电力电子第三章

电力电子第三章第一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）3.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）3.3直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4两象限、四象限直流/直流变换器*3.5多相、多重直流/直流变换器3.6带隔离变压器的直流/直流变换器小结第二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC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第三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一如何实现降压变换？第四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.1.1电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器2.降压原理3.控制方式4.输出电压LC滤波第五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.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，假定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D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；（2）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；（3）电路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出功率。第六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.降压原理对开关管T加驱动信号VG,开关周期为TS第七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一VG>0,T管导通第八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一VG=0,T管阻断第九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一输出电压变压比为Mn次谐波幅值

输出电压的直流平均值

将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中第十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D，即可改变变压比M,调节或控制输出电压VO。(1)脉冲宽度调制方式PWM(PulseWidthModulation)

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PFM（PulseFrequencyModulation）

脉宽不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？第十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一4.输出电压LC滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。Q：如何选取LC？直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出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。第十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一

3.1.2电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在开关管T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：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。第十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.电流连续时只有两种开关状态(2)开关状态2：T管阻断,D管导通(1)开关状态1：T管导通,D管阻断Q:电流连续模式跟哪些因素有关?第十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.变压比、导通比的定义

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分析方法导通比（占空比）：变压比：第十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量V0为:第十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一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——傅立叶级数：第十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一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——傅立叶级数：F(ωt)也可表达为：第十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量在实际应用中，由于电路开关通-断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，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；半波对称(镜对称)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?第十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC如果：各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波第二十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一

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。电感电流、电感磁链电容电压、电容电荷用开关电路的稳态条件求变压比电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：输出电压波动量第二十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一用电感电流表达式求变压比T导通、D截止T截止、D导通稳态时：第二十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.1.3电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比2.临界负载电流3.BUCK变换器输出电压外特性第二十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一第三种状态:T、D都截止。变压比1.三种开关状态和变压比第二十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一临界连续时：2.临界负载电流第二十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.Buck变换器输出电压外特性变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性的。在电感电流断流的情况下，变压比M为(3-21)式，控制特性是非线性的。外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。第二十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一设计图3.2(a)所示的BuckDC/DC变换器。电源电压Vs=147～220V，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3.1第二十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.2直流-直流升压变换器（Boost变换器）3.2.1电路结构和升压原理3.2.2电感电流连续时工作特性3.2.3电感电流断流时工作特性第二十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.2.1电路结构和升压原理第二十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.2.2电流连续时的工作特性两种开关状态变压比和电压、电流基本关系第三十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.两种开关状态VG>0,T管导通,D阻断第三十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.两种开关状态VG=0,T管阻断第三十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比T导通,D截止T阻断，D导通第三十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一T导通,D截止T阻断，D导通2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比第三十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.变压比和电压、电流基本关系假定负载电流平均值为IO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ID等于负载电流IO

（电容的平均电流为零）

通过开关管T的电流平均值为：工作电流的平均值表达式第三十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.变压比和电压、电流基本关系电感电流的脉动量为：通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：工作电流的其他表达式第三十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.变压比和电压、电流基本关系

输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定理想Boost变换器输出电压纹波的大小第三十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一

T和D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、电流基本关系理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压第三十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.2.3

电感电流断流时工作特性三种开关状态和变压比临界负载电流Boost变换器输出电压外特性第三十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.三种开关状态与变压比VG>0,T管导通,D截止第四十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.三种开关状态与变压比VG=0,T管阻断，D导通第四十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一1.三种开关状态与变压比VG=0,T管阻断，D管截止

第四十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一2.临界负载电流临界负载电流当负载电流IO>IOB,电感电流连续当负载电流IO=IOB

,电感电流处于连续与断流的边界当负载电流IO<IOB,电感电流断流第四十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一电感电流断流的影响第四十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.Boost变换器输出电压外特性稳态运行时，开关管T导通期间,电源输入到电感中的磁能，在T截止期间全部通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流工况。如果变换器负载电阻变得很大，负载电流太小，这时如果占空比仍不减小、不变、电源输入到电感的磁能不变，必使输出电压不断增加。因此没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作。

第四十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一图3.5(a)所示Boost变换器，输入电源电压Vs=10～30V，输出电压被控为恒值V，开关频率fs=40kHz，最大输出功率100W，电流Iomax=2.08A，最小输出功率10W，电流Iomin=0.208A，要求变换器工作时电感电流连续，求最小升压电感L值及输出电压纹波小于1%时的滤波电容C。例3.2第四十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一Boost电路的运行与控制小结一般使用PWM控制；不能空载运行；占空比不能接近1；输入电流脉动较小，运行中对电源的扰动小。第四十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.3直流升压－降压变换器（Cuk变换器）3.3.1电路结构和工作原理*3.3.2电流断流时工作特性*3.3.3两电感有耦合的Cuk变换器第四十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一优点：输入输出电流脉动小图中由开关T、二极管D和L1、C1构成的电路既能实现DC/DC升压变换又可实现降压变换，称为直流升压－降压变换器，Cuk变换器。3.3.1电路结构和工作原理第四十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.3.1电路结构和工作原理VG>0,T管导通，D管截止第五十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.3.1电路结构和工作原理VG=0,T管阻断，D管导通第五十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.3.1电路结构和工作原理VG=0,T管阻断，D管截止第五十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一Cuk电路在不同工作情况下的波形图第五十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一小结：不同变换器比较第五十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一IdUd第一象限：Ud>0,Id>0第二象限：Ud>0,Id<0第三象限：Ud<

0,Id<

0第四象限：Ud<

0,Id>03.4两象限、四象限直流—直流变换器第五十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转速N的乘积成正比：

电枢电压平衡方程为：转速高低由电枢电压的大小决定，转速方向由电枢电压的方向决定。电机的转矩方程为：转矩大小由电枢电流的大小决定，转矩方向由电枢电流的方向决定。转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态直流电动机的特性第五十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一直流电机的四象限运行第五十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.4.1两象限直流—直流变换器UAB始终大于零工作状态：iAB可正可负电机转向始终为正电磁转矩可正可负电动制动第五十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向电机运行于正向电动状态，能量由输入直流电源供向负载。(b)降压变换电路第一象限工作3.4.1两象限直流—直流变换器第五十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向电机运行于正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路3.4.1两象限直流—直流变换器第二象限工作第六十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.4.2四象限直流—直流变换器

第六十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.4.2四象限直流—直流变换器第三、四象限运行等效电路第六十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：反向（VAB<0）输出电压大小：输出电流方向：反向电机运行于反向电动状态，能量由直流输入电源供向负载。第三象限工作3.4.2四象限直流—直流变换器第六十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：反向电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）3.4.2四象限直流—直流变换器第四象限工作第六十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一*3.5多相、多重直流—直流变换器

把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合型直流—直流变换器，称为多相、多重直流—直流变换器。假定复合型变换器中开关管控制周期为TS，开关频率为f，如果一个TS周期中电源侧电流iS(t)脉动n次，即iS(t)脉动频率为nf，则称之为n相变换器。如果一个TS周期中负载电流i0(t)脉动m次，即i0(t)脉动频率为mf，则称之为m重变换器。第六十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一三相、三重复合型直流—直流变换器原理第六十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.6带隔离变压器的DC-DC变换器3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器3.6.2隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器*3.6.3隔离型Cuk变换器第六十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器单端变换器——变压器磁通仅在单方向变化正激变换器——开关管导通时电源将能量直接传送给负载(b)单端正激DC/DC变换器ovOF***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第六十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器N2、D2导电N3、D1、D3截止T导通：Ton=DTs期间***sVLi2i3i1iovLD3N1N2N3D1D2CsiTCBH

F

D

O

A第六十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器

D2截止；i3将N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零;

iL

经D1续流。T截止：Toff

=(1-D)Ts期间

Li***sV2i3iovLD3AN1N2N3D1D2CsiTCHB

F

D第七十页，共八十五页，编辑于2023年，星期一开关管两端的最大电压T两端的反压为：***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第七十一页，共八十五页，编辑于2023年，星期一Ton=DTs期间

磁通增量

Toff=(1-D)Ts期间

最大可能磁通减量

最大运行导通比***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第七十二页，共八十五页，编辑于2023年，星期一通常取

N3=N1，故工作中的最大占空比

Dmax=0.5

因此T的反压

最大运行导通比***sVLi2i3i1iovLD3AN1N2N3D1D2DCsiTCHB第七十三页，共八十五页，编辑于2023年，星期一双管正激变换器T1和T2具有相同的占空比；

T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。不需要专门的去磁绕组;多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vd，小于单管变换器。(c)双管正激变换器**T2T1D2D1CLDsVLiN1第七十四页，共八十五页，编辑于2023年，星期一3.6.2

隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器反激变换器——开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载单端变换器——变压器磁通仅在单方向变化(a)Buck－Boost变换器sV-+RCLTD第七十五页，共八十五页，编辑于2023年，星期一T导通时的关系式N1*为正，D1截止，第七十六页，共八十五页，编辑于2023年，星期一T阻断时的关系式第七十七页，共八十五页，编辑于2023年，星期一综合通、断两种情况的关系式在T阻断期结束，T再次开始导通的瞬间，电流从N2的转到N1绕组的电流初值为i10

，所以稳态运行时在一个周期TS中增加的磁通应等于减少的磁通量，所以得到输出直流电压平均值N1绕组的最大电流：第七十八页，共八十五页，编辑于2023年，星期一关系式N2绕组的最小电流电流i2不断流的条件i2min≥0，所以有第七十九页，共八十五页，编辑于2023年，星期一关系式开关管阻断、D1导通时承受的正向电压++第八十页，共八十五页，编辑于