第4章电力电子技术第三版王云亮

1、第4章 直流-直流变换器 直流-直流变换器也称为斩波器，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，通过改变占空比改变输出电压平均值。 直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：1. 降压直流-直流变换器(Buck Converter)2. 升压直流-直流变换器(Boost Converter)3. 降压-升压直流-直流变换器(Buck- Boost Converter)4. 全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter) 4.2 直流-直流变换器的控制 基本的直流-直流变换器和它的输出波形 1. 直流-直流变换器的调制方式开关管导通时，输出电压等于输入电压U

2、d；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如图所示，输出电压的平均值Uo为输出电压平均值为Uo改变负载端输出电压有2种调制方法：1开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。2开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。ddsonsondon0so 01UDUTtdtdtUTUTttsonTtD2. 变换器的控制原理图(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。

3、一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成： stmcosonUuTtD3. 直流-直流变换器在实际应用中的问题在实际应用中，有如下问题：(1) 实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图a的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图b的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；(2) 在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。 而上页图a的电路输出电压在0和Ud间变化。将PWM波用傅里叶级数展开以上分析表明，输出电压可以分解成直流分量、具有开关频率fs及其倍数的谐波分量，采用由电感和电容

4、组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。 )cossin22cos2sin1cossin2(dotnnDntDtDDUu输出电压中的谐波频率与开关频率即开关周期有关，滤波器是根据开关频率设计的，设计好后是固定不变的。第2种调制方法中，开关频率是变化的，而第1种调制方法的开关频率不变，因此第1种调制方法有较好的滤波效果，是最常见的调制方法。直流-直流变换器有两种不同的工作模式： 1. 电感电流连续模式 2. 电感电流断续模式4.3 降压变换器 4.3.1 电流连续模式时的工作情况 在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo。这个电压引

5、起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL= -Uo，电感电流下降。输出电压 因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。DTtUUsondo降压变换器工作过程演示忽略电路所有元件的能量损耗，则 ，因此, 故有 因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。 由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入

6、一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。 odPP ooddIUIUDUUII1oddo4.3.2 电流连续和断续模式的边界 图4-6给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。 p由电路图和电感电流波形可得 onLMLLodddtILtiLuUUoBodsodonLMLB)(2)(221IUULDTUULtII 根据下式绘出右图的曲线。因此，在所给的条件下，如果输出电流平均值Io比下式所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。图中给出了临界电流与占空比的关系。oBodsodonLMLB)(2)(221IUULDTUULtII4.4

7、 升压变换器 升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路原理图。当开关管导通时，输入电源的电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，输出与输入隔离。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，电感电流iL通过二极管和负载构成回路，由输入电源向负载提供能量。在下面的稳态分析中，输出端的滤波电容器被假定为足够大以确保输出电压保持恒定，即uo= Uo。4.4.1 电流连续模式时的工作情况 在稳态时，电感电压在一个周期内的积分是0，上式的两边除以Ts，得： 假设电路没有损耗，则Pd=Po， 0)(offodondtUUtUDtTUU

8、11offsdoooddIUIUDII1do升压变换器工作过程演示(假定iL连续) 4.4.2 电流连续和断续模式的边界 图4-13给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。 由电路图和电感电流波形可得 onLMLLdddtILtiLuU)1 (2221osondLMLBDDLUTLtUII2osOB)1 (2DDLUTI 因此，在输出电压不变 的条件下，如果输出电流平均值Io比式(4-7)所给的IoB小，则工作在电流断续模式下。图中给出了临界电流与占空比的关系。4.5 降压-升压变换器 降压-升压变换器可以得到高于或低于输入电压

9、的输出电压。当开关管导通时，输入端经开关管和电感构成电流通道，提供能量给电感，二极管反向偏置。当开关管断开时，电感中的自感电势使二极管导通，储存在电感中的能量经二极管传递给电容和输出负载。该变换器的输出电压是负的。在稳态分析中，假定输出电 容很大，因此输出电压不变 uo= Uo。当该变换器工作于 占空比控制的工作方式时， 也有电流连续和电流断续2种 工作模式。降压升压变换器工作过程演示4.5.1 电流连续模式时的工作情况电感电压在一个周期内的积分为0，因此有：由式(4-41)可知，当占空比D大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比D小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，改变占空比就可以

10、得到期望的输出电压值。DDUU1do0)1)(sosdTDUDTU4.5.2 电流连续和断续模式的边界 图中给出了在电感电流临界连续的情况下uL和iL的波形。在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。 由电感电流波形有：)1 (22osondLBDLUTtLUIonLMLLdddtILtiLuU2oslBoB)1(2)1(DLUTDII由于稳态时电容的平均电流为0loofflosoffoloiDit iiTtiiti)1 ()(on右图给出了当输出电压Uo不变时，ILB与占空比D之间的函数关系曲线及IoB与占空比D之间的函数关系曲线。该图表明，对于给定的占空比，当输出电压不变时，

11、负载电流低于IoB时变换器工作于电感电流断续模式。4.7 全桥式直流-直流变换器 图4-27全桥式开关模式变换器的电路结构图 在全桥式直流-直流变换器中，其输出电压Uo是极性可变、幅值可控的直流电，输出电流io 的幅值和方向也是可变的。因此，该变换器可以在四个象限运行。同一桥臂的两个开关管不能同时处于导通状态，否则就会造成直流短路。在实际中，它们在一个短间隙中都断开，该间隙称为逻辑延迟时间。如果变换器的同一桥臂的两个开关管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，A点的电压uAN，由如下的开关状态决定：当VT1导通时或VD1导通时，则A点的电

12、压为： 类似地，当VT2导通时，或VD2导通时，则A点的电压为 uAN=0UudAN综上所述，uAN仅取决于桥臂A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UAN为： 式中，ton 和toff分别是VT1的导通时间和断开时间，D1是开关管VT1的占空比。 类似地， 因此，输出电压Uo=UAN -UBN= (D1 - D2)Ud与变换器的开关占空比有关，而与负载电流io的大小和方向无关。 d onoffANd1s0U ttUUDT BNd2UUD 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4-27中的(VT1，VT4)和(VT2，VT3)

13、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，两个桥臂的开关管是单独控制的。4.7.1 双极性PWM控制方式 在双极性控制方式中，开关管(VT1，VT4)和(VT3，VT2)被当作两对开关管对待，即两个开关管(VT1，VT4)是同时导通和断开的。同一桥臂的两个开关管中，总有一个是开通的。开关控制信号是由正负两个方向变化的三角波与控制电压uco比较得到的。如图4-29所示当ucoust，VT3和VT2断开，VT1和VT4导通； ucoust，VT3和VT2断开，VT1和VT4导通，电流回路如图(a)所示；当uco0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；

14、当Ioust ，则关断VT2，触发VT1 如果ucoust ，则关断VT4，触发VT3 如果-ucoust ，且 -ucoust ，则VT1，VT4导通 如果ucoust ，且-ucoust ，且 -ucoust ，且-ucoust ，则关断VT2，VT4，触发VT1，VT3 ，电感电势使 VD3，VT1 导通。 当ucoust ，-ucoust ，断VT2，触发VT1 ，电感电势使得VD1、VD4导通； 当-ucoust ，则关断VT3，电感电势使得VD1、VD4导通；当ucoust，-ucoust，-uco ust ，VT4断开；电感电势使得VT1、VD3导通； 单极性PWM方式时的工作波形输出电压Uo、占空比D、控制电压uco之间的函数关系 输出电压平均值Uo为由上式可以看出，单极性控制方式的输出电压平均值Uo与控制电压uco成线性关系。当Io0时，平均功率从输入U