第三章--DC-DC变换器3课件

电力电子技术PowerElectronicTechnology3.3复合型DC-DC变换器uiVTRLdLVDiLuoCfiouDiCfiORVTCVDLuiuiRVDC1VTL1L2iL1+-+-uL1+-uC1iL2+-uL2C2+-uoiTiDioiC2uiVRCiCu0i2ILi1uL+-+-能量只能由输入侧到输出侧一个方向流动3.3复合型DC-DC变换器EVT+-RLVDioEMuoiGM01nnaI00n02n单方向能量流动很多应用场合难以满足要求3.3复合型DC－DC变换器•之前讨论的DC－DC变换器实际上是一些基本的DC－DC变换器，如果将DC－DC变换器的输出电压（纵坐标）、输出电流（横坐标）构成坐标系，那么上述各类基本的DC－DC变换器由于各自的输出只能工作在输出电压、电流坐标系的第一象限，因此可称为单象限DC－DC变换器•单象限DC－DC变换器的共同特征就是各自的输出电压、电流不可逆即DC－DC变换器的能量不可逆uoIoⅠⅡⅢⅣ3.3复合型DC－DC变换器•当DC－DC变换器的输出电流或输出电压可逆时，变换器可在两象限运行，因此称这类DC－DC变换器为两象限DC－DC变换器•当DC－DC变换器的输出电流、输出电压均可逆时，变换器可在四象限运行，因此称这类DC－DC变换器为四象限DC－DC变换器•两象限DC－DC变换器和四象限DC－DC变换器的拓扑结构均可由基本的单象限DC－DC变换器拓扑组合而成uoIoⅠⅡⅢⅣ3.3.1二象限DC－DC变换器uiVT+-RLVDioEMuiVDLVTEMRiLuiVDLVTEMRuiVT+-RLVDioEMuiVDLVTEMR可见电流可正、可负但电压只能有一种方向，工作在第Ⅰ、Ⅱ象限工作时应避免直通现象3.3.1二象限DC－DC变换器结构与工作方式•VT1和VD2构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限-工作方式Ⅰ•VT2和VD1构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限-工作方式ⅡuiLVT1VD2ioVT2VD1EMR+uo3.3.1二象限DC－DC变换器第3种工作方式-ⅢuiLVT1VD2uoioVT2VD1EMR+不能同时导通，互补信号VT1tVT2ttiLtuoVT1VD2VT2VD13.3.1二象限DC－DC变换器3.3.1二象限DC－DC变换器•当电流正向换流时（io＞0），或VT1导通，或VD2导通，变换器工作在第一象限，此时的变换器换流电路实际上是一个buck变换器电路，并且变换器向负载提供能量，换流期间的电压、电流波形如图中t1~t2段所示VD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD1iD2ittb1t2tV2i3tVD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD1iD2ittb1t2tV2i3tVD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD2iD1ittb1t2tV2i3t3.3.1二象限DC－DC变换器•当电流反向换流时（io＜0），或VT2导通，或VD1导通，变换器工作在第二象限，此时的变换器换流电路实际上是一个boost变换器电路，并且负载向变换器回馈能量，换流期间的电压、电流波形如图中t2~t3段所示VD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD1iD2ittb1t2tV2i3tVD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD1iD2ittb1t2tV2i3tVD1VD2LREOiVT2VT1a0u0iooV1iD2iD1ittb1t2tV2i3t3.3.1二象限DC－DC变换器uiLVT1VD2ioVT2VD1EMR+uo1)电流可逆型二象限DC－DC变换器实际上由一个buck变换器电路和一个boost变换器电路组合而成，并交替工作2)变换器的输出电压极性不变，而电流极性可变，即能量能可双向传输3)调节斩波占空比就可以控制变换器的输出平均电压4)为了防止变换器上、下桥臂的直通短路，上、下桥臂的开关管驱动信号中须加入“先关断后导通”的开关死区5)电流可逆型二象限DC－DC变换器其负载必须为感性负载，否则，变换器只能工作在第一象限3.3.2四象限DC－DC变换器电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，构成桥式可逆斩波电路01nnaI00n02nuiLVT1VD2uoioVT2VD1EMR+LVT3VD4uoioVT4VD3EMRui+uiLR+-VT1VD2uABVT3EMVT2VD1iABVT4VD4VD3AB3.3.2四象限DC－DC变换器uiLR+-VT1VD2uABVT3EMVT2VD1iABVT4VD4VD3AB3.3.2四象限DC－DC变换器•当VT4保持导通时，利用VT2、VT1进行斩波控制，则构成了一组电流可逆的二象限DC－DC变换器，此时UAB≥0，变换器运行在一、二象限•当VT2保持导通时，利用VT3、VT4进行斩波控制，则构成了另一组电流可逆的二象限DC－DC变换器，此时UAB≤0，变换器运行在三、四象限uiLR+-VT1VD2uABVT3EMVT2VD1iABVT4VD4VD3AB3.3.3多相多重DC－DC变换器•以上所讨论的二象限、四象限DC－DC变换器实际上是为了扩大DC－DC变换器的运行象限而由基本DC－DC变换器组合而成，因此，二象限、四象限DC－DC变换器实质上属于复合型DC－DC变换器•采用一般直流变换器作为供电电源时，输出电压波纹不可避免，尽管设置滤波环节，但基于经济和技术上的考虑，滤波参数往往不能太大。•鉴于输出电压和负载电流的脉动都与调制频率有关，考虑提高调制频率来达到减小平波电抗器的体积与重量。但调制频率受开关器件的开关频率限制。而且在大容量场合，单个器件难以满足要求，需要串并联器件使用，这又带来了其他技术问题，均压和均流。3.3.3多相多重DC－DC变换器多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的不仅可以扩大变换器容量，而且通过适当的斩波控制还可以提高并联DC－DC变换器输出的等效开关频率，以降低变换器的输出谐波。多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的•相数——一个控制周期中电源侧的电流脉波数。•从电源侧看，不同相位的斩波回路数。•重数——一个控制周期中负载电流脉波数•从负载侧看，不同相位的直流变换回路数3.3.3多相多重DC－DC变换器示例：3相3重降压斩波电路相当于由3个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍由于3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小LuiVT1VT2VT3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1MC3.3.3多相多重DC－DC变换器•3相3重降压斩波电路工作波形tOtttttttOOOOOOOu1u2u3i1i2i3io•因此这种电路对输入侧滤波器和输出侧平波电抗器要求明显降低，减小了装置的体积和重量。•图中的电源电流是三个开关器件通态时电流瞬时值之和，故电源电流在一个开关周期内也是脉动3次。3.3.3多相多重DC－DC变换器LuiVT1VT2VT3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1MC•很显然，并联的单元越多（相数），输出电压、电流脉动程度越小，使输出电流脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）降低，感应干扰减小•和单相时相比，设输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗器总重量大为减轻•多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用tOtttttttOOOOOOOu1u2u3i1i2i3io3.3.3多相多重DC－DC变换器•对于不同电源和负载数，电路叫法不同。•当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路•而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路LEV1V2V3i1i2i3VD3VD2L1L2L3iouou1u2u3VD1M3.3.3多相多重DC－DC变换器3.3.3多相多重DC－DC变换器•m相m重DC－DC变换器的特性–每个变换器单元的占空比均为D–每个变换器单元开关管的驱动信号错开1/m的开关周期时间–每个变换器单元的输出电压的平均值均相等且等于m相m重DC－DC变换器的输出平均电压–每个变换器单元的平均输出电流则为输出负载平均电流的1/m3.3.3多相多重DC－DC变换器•上述多相多重DC－DC变换器中的变换器单元具有互为备用的功能，当一个变换器单元故障时，其余的变换器单元仍可以正常工作•显然，多相多重DC－DC变换器在扩大变换器容量和改善输入、输出电流波形的同时提高了变换器供电的可靠性•以上讨论的多相多重DC－DC变换器实际上是一种变换器的电流扩容方式•当然，还可以将多个基本的DC－DC变换器串联，并通过类似的移相控制，从而在实现变换器电压扩容的同时有效地改善复合型DC－DC变换器的电压波形，但是这种变换器串联复合的电压扩容方式无法使变换器单元互为备用，因而不能提高变换器供电的可靠性