第5章--直流-直流变换电路上课讲义.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章-直流-直流变换电路,二、直流斩波器的基本结构和工作原理,下图是直流斩波器的原理图。图中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电流经过S给负载RL供电；开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。,图5-1,三、直流斩波器的分类,直流斩波器按照调制形式可分为,1）脉冲宽度调制(PWM)；2）脉冲频率调制(PFM)；3）混合调制。,按变换电路的功能分类有,1）降压式直流-直流变换(Buck Converter)；2）升压式直流-直流变换(Boost Converter)；3）升压-降压复合型直流-直流变换(Boost-Buck Converter)；4）库克直流-直流变换（Cuk Converter）。,按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为,1）单象限直流斩波器；2）二象限直流斩波器。,四、直流斩波器中电感、电容的基本特性,1、电感电压的伏秒平衡特性,稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定，因此，每个开关周期中电感电压,2、电容电流的安秒平衡特性,稳态条件下，开关变换器中的电容电流必然周期性重复，每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定，因此，每个开关周期中电容电流,5.2 单管非隔离直流斩波器,5.2.1、降压式直流斩波电路,1、电路的结构,电路中的VT采用IGBT；VD起续流作用，在VT关断时为电感L储能提供续流通路；L为能量传递电感，C为滤波电容，R为负载；,U,s为输入直流电压，,U,0,为输出直流电压。,图5-2,2、工作原理,1）在控制开关VT导通,t,on期间，二极管VD反偏，则电源Us通过L向负载供电，此间,i,L,增加，电感L的储能也增加，在电感端有一个正向电压,u,L,=,U,s,-,u,o，,左边正右边负。这个电压引起电感电流,i,L,线性增加；如上图(a)所示。,2、工作原理,2）在开关管VT关断时，电感中储存的电能产生感应电势，使二极管导通，故电流,i,L,经二极管VD续流，,u,L,=-,u,o（原方向设为正），电感L向负载供电，电感L的储能逐步消耗在R上，电流,i,L,下降。如上图(b)所示。,图5-4 连续和断续两种工作模式波形图,3、基本数量关系,根据电感电压的伏秒平衡特性,设输出电压平均值为,U,0,，则在稳态时，上式可以表达为：,即,式中,D,为导通占空比；,t,on,为VT的导通时间；,T,为开关周期。,通常,t,on,T,，所以该电路是一种降压直流变换电路。当输入,电压,E,不变时，输出电压,U,o随占空比,D,的线性变化而线性改变，而与电路其他参数无关。,5.2.2 升压式直流斩波电路,1、电路的结构,斩波开关VT与负载并联连接，储能电感与负载呈串联连接,图5-5,2、工作原理,1）VT导通时，,U,s,向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值,I,L,。又VD截止时C向负载R放电，由于C已经被充电且,C,容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为,U,0,。设VT的导通时间为,t,on,，在此阶段电源U,s,全部加在电感L上，则,U,s,=,u,L,；,2、工作原理,2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源Us叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为,t,off,，则此时间内电感电压为,。,图5-7 Boost变换器工作波形,3、基本数量关系,根据电感电压的伏秒平衡特性,设输出电压平均值为,U,0,，则在稳态时，上式可以表达为：,即,由斩波电路的工作原理可看出，周期,T,t,off,，或,T,/,t,off,1，故负载上的输出电压,U,0,高于电路输入电压,Us,，该变换电路称为升压式斩波电路。,5.2.3 升降压式直流斩波电路,1、电路的结构,该电路的结构是储能电感L与负载R并联，续流二极管VD反向串接在储能电感与负载之间。,图5-8,2、工作原理,1）当开关VT导通时，电源Us经VT给电感L充电储能，电感电压上正下负，此时VD被负载电压（下正上负）和电感电压反偏，流过VT的电流为,i,T,（=,i,L,），方向如上图a所示。由于此时VD反偏截止，电容C向负载R供能并维持输出电压基本恒定，负载R及电容C上的电压极性为上负下正，与电源极性相反；此阶段,2、工作原理,2）当开关VT关断时，电感L电压极性变反（上负下正），VD正偏导通，电感L中的储能通过VD向负载R和电容C释放，放电电流为,i,L,，电容C被充电储能，负载R也得到电感L提供的能量。,图5-10 Buck-Boost,变换器工作波形,3、基本数量关系,根据电感电压的伏秒平衡特性有,在开关VT导通期间，有,u,L,=,Us,；而在VT截止期间，,u,L,=-,u,0,。于是有,U,s,t,on,=,U,0,t,off,输出电压表达式可写成,改变,D,输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。,当 时，斩波器输出电压低于输入电压，此时为降压变换；,当 时，斩波器输出电压高于输入电压，此时为升压变换,。,5.2.4 Cuk直流斩波电路,1、电路的特点,Cuk斩波电路是升降压式斩波电路的改进电路，其原理图及等效电路如下所示。优点是直流输入电流和负载输出电流连续，脉动成分较小。,图5-11,2、工作原理,1）当控制开关VT导通时，电源Us经L,1,VT回路给L,1,充电储能，C通过CL,2,RVT回路向负载R输出电压，负载电压极性为下正上负。,2）当控制开关VT截止时，电源Us通过L,1,CVD回路向电容C充电，极性为左正右负；L,2,通过L,2,VDRL,2,回路向负载R输出电压，电压的极性为下正上负，与电源电压相反。,输出可写成,5.2.5 H桥式直流斩波电路,1、电路的特点,全桥斩波电路有两个桥臂，每个桥臂由两个斩波控制开关VT及与它们反并联的二极管组成。优点是变换器可以在四象限运行,。,图5-14,2、工作原理,如果变换器同一桥臂的两个开关管VT在任一时刻都不同时处于断开状态，则输出电压,u,o,完全由开关管的状态决定。以负直流母线N为参考点，U点的电压,u,UN,由如下的开关状态决定：当VT1导通时，正的负载电流,i,o,将流过VT1；或当VD1导通时，负的负载电流,i,o,将流过VD1，则U点的电压为：,u,UN,=,U,s,类似地，当VT2导通时，负的负载电流,i,o,将流入VT2；或当VD2导通时，正的负载电流,i,o将流过VD2，则U点的电压为：,u,UN,=0,综上所述，,u,UN,仅取决于桥臂U是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流,i,o,的方向无关，因此,U,UN,为：,式中，,t,on,和,t,off,分别是VT,1,的导通和断开时间，,D,VT1,是开关管VT,1,的占空比。由此可知，,U,UN,仅取决于输入电压,E,和VT,1,的占空比,D,VT1,。类似地，,因此，输出电压,U,o,(=,U,UN,-,U,VN,)也与变换器的输入电压,U,s、开关占空比,D,VT1,和,D,VT3,有关，而与负载电流,i,o,的大小和方向无关,如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则输出电压,u,o,由输出电流,i,o,的方向决定。这将引起输出电压平均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同时处于断开的情况发生。,3、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，图中的（VT1、VT4）和(VT2、VT3)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，每个桥臂的开关管是单独控制的。,全桥式直流-直流变换器的输出电流即使在负载较小的时候，也没有电流断续现象。,5.3 变压器隔离的直流-直流变换器,许多场合要求输入输出间实现电隔离，在基本的非隔离DC-DC变换器中加入变压器，就可派生出带隔离变压器的DC-DC变换器。在这类变换器中，变压器的作用主要是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。应用在DC-DC变换器中的变压器是高频变压器，工作原理与其他类型的变压器不同，铁芯必须加气隙。,由于变压器可插在基本变换电路中的不同位置，从而可得到多种形式的变压器隔离的变换器主电路。下面介绍常见的单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等,5.3.1 单端正激变换器,1、电路结构,单端正激变换器由Buck变换器派生而来。下图(a)为Buck变换器的原理图，在虚线的位置插入一个隔离变压器，即可得到图(b)的单端正激变换器。,图5-15 单端正激变换器结构,2、工作原理,1）开关管VT导通时，工作状态如图5-16(a)所示，根据图中的同名端表示，可以知道变压器副边也流过电流，VD,1,导通，VD,2,截止，电感电压为左正右负，变压器副边的电流线性上升，电源能量经变压器传递到负载侧。在开关管VT导通期间，电感电压,图5-16(a),2、工作原理,2）开关管VT截止时，工作状态如图5-16(b)所示，变压器副边没有电流流过，负载电流经反并联二极管VD,2,续流。在开关管VT断开期间，电感电压为负，电流线性下降。电感电压,图5-16(b),在稳态时，电感电压符合伏秒平衡特性，在一个周期内积分为零。因此,由上式可见，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比成正比，这与Buck变换器类似，不同的是比后者多了一个变压器的变比。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压变换器的一些特性。,得,5.3.2,单端反激变换器,1、电路结构,反激变换器电路如图5-17所示。与升-降压变换器相比较，反激变换器用变压器代替了升-降压变换器中的储能电感。这里的变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起储能电感的作用。,图5-17 单端反激变换器电路原理图,2、工作原理,1）当开关管VT导通时，VD,1,承受反压，此时变压器副边相当于开路，原边相当于一个电感。电源,U,S,向变压器原边输送能量，并以磁场形式存储起来。,2）当开关管VT截止时，线圈中磁场储能不能突变，将会在变压器副边产生上正下负的感应电势，该感应电势使VD,1,承受正向电压而导通，从而磁场储能转移到负载上。,反激变换器电路简单，在小功率场合应用广泛。缺点是磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体积较大。,5.3.3 半桥式隔离的降压变换器,在正激、反激变换器中，变压器原边通过的是单向脉动电流，磁场易饱和。半桥和全桥式隔离变换器可克服此缺点。,1、电路结构,半桥式隔离的降压变换器如图5-19所示，C,1,、C,2,为滤波电容，VD,1,、VD,2,为VT,1,、VT,2,的续流二极管，VD,3,、VD,4,为整流二极管，LC为输出滤波电路。,图5-19 半桥式降压变换器,2、工作原理,滤波电容C,1,、C,2,上的电压近似直流，且均为Us/2。,1）当VT,1,关断、VT,2,导通时，电源及电容C,2,上的储能经变压器传递到副边。同时，电源经变压器VT,2,向C,1,充电，C,1,储能增加。,2）当VT,1,导通、VT,2,关断时，电源及电容C,1,上的储能经变压器传递到副边，此时，电源经VT,1,变压器向C,2,充电，C,2,储能增加。,变压器副边电压经VD,3,及VD,4,整流、LC滤波后即得到直流输出电压。通过交替控制VT,1,、VT,2,的开通与关断，并控制其占空比，即可控制输出电压大小。,5.3.4 全桥式隔离的降压变换器,常见的全桥式隔离的降压变换器电路如图5-20所示。,图5-20 全桥式降压变换器,1）电路的工作原理是：将VT,1,、VT,4,作为一组，VT,2,、VT,3,作为另一组，交替控制两组开关关断与导通，即可利用变压器将电源能量传递到副边。变压器副边电压经VD,1,及VD,2,整流，LC滤波后即得直流输出电压。改变占空比即可控制输出电压大小。,2）电容C,0,的作用是防止变压器出现偏磁而设置的，也称为去偏电容。由于正负半波控制脉冲宽度难以做到绝对相同，同时开关器件特性难以完全一致，从而电路工作时流过变压器原边的电流正负半波难以完全对称，因此，加上C,0,以防止铁芯磁场直流磁化而饱和。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,