北京交通大学 电力电子技术 第05章 直流斩波器(DC-DC变换器)

BeijingJiaotongUniversity(BJTU)电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring2006电气工程学院陈洛忠BeijingJiaotongUniversity(BJTU)第五章直流斩波器（DC-DC变换器）BeijingJiaotongUniversity(BJTU)概述1、直流电压的调节方式（1）线性调节方式通过与负载相串联的线性元件来调节电压损耗大、效率低（2）开关调节方式通过电子开关的闭合/断开来调节电压电阻负载降压变换器BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、直直变换器属开关调节方式3、直直变换技术的应用直流调速系统：如地铁动车、无轨电车、其它蓄电池供电的电动车辆等，在此领域称直流斩波技术开关电源：如通信电源、电脑、移动电话电源等，在此领域称直直变换技术BeijingJiaotongUniversity(BJTU)4、直流斩波器的分类：根据输入、输出电压大小降压型U0UiBuck型升压型U0UiBoost型升－降压型Buck-Boost型Cuk型根据输出电压、输出电流方向第一象限U00,I00第二象限U00,I00两象限四象限根据是否带隔离变压器不带隔离变压器和带隔离变压器BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5、本章将讨论直直变换器的工作原理和稳态工作特性，在分析过程中基于如下几点假设：•电路中的开关管、二极管均为理想器件•电路中的电感、电容均为理想器件•直流输入电源为理想的恒压电源•输出电压的纹波远小于输出平均电压BeijingJiaotongUniversity(BJTU)6、本章要求：•熟悉直流变换电路的工作原理及控制方法，掌握四种基本DC/DC变换电路的工作原理、连续导电模式时的波形分析及电量计算方法•了解多相多重型斩波电路、多象限斩波电路的工作原理及控制方法•了解带隔离变压器的DC/DC变换电路的工作原理7、重点：掌握各种DC/DC变换电路的工作原理、波形分析和电量计算BeijingJiaotongUniversity(BJTU)直流斩波器的应用：直流电机调速直流电压变换（开关电源）直流电压隔离BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3.1工作原理及控制方式3.1.1直流斩波器的工作原理S：斩波开关D：续流二极管S闭合：uLD=USS断开：uLD=0BeijingJiaotongUniversity(BJTU)负载电压平均值：斩波开关导通比（占空比）：01，0ULDUS0tton:SSonLDUUTtUTtonmLDAALDSERidtdiLUtLRAtLRLDmSALDLDLDLDeIeREUimin)1(BeijingJiaotongUniversity(BJTU)tontT:''max)1(tLRAtLRLDmALDLDLDLDeIeREimLDAALDERidtdiL0BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3.1.2直流斩波器的控制方式基本控制方式：调节ton/T•定频调宽控制（PWM）T不变，调节ton•定宽调频控制（PFM）ton不变，调节Ttoff不变，调节ton和T•调频调宽混合控制SonLDUTtUBeijingJiaotongUniversity(BJTU)反馈控制方式：瞬时值控制（边带控制、bang-bang控制）当iImin时，S开通当iImax时，S关断特点：输出电流(电压)纹波恒定响应速度快开关频率变化较大BeijingJiaotongUniversity(BJTU)平均值控制电压反馈控制或电流反馈控制当UfUr时，增加ton，U0上升当UfUr时，减小ton，U0下降特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.1降压变换器（BUCK变换器）一、电路与工作原理1、电路结构2、工作原理S闭合，Ud通过L向R供能，iL增大，L储能增加S断开，iL通过D续流，L上的能量消耗在R上，iL下降Uo=0~Ud视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式+-+-dUC+-LiLu+-=R(负载)ouoUoiuudUOoUtonttoffsSfT1(a)Ldi(b)图5.2降压变换器电路图及电压波形图DD功率开关器件滤波电容储能电感续流二极管BeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、连续导电模式1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=IL忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoBeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、电量计算因为所以得：由得：DTtUUsondoDUUIIIUIUoddooodd10LU0))(()(onsoonodtTUtUUBeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.2升压变换器（BOOST变换器）一、电路与工作原理1、电路结构2、工作原理S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电S断开，iL通过D向C和R供电，iL下降Uo=Ud~∞视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式储能电感滤波电容BeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、连续导电模式1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，I0=ID，Id=IL忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoBeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、电量计算稳态时，一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等：0offodondtUUtUDtTUUoffsdo11DIIdo1BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.3升降压变换器（BUCK--BOOST变换器）一、电路结构与工作原理1、电路结构2、工作原理S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电S断开，iL通过D向C和R供电，iL下降Uo=0~∞视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式BeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、连续导电模式1、波形分析稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，I0=ID忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoBeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、电量计算01sosdTDUDTUDDUUdo1DDIIdo1BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.4丘克变换器（CUK变换器）一、电路结构与工作原理1、电路结构L1、C1为能量传递元件L2、C2为滤波元件BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、工作原理S闭合，D截止，Ud向L1充电，iL1增大，C1向L2、C2和负载供电，iL2增大S断开，D导通，Ud和L给C1充电，iL1下降，负载由L2和C2供电，iL2下降Uo=0~∞视iL1是否连续，可分为连续导电和不连续导电模式+-+-R图5.17连续导电模式下丘克变换器等效电路图（a）T导通；（b）T截止+-1L+-dUC+-2LD+-+-oURC1U+-1L1LU+-dUC+-2LT(b)(a)L2U1LUC1U2LUoUBeijingJiaotongUniversity(BJTU)二、连续导电模式1、波形分析稳态时，UC1、Uo基本恒定，IC1=0，IC2=0，UL1=0，UL2=0忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIoId=IL1，Io=IL2BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、电量计算dCUDU111oCUDU11DDUUdo1DDIIdo10)1)((1scdsdTDUUDTU0)1)(()(1sosocTDUDTUUL1UtL1it0dUontofft)(dLII图5.18连续导电模式各点波形图GUtTUt0t0TiL2UtL2it0oU)(oLIISTC1USTST000)(1dcUUocUU1BeijingJiaotongUniversity(BJTU)课堂思考1、在丘克DC—DC变换器中，传递能量的元件是。2、在BOOST电路中，若输入电压Ui=10.0V，占空比D=0.7，则输出电压Uo=。3、判断对错（1）Buck—BoostDC—DC变换器：①在连续工作状态下，输入电流是连续的②属于一象限DC—DC变换器③在连续工作状态下，若输入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈线性关系④是升降压DC—DC变换器⑤连续工作状态是指负载电流连续（2）DC-DC变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动越小。（3）在DC-DC变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动越小。（4）在DC-DC变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动越小。BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.1~5.4小结1、直流—直流（DC—DC）变换器——把一种直流电变换成另一种直流电的电力电子装置2、DC—DC变换器的分类、基本控制方法3、DC—DC变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响4、对四种基本DC—DC变换器的要求：①能画电路图、并能叙述其工作原理②能画各元件上的电压、电流波形（重点是uL、iL波形，难点是ic波形）③会推导Uo/Ud=f(D)的关系式和iL的表达式BeijingJiaotongUniversity(BJTU)5.5带隔离变压器的直直变换器开关电源的基础：由基本直直变换器派生而来•由降压变换器派生的电路单端正激变换器混合桥式变换器电压型推挽变换器电压型半桥变换器电压型全桥变换器•由升压变换器派生的电路电流型推挽变换器•由升-降压变换器派生的电路单端反激变换器BeijingJiaotongUniversity(BJTU)一、正激式（Forward）变换器（一）理想单端正激式变换器不考虑变压器激磁电抗和漏抗+-dUC+-LiLu+-=R(负载)ouoUoiLdiAB图5.25降压变换器+-dU+-CRToU图5.26理想的单端正激变换器电路1D2DL1N2NLi+-LuDNNUUdo122、工作原理S闭合：D1正偏导通，D2反偏截止，uL0，iL线性增大；S断开：D2续流，uL0，iL线性减小。1、电路结构BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、单端变换器必须遵循的原则：磁通复位（去磁）原则要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加，导致磁芯饱和，造成开关管损坏t0t1t2tontrstuN1imBRBSBHSttOtOOOBeijingJiaotongUniversity(BJTU)（二）实用单端正激式变换器1、电路结构N1：原边绕组；N2：副边绕组；N3：去磁绕组BeijingJiaotongUniversity(BJTU)2、工作原理S闭合：D1导通，D2、D3截止，iL、im线性增长S断开，去磁期间：D1截止，D2、D3导通，iL、im线性减小，im经N3、D3反馈到电源Ud中Ｓ断开，去磁以后：D1、D3截止，D2导通，iL线性减小BeijingJiaotongUniversity(BJTU)BeijingJiaotongUniversity(BJTU)3、基本关系：Ｓ承受最大电压：D1承受最大电压：D2承受最大电压：D3承受最大电压：通常取：N3=N1DNNUUdo12)1(113maxNNDdDUNNU)1(13max3dDUNNU)(32max1dDUNNU)(12max2dTUNNU)1(31maxBeijingJiaotongUniversity(BJTU)（三）双管单端正激式变换器Beiji