电力电子学：第3章 直流—直流变换器

1、电力电子学电力电子变换和控制技术 直流/直流变换器1电力电子学电力电子变换和控制技术3 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 直流直流/直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 直流直流/直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或变换器或Cuk变换器）变换器） 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/直流变换器直流变换器 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/直流变换器直流变换器 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/直流变换器直流变换

2、器 小结小结电力电子学电力电子变换和控制技术 3.1直流直流/直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.1.1 电路结构和降压原理3.1.2 电感电流连续时工作特性3.1.3 电感电流断流时工作特性电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理 电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理( (续续1)1)q理想的电力电子变换器理想的电力电子变换器（1）开关管）开关管T和二极管和二极管D从导通变为阻断，或从阻从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；断变为导通的过渡过

3、程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。于变换器的输出功率。OOSSIVIV电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理( (续续2)2)电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理( (续续3)3)电

4、力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理( (续续4)4)电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.1 3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理( (续续5)5)q输出电压输出电压LC滤波滤波 (3-5)式示出的直流输出电压式示出的直流输出电压 VEO 中除直流分量中除直流分量VO=VSD 外还含有各次谐波电压，在外还含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间开关电路的输出端与负载之间加接一个加接一个LC 滤波电路，如图滤波电路，如图3.1(a)所示，可以减少负载上的所示，可以减少负载上的谐波电压。由于开关频率通常都选取得比较

5、高，滤波电感谐波电压。由于开关频率通常都选取得比较高，滤波电感L 对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻，对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻，E、O两端两端的交流电压分量在滤波电感的交流电压分量在滤波电感 L 中所产生的交流电流不大，且中所产生的交流电流不大，且交流电压分量绝大部分降落在电感交流电压分量绝大部分降落在电感L 上，直流电压分量上，直流电压分量VO 则则直接通过直接通过L加至负载。另一方面滤波电容加至负载。另一方面滤波电容C对直流电流阻抗为无对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小，故流经穷大，对交流电流阻抗很小，故流经L的直流电流全部送至负的直流电流全部送至负载，而

6、流经载，而流经L的数值不大的交流电流几乎全部流入滤波电容的数值不大的交流电流几乎全部流入滤波电容C。这就保证了负载端电压、电流为平稳的直流电压、电流。这就保证了负载端电压、电流为平稳的直流电压、电流。电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性( (续续1)1)电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性( (续续2)2)图图3.2 Buck变换器变换器电路图及其主要波形电路图及其主要

7、波形电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性( (续续3)3)电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性( (续续4)4)q在整个开关周期中，均不为零，被称为电流连续工况。在整个开关周期中，均不为零，被称为电流连续工况。这时这时Buck电路在一个开关周期期间输出电压波形为宽电路在一个开关周期期间输出电压波形为宽度为、数值为的矩形波电压。度为、数值为的矩形波电压。电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.2 3.1.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性 ( (续续5)5

8、)q电路的开关状态和工作波形电路的开关状态和工作波形lvOvSi+-liCiOiSV(b)开关状态1，T导通D截止等值电路CLRRDSVoi+-lilv(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路TovLCTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoottttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLIIQD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv电力电子学电力电子变换和控制技术变压比、导通比的定义变压比、导通比的定义SonTTD/0/SMVVsonDTTsoffTDT)1 ( - 变压比显然与

9、电路结构和导通比都有关变压比显然与电路结构和导通比都有关系，他们之间的关系可用多种方法推导。系，他们之间的关系可用多种方法推导。导通比（占空比）：导通比（占空比）：变压比变压比 ：电力电子学电力电子变换和控制技术用波形积分的方法用波形积分的方法求变压比求变压比qvEO的直流分量的直流分量V0为为:C TEGRLODSVSigVovoiFoI(a)电路tgVonTonToffTsT(b)驱动信号(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV (c)输出电压波形2sT-2sTsTp2ODi2022211ssononTEOTsTSTSSonsSVvdtTV dtTVTTD V-电力电子学电力电子变换

10、和控制技术用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量q周期性函数可以分解为无限项三角级数周期性函数可以分解为无限项三角级数付立付立叶级数：叶级数： +10)sin()cos()(nnntnbtnaatFwwwppwwpwww202000)()(21)()(1)(1tdtFtdtFTdttFTaT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTnwwwpwp)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFTbTnwwwpwp电力电子学电力电子变换和控制技术用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量qF(

11、t)也可表达为：也可表达为： +10)cos()(nnntnCCtFwwpwwp20000)()(21)(1tdtFdttFTaCT22nnnbaC+电力电子学电力电子变换和控制技术用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量 在许多实际的电力电子变换器中，由于电路开关通在许多实际的电力电子变换器中，由于电路开关通-断断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使其付立叶级数表达式中某些项系数为零，的对称性，从而使其付立叶级数表达式中某些项系数为零，且其它项系数的计算也变得比较简单。物理上这种情况就

12、且其它项系数的计算也变得比较简单。物理上这种情况就是这时电流或电压波形中不存在某些电流或电压分量。是这时电流或电压波形中不存在某些电流或电压分量。 比如：比如：q 偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；q 半波对称半波对称(镜对称镜对称) 函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；12sin()cosSEOSnSvDVnDn tnVTpw+电力电子学电力电子变换和控制技术直流分量、基波、谐波、纹波直流分量、基波、谐波、纹波q在直流电路中分解后的常量可看成所需要的直流在直流电路中分解后的常量可看成所需要的直流量，

13、谐波都是不需要的量。量，谐波都是不需要的量。RSVTEGDSigVoioiCCibuck 电路图+-+-LLilvovEOvCooq 谐波一般用谐波一般用滤波器滤波器滤掉滤掉, 滤波器的输出电压有滤波器的输出电压有纹波纹波。12sin()cosSEOSnSvDVnDn tnVTpw+q在交流电路中一般不会有直在交流电路中一般不会有直流分量，分解出的最低次谐波流分量，分解出的最低次谐波常常称为常常称为基波基波，其他，其他谐波谐波一般一般都是不需要的分量。都是不需要的分量。电力电子学电力电子变换和控制技术滤波滤波RSVTEGDSigVoioiCCibuck 电路图+-+-LLilvovEOvCoo

14、滤波器电抗对谐波的阻抗为：LwCw1滤波器电容对谐波的阻抗为：q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。如果：CLww1q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。电力电子学电力电子变换和控制技术用开关电路的稳态条件求变压比用开关电路的稳态条件求变压比 在开关电路中，常常利用电路前一周期初在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。电路的稳态运行表达式。q 电感电流、电感磁链电感电流、电感磁链q 电容电压、电容电荷电容电压、电容电荷iL VCQ 电力电子学电力电子变换和控制技术用电感电流表达式求变压比用电感电流表

15、达式求变压比qT导通、导通、D截止截止TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCooSi+-lilvCioiSVovCLR0SLSL didtL didtVV-00SLonSsVViTLVVD TL+-D-电力电子学电力电子变换和控制技术用电感电流表达式求变压比用电感电流表达式求变压比qT 截止、截止、 D导通导通TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路RDSVoi+-lilvTovLC0VdtdiLL-sonsLTDLVTTLVi-D-)1 ()(00电力电子学电力电子变换和控制技术用电感电流表达式求

16、变压比用电感电流表达式求变压比q稳态时：稳态时：00(1)LsSLsViDTLVViD TL-+D- D0SSVMDVV故有ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLIIQD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv电力电子学电力电子变换和控制技术输出电压波动量计算输出电压波动量计算q电容电容C在一个开关周期内在一个开关周期内的充、放电电荷为：的充、放电电荷为： ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLIIQD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21

17、onToffTsTTiTiDiivTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoofiTiQLsL82221DDD20min0max008)1 (LCfVDCQVVV-D-D电力电子学电力电子变换和控制技术降压电路的控制方法降压电路的控制方法(2) PFM（Pulse Frequency Modulation） 导通时间不变，导通的周期变化，导通比导通时间不变，导通的周期变化，导通比D也能也能发生变化，从而达到改变输出电压的目的，但发生变化，从而达到改变输出电压的目的，但D的变化的变化范围有限。输出电压、输出电流中的谐波频率不固定，范围有限。输出电压、输出电流中的谐波频率

18、不固定，不利于滤波器的设计不利于滤波器的设计 。 PWM（脉冲宽度调制）（脉冲宽度调制）控制是控制是DC/DC电路中最电路中最常用的控制方法。常用的控制方法。0onSSSTVD VVT (1)PWM（Pulse Width Modulation） 周期不变，导通的时间变化，即导通比D改变从而改变变压比，控制输出电压。电力电子学电力电子变换和控制技术3.1.3电感电流不连续时电路的运行状态电感电流不连续时电路的运行状态 前面的分析都是前面的分析都是基于电路工作中电感基于电路工作中电感电流始终连续来分析电流始终连续来分析的，当运行中电流不的，当运行中电流不连续时，电路就会出连续时，电路就会出现第三

19、种开关状态，现第三种开关状态，此时此时T、D都截止。都截止。 RDSVoi(d)开关状态3，T阻断D截止等值电路TCovTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck 电路图+-+-LLilvovEOvCoo电力电子学电力电子变换和控制技术电感电流不连续对运行的影响电感电流不连续对运行的影响 升高使00VVEOTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck 电路图+-+-LLilvovEOvCRDSVoi(d)开关状态3，T阻断D截止等值电路TCovootttttt(f)电感电流断流时主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvSvovsTsoffTDT1sonD

20、TTSv断流后：TTSonDM电力电子学电力电子变换和控制技术电感临界连续电流计算电感临界连续电流计算 TEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck 电路图+-+-LLilvovEOvCoo临界连续时：临界连续时：00012122(1)2(1)2LKLSSSSoIIIVVD TLVVDL fVDDL fVDL fD-时constV0LfVIKmo200SVconst时08KmiSIVLf图3.3 电感电流波形图tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII ILKI电力电子学电力电子变换和控制技术电感临界连续电流电感临界连续电流ttonToffTgVLimaxLKILKI电感电流临界连续工况波形图LLKIID21:均值临界连续时电感电流平122SSLKsVVIDTDLLf0 0SLSSV IVVII0001(1)SLLLSIDVIIIVV V-002(1)(1)2(1)(1)22SKLKOSOVIDDDLfVVVDDDDLf VLfI-连续KII00)1/(1DM-断流KII000, Id0