第3章 DC-DC变换.ppt

1、1,电力电子学 电力电子变换和控制技术 （第三版） 陈 坚 编著 华中科技大学,3 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/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 3.7 具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源,3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）,3.1.1 电路结构和降压原理 3.1.2 电感

2、电流连续时工作特性 3.1.3 电感电流断流时工作特性,3.1.1 电路结构和降压原理,主电路结构及元器件的作用 理想化假设：为简化数学分析 开关电路的常用分析方法 降压原理、PWM控制方式 工作波形及数学关系 LC滤波电路,3.1.1 电路结构和降压原理,Buck变换器的电路结构：元器件的作用？,2. 数学分析的理想化假设,为简化波形分析和数学推导，假设元器件全理想的。即 （1）对开关管有： 通态电阻为零，电压降为零； 断态电阻为无 限大，漏电流为零； 从通到断、从断到通的过渡过程时间为零。 只用分析开关的通态和断态 （2）电感、电容均为无损耗的理想储能元件； （3）线路阻抗为零。 （4）在

3、以上假设下，必有“电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。”的结论。,3、Buck电路的分析思路,关于开关管T加驱动信号VG 稳态时为周期性通断信号 开关周期为TS 导通时间记为Ton、 关断时间记为Toff， 开关频率为fs 占空比D：也叫“导通比”，是开关管导通时间与周期的比值。 它们之间的关系式：,3、Buck电路的分析思路（续）,Buck电路的工作状态与开关T、D的导断状态间的关系 因为T、D不可能同时通，所以有三种状态： （1）T为通态、D断态 （2）T为断态、D通态-二极管续流 （3）T、D都关断的状态-电感L的电流断流,根据电感L电流的工况，Buck变换器有两种可能的运行工作

4、模式： （1）电感电流连续模式(CCM):在整个开关周期中电感电流不为零 （2）电感电流断流模式（DCM）:在开关管T阻断态后期一段时间内电感电流为零。 （3）两模式的临界点称为电感电流临界连续状态:开关管阻断期结束时电感电流刚好降为零。,4. 降压原理分析与推导,T为通态、D断态,T为断态,D续流,4. 降压原理分析与推导（续）,“降压变换器” 名称的有由来,5. 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 (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度 (2)

5、 脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 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？,6、输出电压的LC滤波,n次谐波幅值,VEO中含有大量谐波，对其进行傅里叶分解如下：,输出电压的直流平均值！ 再次求得直流分量！,大量的谐波！ 最低次谐波频率为fs,傅立叶级数是分析开关电路的一种数学工具！,6.输出电压的LC滤波（续）,滤波电感L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？,为减少负载上的谐波电压、电流，在Buck开关电路的输

6、出端与负载之间加接一个LC滤波电路。,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：1/C,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。,6.输出电压的LC滤波（3）,3.1.2 电感电流连续时工作特性（CCM模式）,分析推导开关电路中的参量之间的关系、画出工作波形，是正确理解电路、正确设计电路的基础。 除傅里叶级数法外，下面是常用的几种推导方法。,用波形积分的方法求平均值、变压比,利用条件“电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同”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 下面用“稳态时电感电流变化量相等”条件，求BU

7、CK电路的变压比,1. 电感电流连续时的工作原理,E,O,(1) T管导通,D管阻断,A,B,(2) T管阻断, D管导通,1.电感电流连续时的工作原理（续）,用“稳态时电感电流变化量相等”推导出了输入电压与输出电压之间的关系！,1.电感电流连续时的工作原理（续）,变压比 ：,变压比与电路结构、运行状态和导通比都有关系。 在电感电流连续情况下， 变压比M只与占空比D有关，负载电流大小无关。,1.电感电流连续时的工作原理（续）,2.电感电流连续时的主要波形,输出电流平均值Io =电感电流的平均值IL,滤波电感电流脉动值,Q：当Ui和Uo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是 否变化？,3.电

8、感电流连续时相关物理量的计算,A：不变！,T和D的最大电流就是ILMAX T和D截止时所承受的电压都是Vs 设计Buck变换器时选用T、D依据。,4. 滤波电容C的工作状态分析,高频周期性充放电状态：稳态平均电流为零。 若滤波电容足够大，则电容电压（输出电压）视为恒定的直流电压。 当C不很大时，则电容电压存在一定的脉动。 一个开关周期内充电电荷（放电电荷）： 计算出输出电压的脉动量： 负载电压纹波： 记 LC谐振频率为fc ，有 结论：提高开关频率、减小谐振频率可以减小输出电压脉动。,3.1.3 电感电流断流时工作特性（DCM）,三种开关状态与变压比M 临界负载电流IOB（Boundary V

9、alue） BUCK变换器输出电压外特性,Q: 电流连续模式跟哪些因素有关?,3.1.3 电感电流断流时工作特性： 三种工作状态、波形及变压比M,（1）有三种工作状态： 波形,V0提高 的原因？,电感电流临界连续电流值即为负载最小电流,3.1.3 电感电流断流时工作特性： 临界负载电流IOB及其最大值IOBm,当Vo一定时IOB是关于D的线性函数且在D=0时有最大值 当Vs一定时 IOB是关于D的二次函数且在D=0.5时有最大值，这里不讨论。,标幺值形式下表达式,将IOBm作为负载电流基值IB后，有如下关系式： 变压比M与占空比D： 若 则 否则 负载电流的临界电流标幺值： IOB与Vo、L、

10、fs以及D都有关。 Vo越低、 fs越高、L越大则IOB越小，越容易实现电感电流连续运行工况。,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。 电感电流出现断流后，控制特性是非线性的。 从线性到非线性的转折点由临界负载电流确定。 （虚线ABCDG）是Vo为定值时的临界,3.1.3 电感电流断流时工作特性（3）： 外特性,外特性定义： 在占空比D一定时，变压比M与占空比D和负载电流标幺值I0*的函数关系。 BUCK电路外特性的特点：,图3.2(a)所示:要求 电源电压Vs=147220V， 额定负载电流11A， 最小负载电流1.1A， 输出电压Vo=110V； 开关

11、频率20kHz。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， 选取开关管T和二极管D。,例3.1 设计Buck DC/DC变换器,解题思路（设计方法）,求开关管、二极管参数 （1）求T、D承受的最大电压值（截止时所承受的电压，都是输入电压） （2）求T、D承受的最大电流值（等于电感电流的最大值） 电感电流临界连续条件求电感L 求电感电流的最大值 （3）放大一个安全余量系数,求滤波参数L、C （1）根据输出电压纹波大小确定fc （2）求电容值,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

12、3.2.3 电感电流断流时工作特性,3.2.1 电路结构和升压原理,3.2.2 电感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,1.电感电流连续时的两种开关状态：TON期间,VG0, T管导通,D阻断 ，等效为2个独立电路,1. 电感电流连续时的两种开关状态： TOFF 期间,VG=0, T管阻断，D导通 电源和升压电感共同对负载供电,2. 变压比M的推导（1）,理想Boost变换器稳态时电感电流增减量相等,Ton期间,T off期间,V0Vs升压！,在电流连续条件下M与D有关，负载电流I0无关。 通过PWM控制占空比D就可以控制输出电压的大小。,Ton期间,T off期间

13、,2. 变压比M的推导2,理想Boost变换器稳态时电感磁链（伏秒）增减量相等,3. 变压比和电压、电流基本关系,假定负载电流平均值为IO，功率损耗为零，则 UoIo=UsIs,输入电流=电感电流的电流平均值：,通过二极管的电流ID=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：,电流平均值,升压的同时是降流的！,3. 变压比和电压、电流基本关系,电感电流的脉动量为：,开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：,T和D所承受的最大电压，理想情况下等于Vo,3. 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,分析原因？,3. 变压比和电压、电

14、流基本关系,输出电压脉动等于T ON期间电容C的电压变化量V0（近似）,理想Boost变换器输出电压纹波的大小：,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,1.三种开关状态与变压比,T On态 VG0, T管导通,D截止,1.三种开关状态与变压比（续1）,T Off态 VG=0, T管阻断，D导通,1.三种开关状态与变压比（续2）,VG=0, T管阻断，D管截止,电感电流连续临界连续不连续,一个周期结束时电流大于零,一个周期结束时电流刚好等于零,一个周期未结束时电流就等于零,2. 临界负载电流IOB,当负载电流IOIOB , 电感电

15、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IOIOB,电感电流断流,3. 电感电流断流的影响,3. 电感电流断流的影响,4. Boost变换器输出电压外特性,稳态运行时，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。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。 无电压闭环的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作。,5. Boost电路的运行与控制小结,一般使用PWM控制； 不能空载运行（没有电压闭环调节时，不宜输出端开路工作） 占空比不能接近1； 输

16、入电流脉动较小，运行中对电源的扰动小。（优点）,3.3 直流升压降压变换器,Boost-Buck变换器或Cuk变换器 3.3.1 电路结构和电流连续时的工作特性 *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,优点：输入输出电流脉动小,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。 因其发明人为Cuk，又被称为Cuk变换器。,3.3.1 电路结构和电流连续时的工作特性,1.工作原理： Ton期间,VG0, T管导通，D管截止,2.工作原理： Toff期间,VG=0, T管阻断，D管导通,3. 输入输出关系,Vo既可高于Vs，又可低于Vs。,3.

17、3.2 电流断流时工作特性,1. Cuk电路在不同工作情况下的波形图,电压应力：,2. 开关管T,电流平均值：,电流最大值：,3.二极管D,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,4. 两电感,电感L1的电流脉动：,电感L2的电流脉动：,5.电容,电容C1的选择：,电容C2的选择：,T导通，C1放电； T截止，C1充电。,与Buck变换器类似,Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。,3.3.3 两电感有耦合的Cuk变换器,电感和绕在同一铁芯上，则两个电感L1、L2互相耦合，除自感L1和L2外还有互感M。 用耦合系数k表示耦合程度：,电感脉动,通过两个电

18、感的相互耦合可以把Cuk变换器的输入、输出电流脉动减小到任意程度!,Cuk变换器小结,优点：理论上Cuk变换器的拓朴结构最佳 具有升、降压功能 输入电流和输出电流都连续，若通过两个电感的耦合，其电流脉动纹波可以接近于零。 缺点：成本较高，实际工程尚未广泛应用 （1）电容成本较高：电容器需要耐受极大的脉动电流； （2）器件T、D成本较高： 导通时的最大电流是两电感最大电流之和，截止时承受的电压都是电源电压和负载电压之和。,小结：不同变换器比较,小 结,MD,输出电压 变压比,Buck电路,Boost电路,Cuk电路,电流连续时,电流不连续时,3.4 两象限、四象限直流直流变换器,3.4.0 变换

19、器的“象限”概念 3.4.1 两象限直流直流变换器 3.4.2 四象限直流直流变换器,3.4.0 变换器的“象限”概念,T与n同向为电动状态：1、3象限 反之， 为制动状态：2、4象限,电机的电磁转矩：,由电枢电压平衡方程得：,象限概念的产生与 电机调速应用背景密切相关 直流电动机的四象限运行,第一象限： Ud0, Id0,第二象限： Ud0, Id0,第三象限： Ud 0, Id 0,第四象限： Ud 0,3.4.0 变换器的“象限”概念,如前面讲到的Buck，Boost电路,DC/DC变换器的象限,3.4.1 两象限直流直流变换器,UAB大于零：电机转向始终为正 iAB可正可负：电磁转矩可

20、正可负 对应电机的正向电动和制动运行 电机工作在第一、二两个象限。 所以被称为两象限变换器。 若T2完全截止，T1周期性的通、断，则是一个Buck DC/DC变换器。 若T1完全截止，T2周期性的通、断，则是一个Boost DC/DC变换器 所以是一个复合变换器,输出电压方向：,正向,输出电压大小：,输出电流方向：,正向,电机正向电动，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： Buck DC/DC变换器模式,3.4.1 两象限直流直流变换器,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：将负载电

21、压升高后向Vs回馈电能,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：Boost DC/DC变换器 模式,3.4.2 四象限直流直流变换器,对T1-T4进行实时适式的PWM控制，其输出直流电压、电流的平均值大小和方向均可控。 当其对直流电机电枢供电时，可实现直流电机的四个象限运行。,降压（将Vs的电压降低后送到负载）,输出电压方向：,反向（VAB0）,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,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

22、由负载供向直流输入电源。,升压（将负载的电压升高后向Vs回馈电能）,3.4.2 四象限直流直流变换器,第四象限工作,*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。,三相、三重复合型直流直流变换器原理,三个开关管的驱动信号间相差1/3 Ts 三个开关的Ton, T

23、s, 占空比D相同,电感L两端的直流电压平均值为零,复合的目的？ 一个开关周期中负载电流脉动3次 ；电源电流脉动3次 。,输出电流,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,引入隔离变压器目的: 实现输入电源和负载的电气隔离(提高安全可靠性和电磁兼容性) 匹配输入电压和输出电压 输出多个不同等级的直流电压 隔离变压器的工作原理： 磁势(磁通)平衡，储能不变，磁通复位,3.6.1 隔离型Buck变换器单端正激变换器,几个概念 单端变换器变压器磁通仅在单方向变

24、化 正激变换器开关管导通时电源将能量直接传送给负载,单端正激DC/DC变换器,O,F,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）,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。,1.开关管两端的最大电压,T两端的反压为：,Ton=DTs期间，磁通增量,Toff = (1-D)Ts期间，最大可能磁通减量,2.磁通复位,通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5,此时T的最大反压,3.最大运行导通比Dmax,Ton导通,T关断:TR期间,4. 波形分析,5. T关断：磁

25、复位完成之后,6. 开关管、二极管的电压应力（N3=N1时）,7.变压器工作原理,一个周期内 需满足伏秒平衡 就是磁通复位！,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仍单方向变化,(a)BuckBoost变换器,Ton期间: N1*为正，D1截止,1. T on时的波形和关系式,2. T off时的波形和关系式,磁场储能不能突变： 磁势平衡：,3.电流连续时输入输出关系,升降压 变换器,4. 电流关系式,N1绕组的最大电流： N2绕组的最小电流 电流

26、i2不断流的条件i2min0，所以有,5.开关管T、D1阻断时承受的电压,+,+,二极管电压应力：,VT ,VD ,6.双管反激变换器,T1、T2同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储存在变压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方绕组电流通过D1、D2和电源续流、去磁。 T1、T2所承受的最高电压仅为电源电压Vs,7. 单端反激变换器小结,在负载为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。 不需要专门的去磁绕组，电路简单。 依靠变压器绕组电感在开关T阻断时释放存储的能量而对负载供电，磁通也只在单方向变化，因

27、此通常仅用于100-200W以下的小容量DC/DC变换（如控制系统所需的辅助电源 ）。 双管单端反激变换器多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Vs，小于单管变换器。,*3.6.3 隔离型Cuk变换器,将非隔离Cuk变换器中的电容C1一分为二； 令电容值足够大，电容电压在一个开关周期中近似恒定不变； 插入变压器（同名端如图）。 两者所有特性完全相同（除了带隔离功能、匝比外）。,3.7 DC-AC-DC变压器隔离型直流变换电源,3.7.1 半桥型DC/ACAC/DC直流电源 3.7.2 全桥型DC/ACAC/DC直流电源 3.7.3 变压器中点抽头推挽型DC/AC-AC/DC直流电源,共同点： 经过了两级功率变换： 高频逆变器将直流逆变为脉宽可控的高频方波交流 用不控整流将高频方波交流整流为PWM直流方波， LC滤波器滤除高频分量而获得纹波很小的平