电力电子课件第4章

1、第4章 直流-直流变换器 主要内容： 降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器、库克变换器的拓扑结构、工作原理、工作特性，在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系； 全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理； 影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素； 几种不同变换器的开关利用率。 众所周知，相控整流电路能够得到直流电，但是它存在着如下问题：随着控制角的增大功率因数降低，无功功率增大，影响电网质量；由于输出电压中具有低次谐波，为保证输出电压具有较小的纹波，必须有较大的滤波电感和电容；在直流电机调速系统中，为避免电流断续，最小负载电流越小，保证电流连续的电感越大，体积重量越

2、大，成本越高；相控电路存在着较大的失控时间，导致动态响应慢，快速性差。直流-直流变换器可以有效地解决以上问题。4.1 简 介 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. 库克直流-直流变换器 (Cuk Converter) 5. 全桥式直流-直流变换器(Full Bri

3、dge 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Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，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

4、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。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： stcosonUuTtD3. 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

5、的直流电压。 而上页图a的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。 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，如下页图(b)所示，图a中uD是未加滤波器前的直流电压，由傅里叶级数可以看出，谐波的幅值和占空比有关，谐波的频率与开关频率有关。 )cossin22cos2sin1cossin2(dotnnDntDtDDUu 图(a)所示的输入电压UD的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。 采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。当低通滤波器

6、的角频率fc开关频率 fs时，经过滤波器后的输出电压基本上消除了高频谐波。电感和电压越大，输出电压越平稳，纹波越小。而谐波频率越高，滤波效果越好，滤波器也越小。因此，在直流-直流变换器中，开关频率较高，可以减少体积，提高性能。 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 在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和

7、它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。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

8、相当于一个直流变压器，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由电路图和感电流波形可得 onLMLLodddtILtiLuUUoBodsodonLMLB)(2)(221IUULDTUU

9、LtII 根据下式绘出左图的曲线。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)(221IUULDTUULtII4.3.3 电流断续模式时的工作情况 在直流电机速度控制系统中，输入电压Ud基本上是不变的，需要改变输出电压Uo，从而改变电机速度。 在直流可调电源的应用中，输入电压Ud可能是变化的，但输出电压Uo保持不变。 在电流断续模式下，输出电压表达式分为两种不同情况： 1.Ud为常数时输出电压表达式2.Uo为常数时输出电压表达式1. Ud为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D

10、=0.5时所需要的电感电流最大，为则在Ud为常数时输出电压表达式为右图表示了输入电压不变时， 不同占空比D时，输出电压与电流比的关系。LUTI8dsLBM)(41max,LBo22doIIDDUU2. Uo为常数时输出电压表达式在电流临界连续模式在D=0时所需要的电感电流最大，为则在Uo为常数时输出电压表达式为右图给出了保持输出电压不变的情况下，不同占空比D时，Uo/Ud与Io/ILBM的函数关系曲线。LUTI2osLBMLBMo2do42IIDDDUU4.3.4 寄生元件的影响实际电路中，功率器件是有损耗的，变换器中的电感、电容、开关管、二极管等都对变换器造成寄生元件效应，也可以用等效电阻替

11、代。当考虑这些电阻时，电路的特性将和理想情况的工作特性不同。在考虑寄生元件影响时，在D不变时，随着负载电流的增加，Uo/Ud将下降，因此，图4-8、图4-9的特性曲线是随着负载电流的增加而下降的斜线。4.3.5 输出电压纹波 在前面的分析中，假设输出 电 容 足 够 大 从 而 使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图所示。阴影部分的面积表示的是电荷增量Q，因此，电压纹波的峰-峰值Uo为:22211sLoTICCQU 经变换后，电压纹波的峰-峰值Uo为: 上式表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcust，VT3和V

12、T2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；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

13、，电感电势使得VD1、VD4导通；当ucoust，-ucoust，-ucoust ，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Ud向输出Uo传递；当Io0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递。 如果两种控制方式的开关频率相同，则由于单极性脉宽调制控制方式的输出电压波形的频率是双极性脉宽调制控制方式的2倍，因此前者有着较好的频率响应和较小的输出电压纹波。 dco121oANBNdddstm(21)UuUUUUUUUDDD 图4-33中给

14、出了在双、单极性控制方式下输出电压纹波Ur,rms/Ud与占空比D的函数关系曲线。由图可见，单极性控制方式有着较小的输出电压纹波。 4.8 直流-直流变换器的一般问题1.直流-直流变换器的开关利用率p因此，从变换器的开关利用率考虑，通常采用升压变换器或降压变换器。只有在要求输出电压在比输入电压高和低的范围调节，或者要求有负的输出电压时，考虑采用降压-升压变换器或库克变换器。只有要求变换器必须在四个象限运行时，才使用全桥式直流-直流变换器。 2带直流电动机负载时的机械特性 由前几节的分析可知，降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器、库克变换器都有电流连续和电流断续工作模式，电流临界连续的边界与

15、占空比、开关频率、输入输出电压和电感的大小有关。电流断续区的特性比较软，在直流电机调速系统中机械特性也较软。而全桥式直流-直流变换器在整个负载电流范围内都是电流连续的，因此克服了整流电路和其他直流-直流变换器电流断续对电动机机械特性的影响。由于开关频率较高，因此，直流-直流变换器-直流电动机调速系统也比晶闸管整流器直流电动机调速系统的动态性能好。因此, 广泛地应用在高性能直流电机调速系统和伺服电机调速系统中。4.9 直流开关电源的应用 直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介绍的几种主要直流-直流变换器可以直接应用在电机驱

16、动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求：1当输入电压和负载变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或输出电压可调。2输出与输入之间需要电气隔离。3某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。 带有电气隔离的直流-直流变换器 输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用了一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。直流-直流变换器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变压器副边的整流和滤波电路得到直流电压Uo。由PWM控制器驱动直流-直流变换器的开关管，通过反馈控制得到要求的直流输出电压。反馈控制电路的电气隔离可以通过变压器也可以用光电耦合器实现。 直流开关电源的组成框图 1. 反激变换器 反激变换器是由降压