有一个正向电压uL=Us-uo，左边正右边负。这个电压引起电感电流iL线性增加；如上图(a)所示。2、工作原理2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流iL经二极管VD续流，uL=-uo（原方向设为正），电感L向负载供电，电感L的储能逐步消耗在R上，电流iL下降。如上图(b)所示。图5-4连续和断续两种工作模式波形图3、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：即式中D为导通占空比；ton为VT的导通时间；T为开关周期。通常ton≤T，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入电压E不变时，输出电压Uo随占空比D的线性变化而线性改变，而与电路其他参数无关。TTtLtLLonondtudtudtu000EDETtUon0)()(on0on0tTUtUUS5.2.2升压式直流斩波电路1、电路的结构斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接图5-5LVTVDCR0u0iLu6-3sULi2、工作原理1）VT导通时，Us向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值IL。又VD截止时C向负载R放电，由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设VT的导通时间为ton，在此阶段电源Us全部加在电感L上，则Us=uL；2、工作原理2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源Us叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感电压为。)(oSUU图5-7Boost变换器工作波形3、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性设输出电压平均值为U0，则在稳态时，上式可以表达为：即由斩波电路的工作原理可看出，周期T≥toff，或T/toff≥1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压Us，该变换电路称为升压式斩波电路。TTtLtLLonondtudtudtu0000)(offotUUtUsonsssUtTUtttUoffoffoffon05.2.3升降压式直流斩波电路1、电路的结构该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二极管VD反向串接在储能电感与负载之间。图5-8LVTVDC-+R0uLiDi+-Lu(a)+-Cu6-4sUTi2、工作原理1）当开关VT导通时，电源Us经VT给电感L充电储能，电感电压上正下负，此时VD被负载电压（下正上负）和电感电压反偏，流过VT的电流为iT（=iL），方向如上图a所示。由于此时VD反偏截止，电容C向负载R供能并维持输出电压基本恒定，负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与电源极性相反；此阶段sLUu2、工作原理2）当开关VT关断时，电感L电压极性变反（上负下正），VD正偏导通，电感L中的储能通过VD向负载R和电容C释放，放电电流为iL，电容C被充电储能，负载R也得到电感L提供的能量。0UuL图5-10Buck-Boost变换器工作波形3、基本数量关系根据电感电压的伏秒平衡特性有在开关VT导通期间，有uL=Us；而在VT截止期间，uL=-u0。于是有Uston=U0toff输出电压表达式可写成改变D输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。当时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为降压变换；当时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为升压变换。2/10D12/1DsssUDDUtTtUttU1ononoffon0TTttdtudtudtu0onLon0LL05.2.4Cuk直流斩波电路1、电路的特点Cuk斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电流连续，脉动成分较小。图5-112、工作原理VTVDC-+R0u1L2L(a)sU1）当控制开关VT导通时，电源Us经L1→VT回路给L1充电储能，C通过C→L2→R→VT回路向负载R输出电压，负载电压极性为下正上负。2）当控制开关VT截止时，电源Us通过L1→C→VD回路向电容C充电，极性为左正右负；L2通过L2→VD→R→L2回路向负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。EDDEtTtEttU1ononoffon0输出可写成5.2.5H桥式直流斩波电路1、电路的特点全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开关VT及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在四象限运行。图5-14+-1VT1VDaR3VT4VT2VD3VD4VD0iaLae)(VNUN0uuu+-+-直流电动机负载2VTUVUNudiuVNsU2、工作原理如果变换器同一桥臂的两个开关管VT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，U点的电压uUN由如下的开关状态决定：当VT1导通时，正的负载电流io将流过VT1；或当VD1导通时，负的负载电流io将流过VD1，则U点的电压为：uUN=Us类似地，当VT2导通时，负的负载电流io将流入VT2；或当VD2导通时，正的负载电流io将流过VD2，则U点的电压为：uUN=0综上所述，uUN仅取决于桥臂U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UUN为：式中，ton和toff分别是VT1的导通和断开时间，DVT1是开关管VT1的占空比。由此可知，UUN仅取决于输入电压E和VT1的占空比DVT1。类似地，因此，输出电压Uo(=UUN-UVN)也与变换器的输入电压Us、开关占空比DVT1和DVT3有关，而与负载电流io的大小和方向无关如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则输出电压uo由输出电流io的方向决定。这将引起输出电压平均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同时处于断开的情况发生。VT1offonUN0DUTttUUssVT3VNDUUs3、全桥式变换器有两种PWM的控制方式：1）双极性PWM控制方式在该控制方式下，图中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。2）单极性PWM控制方式在该控制方式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。全桥式直流-直流变换器的输出电流即使在负载较小的时候，也没有电流断续现象。5.3变压器隔离的直流-直流变换器许多场合要求输入输出间实现电隔离，在基本的非隔离DC-DC变换器中加入变压器，就可派生出带隔离变压器的DC-DC变换器。在这类变换器中，变压器的作用主要是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。应用在DC-DC变换器中的变压器是高频变压器，工作原理与其他类型的变压器不同，铁芯必须加气隙。由于变压器可插在基本变换电路中的不同位置，从而可得到多种形式的变压器隔离的变换器主电路。下面介绍常见的单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等5.3.1单端正激变换器1、电路结构单端正激变换器由Buck变换器派生而来。下图(a)为Buck变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔离变压器，即可得到图(b)的单端正激变换器。图5-15单端正激变换器结构2、工作原理1）开关管VT导通时，工作状态如图5-16(a)所示，根据图中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流，VD1导通，VD2截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通期间，电感电压012LUUNNus图5-16(a)2、工作原理2）开关管VT截止时，工作状态如图5-16(b)所示，变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极管VD2续流。在开关管VT断开期间，电感电压为负，电流线性下降。电感电压0LUu图5-16(b)0)()(0012offonstUtUUNNssonUDNNUTtNNU12120)(在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内积分为零。因此由上式可见，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比成正比，这与Buck变换器类似，不同的是比后者多了一个变压器的变比。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压变换器的一些特性。得5.3.2单端反激变换器1、电路结构反激变换器电路如图5-17所示。与升-降压变换器相比较，反激变换器用变压器代替了升-降压变换器中的储能电感。这里的变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起储能电感的作用。0U+-VT1VDCsU图5-17单端反激变换器电路原理图2、工作原理1）当开关管VT导通时，VD1承受反压，此时变压器副边相当于开路，原边相当于一个电感。电源US向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。2）当开关管VT截止时，线圈中磁场储能不能突变，将会在变压器副边产生上正下负的感应电势，该感应电势使VD1承受正向电压而导通，从而磁场储能转移到负载上。反激变换器电路简单，在小功率场合应用广