电力电子技术直流变换

第五章DC-DC变换技术DC-DC有什么用？如何变换？电压，电流降压与升压降压电路的两种方式LRLIsVCEvLRLIsVCEvoVoVab线性调节器模式如图a所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区，其输出电压为。晶体管模型可以用可调电阻RT等效，其等效电路如图b所示。LLoIRV特点：LRLIsVCEvLRLIsVoVoVabsVoVon闭合off断开tc开关调节器模式在这种模式中晶体管工作在截止区和饱和导通区缺点：电流断续开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点：1、功耗小、效率高。在DC-DC变换中，电力半导体器件工作在开关状态，工作频率很高，目前这个工作频率已达到数百甚至1000KHz，这使电力半导体器件功耗减少、效率大幅度提高。2、体积小、重量轻。由于频率提高，使脉冲变压器、滤波电感、电容的体积、重量大大减小，同时，由于效率提高，散热器体积也减小。还由于DC-DC变换无笨重的工频变压器，所以DC-DC变换体积小、重量轻。3、稳压范围宽。目前DC-DC变换中基本使用脉宽调制（PWM）技术，通过调节脉宽来调节输出电压，对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿，所以稳压范围宽。DC-DC变换分类：1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，按激励方式划分为它激式和自激式两种方式。2）按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制（PWM）和频率调制（PFM）两种方式。3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联型两种。4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半导体器件在开关过程中承受零电压（ZVS）或零电流（ZIS）。5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。降压斩波电路（Buck）电路结构全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。数量关系：若ωL》R，则流过L的电流I在VT通和断时保持不变，则有：RTItEI2LonL负载上的输出平均电压Ud=？RTIEtLonEETtondUT不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T—频率调制。ton和T都可调，改变占空比—混合型。斩波电路三种控制方式EETtondUContinuouspowerguiv+-VoltageMeasurement1v+-VoltageMeasurementSeriesRLCBranchScopeRPulseGeneratornode10gmdsMosfetDiodeDCVoltageSourcei+-CurrentMeasurement3i+-CurrentMeasurement2i+-CurrentMeasurement1i+-CurrentMeasurementCBuck电路MATLAB仿真升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jul-2000SheetofFile:D:\licircuit\lihong.ddbDrawnBy:QDLCZVduciCioBoost电路图iLQDLCZVduciCioiLQDLCZVduciCioiLQDLCZVduciCioiLbQ导通Q关断Q关断时电感电流为零adc数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffonooffoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和a的关系：因此也可表示为off/tT1EEU111oTtoff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，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUI1oo电源电流的平均值I1为：REIEUI2oo11升降压斩波电路(buck-boostChopper)电路结构基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。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。数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE结论当0a1/2时为降压，当1/2a1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。例1.在图所示的降压斩波电路中，已知E＝200V，R=10Ω，L值极大，Em=30V。采用脉宽调制控制方式，当T=50us，ton=20us时，计算输出电压平均值Ud﹑输出电流平均值Id。例2.画出升压斩波电路，其中已知E=50V,L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40us,ton=25us时，计算输出电压平均值U0﹑输出电流平均值I0。Cuk电路由于Buck-Boost变换器的电感L在中间，其输入和输出电流的脉动都很大。针对这一缺点，美国加州理工大学的SlobdanCuk教授提出了单管Cuk变换器，该变换器使用了两个电感，一个在输入端，一个在输出端，从而减小了电流脉动。Cuk变换器的电路形式如图所示，其中L1、L2为储能电感，Q为功率开关管，D为续流二极管，C为传输能量的耦合电容。Cuk变换器能够提供一个反极性、不隔离的输出电压，输出电压可高于或低于输入电压，而且其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的，这些特点使Cuk变换器有着广阔的应用前景。工作原理V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Sep-2000SheetofFile:D:\licircuit\lihong.ddbDrawnBy:QDLC2ZVduciC2ioQ导通iL1bLCiC1121+-QDLC2ZVduciC2ioCuk电路图iL1aLCiC1iD121+-QDLC2ZVduciC2ioQ关断iL1cLCiD121+-QDLC2ZVducQ关断时二极管电流为零dLC121+-同理：数量关系Tti0C0dV处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得：off1on2tItI1onononoff12ttTttIIEEtTtEttU1ononoffono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。隔离的DC-DC变换器原理在实际应用中，有许多场合需要输出电压和输入电压隔离，或需要多路输出，此时需要高频变压器来完成这些功能。1、单端DC-DC变换器原理及设计上一节介绍的四种基本类型的变换器加上变压器隔离后，可以引申出各种类型的单端变换器：Buck型引申为Forward型（单端正激）变换器；Boost型引申为Fly-back型（单端反激）变换器。1）Fly-back（单端反激）变换器原理Fly-back（单端反激）变换器原理图如图所示。在工作过程中，变压器起了储能电感的作用，实际上是耦合电感，用普通导磁材料作铁芯时，铁芯必须留有气隙，保证在最大负载电流时铁芯不会饱和。Fly-back（单端反激）变换器由于电路简单，所用器件少，适于多路输出场合应用。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Mar-2001SheetofFile:F:\李宏电路图\DISANTUDrawnBy:VCCTQD1CRN1N2ipisVO**等效电路如图所示，功率晶体管的门极被激励而导通时，输入电压加到变压器的初级绕组两端，由于变压器对应的极性，次级绕组下正上负，二极管截止，次级绕组中没有电流流过，负载电流由滤波电容提供。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Mar-2001SheetofFile:F:\李宏电路图\DISANTUDrawnBy:VINTQD1CRN1N2VO**VINTQD1CRN1N2VO**VINTQD1CRN1N2VO**abcFly-back变换器不同开关状态的等效电路图工作原理功率晶体管Q截止，原边绕组开路，次级绕组的电压极性上正下负，二极管D导通，导通期间储存在变压器中的能量通过二极管向负载释放，同时向电容充电。数量关系主要研究Vin与Vo之间的关系由能量守恒观点可知：offoonintIVtIV21inoffonoVtItIV21ininononinoffonoVnnVtTtnnVttIIV11212212）Forward（单端正激）变换器Forward变换器（单端正激变换器）实际上是在降压式BUCK变换器中插入隔离变压器而成下图给出了输入端接复位绕组的单端正激变换器的主电路。开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组，符号*表示绕组同名端。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001SheetofFile:F:\李宏电路图\lihong.ddbDrawnBy:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W***+++---uuuw1w2w3VO+-iLf1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeADate:27-Mar-2001SheetofFile:F:\李宏电路图\lihong.ddbDrawnBy:D3D1D2VINTQCLRffLWW123W***+++---uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W***+++---uuuw1w2w3VO+-iLfD3D1D2VINTQCLRffLWW123W***+++---uuuw1w2w3VO+-iLf(a)Q导通(b)Q关断(c)Q关断，磁复位完成（a）Q导通（b）Q关断，变压器磁复位（c）Q关断工作原理1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeAD