电力电子-陈坚_第3章

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）直流直流/ /直流变换器直流变换器3 3 直流直流/ /直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 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 *

2、 *3.5 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 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器 小结小结3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.1.1 3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理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3.1.3 3.1.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性如何实现降压变换？如何实现降压变换？3.1.1 电路结构和降压原理电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器理想的电

3、力电子变换器2.降压原理降压原理3.控制方式控制方式4.输出电压输出电压LC滤波滤波1. 理想的电力电子变换器理想的电力电子变换器 为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：定的理想条件是：（1）开关管）开关管T和二极管和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限）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；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元件；）电路

4、中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输）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。出功率。OOSSIVIV2. 降压原理降压原理q对开关管对开关管T加驱动信号加驱动信号VG ,开关周期为开关周期为TSSSoffonSODVVTTVV2VG0, T管导通管导通SLDSEOiiiV0SonDTTVG=0, T管阻断管阻断LDEOii 0SonSoffTDTTT)1 ( 输出电压输出电压1)-(3 )cos()(10nnEOtnaCt2)-(3 221 21)(2120sSSEOoODVDVVtdvCV变压比为变压比为M3)-

5、(3 2/SSSOVDVMVVn次谐波幅值次谐波幅值 4)-(3 )sin(2)2sin(2nDnVnnVaSSn5)-(3 )cos()sin(2)(1nSSEOtnnDnVDVtV输出电压的直流平均值输出电压的直流平均值 将（将（3-2），（），（3-4）代入到（）代入到（3-1）中）中3.3.控制方式控制方式改变开关管改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比的导通时间，即改变导通占空比D ，即可改变变压比即可改变变压比M, 调节或控制输出电压调节或控制输出电压VO。(1) 脉冲宽度调制方式脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉

6、冲电压的宽度开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2) 脉冲频率调制方式脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脉宽脉宽 不变，改变开关频率或周期。不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？方式？4.4.输出电压输出电压LC滤波滤波滤波电感的作用：滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻对直流畅通无阻滤波电容的作用：滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。交流电流阻抗很小。Q：如何选取：如何选取LC？直流输出电压

7、中含有各次谐波电压，在直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出开关电路的输出端与负载之间加接一个端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。滤波电路，减少负载上的谐波电压。 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BuckBuck变换器有两种可能的运行工况：变换器有两种可能的运行工况：（1 1）电感电流连续模式）电感电流连续模式 CCM(Continuous Current Mode)CCM(Continuous Current Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零；指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2 2）电感电流断流模式）电感电流

8、断流模式 DCMDCM（Discontinuous Current ModeDiscontinuous Current Mode）：）：指在开关管指在开关管T T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：二者的临界：称为电感电流临界连续状态：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。1.1.电流连续时只有两种开关状态电流连续时只有两种开关状态6)-(3 OSLSVVdtdiLdtdiL7)-(3 DLfVVTDLVVTLVViSOSSOSonOSL9)-(3 )1 ()1

9、(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL8)-(3 OSVdtdiL(2) 开关状态开关状态2：T管阻断管阻断, D管导通管导通(1) 开关状态开关状态1：T管导通管导通,D管阻断管阻断Q: 电流连续模式跟哪些因素有关电流连续模式跟哪些因素有关?2. 变压比、导通比的定义变压比、导通比的定义SonTTD/0/SMVVsonDTTsoffTDT)1 ( 变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法分析方法导通比（占空比）：导通比（占空比）：变压比变压比

10、：用波形积分的方法求变压比用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量的直流分量V0为为:2022211ssononTEOTsTSTSSonsSVvdtTV dtTVTTD V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傅立叶级数：傅立叶级数： 10)sin()cos()(nnntnbtnaatF202000)()(21)()(1)(1tdtFtdtFTdttFTaT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFT

11、bTn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傅立叶级数：傅立叶级数： 10)sin()cos()(nnntnbtnaatFF(t)也可表达为： 10)cos()(nnntnCCtF20000)()(21)(1tdtFdttFTaCT22nnnbaC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12sin()cosSEOSnSvDVnDn tnVT在实际应用中，由于电路开关通在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的断状态在时间上的对称性对称性，使电压、电流波形具有某些特定

12、的对称性，从而使计算变得简使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。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；Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波什么是直流分量、基波、谐波、纹波?滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电抗对谐波的阻抗为： L滤波器电容对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C如果：如果：CL1q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。各

13、谐波经过滤波器后几乎衰减为零。q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波滤波 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电路的稳态运行表达式。初始状态相同这一条件来求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 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电容电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：在一个开关周期内的充、放电电荷为： fiTiQLsL8222120min0max008)1

14、(LCfVDCQVVV输出电压波动量输出电压波动量用电感电流表达式求变压比用电感电流表达式求变压比T导通、导通、D截止截止T 截止、截止、 D导通导通稳态时：稳态时：00(1)LsSLsViDTLVViD TL 0SSVMDVV故有3.1.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性1. 三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比2. 临界负载电流临界负载电流3. BUCK变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性升高使00VVEOTTSonDMl第三种状态第三种状态 :T、D都截止。都截止。l变压比变压比1.三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比临界连续时：临界连续时：SVconst时08

15、KmiSIVLf2. 临界负载电流临界负载电流00012122(1)2(1)2LKLSSSSoIIIVVDTLVVDLfVDDLfVDLf时constV 0LfVIKmo2003. Buck变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性变换器的变压比（或输出电变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。函数关系称为外特性。电感电流连续时，变压比等电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性电流无关。控制特性是线性的。的。在电感电流断流的情况下，在电感电流断流的情况下，变压比变压比M为为(3-21)式，

16、控制特式，控制特性是非线性的。性是非线性的。外特性从线形到非线形的转外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。折点由临界负载电流确定。设计图3.2(a)所示的Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=147220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。例例3.13.2 3.2 直流直流- -直流升压变换器直流升压变换器（BoostBoost变换器）变换器）3.2.1 电路结构和电路结构和升升压原理压原理3.2.2 电感电流连续时工作特性电

17、感电流连续时工作特性3.2.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性3.2.1 电路结构和升压原理电路结构和升压原理3.2.2 电流连续时的工作特性电流连续时的工作特性1. 两种开关状态两种开关状态2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系1.两种开关状态两种开关状态SonDTTlVG0, T管导通管导通,D阻断阻断 1.两种开关状态两种开关状态SonSoffTDTTT)1 ( lVG=0, T管阻断管阻断TTSonDTDTSoff)1 ( LSL didtVSLsViD TLLSoL didtVV0(1)SLsVViD TL0/1/(1)SMV VD2. 变压比和电压

18、、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系l理想理想Boost变换器的变压比变换器的变压比T导通导通,D截止截止T 阻断，阻断，D导通导通T导通导通,D截止截止T 阻断，阻断，D导通导通TSDTon TSDToff)1( SSVTonVD Ts电感的磁链增量为：0/1/(1)SMV VD00()() (1)SSVVToffVVDTs电感磁链的减小量为：tVdtdiLdtdV 2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系l理想理想Boost变换器的变压比变换器的变压比2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系假定负载电流平均值为假定负载电流平均值为IO01/1OSLS

19、IIIVo VID001TSDIIIID输入电流和电感电流的电流平均值均为：输入电流和电感电流的电流平均值均为： 通过二极管的电流通过二极管的电流ID等于负载电流等于负载电流IO （电容的平均电流为零）（电容的平均电流为零） 通过开关管通过开关管T的电流平均值为：的电流平均值为：l工作电流的平均值表达式工作电流的平均值表达式2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系电感电流的脉动量为：电感电流的脉动量为：00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLVD DTD DVLLfmaxmaxmax0012(1)12TDLSLIIIIiID DVDLf通过开关管通过开关管T和和D的电流最大

20、值与电感电流的最大值相等：的电流最大值与电感电流的最大值相等：l工作电流的其他表达式工作电流的其他表达式000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关系 输出电压脉动等于开关管输出电压脉动等于开关管T导通期间电容导通期间电容C的电压变化量，的电压变化量， V0可近似地由下式确定可近似地由下式确定l理想理想Boost变换器输出电压纹波的大小变换器输出电压纹波的大小 T T和和DD所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。2. 变压比和电压、电流基本关系变压比和电压、电流基本关

21、系l理想理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压变换器开关器件所承受的最大电压3.2.3 电感电流电感电流断流时工作特性断流时工作特性1. 三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比2. 临界负载电流临界负载电流3. Boost变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性1.三三种开关状态与变压比种开关状态与变压比lVG0, T管导通管导通,D截止截止 ssLLDTLVIimax1.三种开关状态与变压比三种开关状态与变压比lVG=0, T管阻断，管阻断，D导通导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/111.三种开关状态与变压比三种开关状态与变压比lVG=0, T管阻断，管阻断，

22、D管截止管截止 DM11)1 (111)1 (11111111DDDDDDDDDDDDDVVMso2max)1 (2)1 (2)1 (2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB)1/( ),1/(1DVVDMso)1/(1DM2. 临界负载电流临界负载电流l临界负载电流l当负载电流IOIOB,电感电流连续l当负载电流IO=IOB ,电感电流处于连续与断流的边界l当负载电流IO0, T管导通，管导通，D管截止管截止3.3.1 电路结构和工作原理电路结构和工作原理lVG=0, T管阻断，管阻断，D管导通管导通3.3.1 电路结构和工作原理电路结构和工作

23、原理lVG=0, T管阻断，管阻断，D管截止管截止Cuk电路在不同工作情况下的波形图电路在不同工作情况下的波形图小结：不同变换器比较小结：不同变换器比较 1. Buck 变换器 2. Boost 变换器 3. Cuk 或 Boost-Buck 变换器 4. Buck-Boost 变换器 电 路结构 电 流连 续时 变比 M DVVMSO DVVMSO11 MMD1 DDVVMSO1 MMD1 临界负载电流 DLfVISOOB12 D 越小，OBI越大 OBI最大值SOOBmLfVI2/ 212DDLfVISOOB 3/1D时，OBI最大值 SOOBmLfVI227/ 212DLfVISOOB

24、D 越小，OBI越大，OBI最大值SOOBmLfVI2/ 电 流不 连续时 变 压比 SSOSOOSOLfVIDDLfVIDVVM2/ 2/4112222 SSOSOOLfVIDLfVIDM21 27112122272 SSOSOOSOLfVIDLfVIDVVM2/ 2/2 IdUd第一象限：第一象限：Ud0, Id0第二象限：第二象限：Ud0, Id0第三象限：第三象限：Ud 0, Id 0 第四象限：第四象限：Ud 03.4 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直流电机电枢绕组的反电势直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速与其励磁磁通和转速N的乘积成正比：的乘积成正比： NKEea 电枢电压平衡方程为：电枢电压平衡方程为：ABABaABaVIRVEeABeABaABeaKVKIRVKEN转速转速高低由电枢电高低由电枢电压的压的大小大小决定，转决定，转速方向由电枢电压速方向由电枢电压的的方向方向决定。决定。ABTeIKT 电机的转矩方程为：电机的转矩方程为：转矩转矩大小由电枢电流大小由电枢电流的的大小大小决定