DC-DC电路转换原理(含计算方式)演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 第,*,页,电力变换,常见的电力变换种类,CLASSIFY COMPARE,COMPARE,BUCK,BOOST,BUCK/BOOST,HALF-FORWARD,FLYBACK,PUSH-PULL,HALF-BRIDGE,FULL-BRIDGE,METHODS OF CONTROL,直流斩波电路,直流斩波电路（,DC Chopper）,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电；,也称为直接直流-直流变换器（,DC/DC Converter）；,一般直流斩波是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。,广泛应用于直流牵引的变速拖动,（使用直流电源时）,。,直流斩波电路的种类：,三种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路；,复合斩波电路不同基本斩波电路组合；,多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路的组合，可以工作在两个或四个象限,。,3.1.1 降压斩波电路,斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中,E,M,所示。,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,a）,电路图,b）,电流连续时的波形,c）,电流断续时的波形,降压斩波电路工作原理,t=0,时刻驱动,V,导通，电源,E,向负载供电，负载电压,u,o,=E，,负载电流,i,o,按指数曲线上升；,t=t,1,时刻控制,V,关断，负载电流经二极管,VD,续流，负载电压,u,o,近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感,L,值较大。,也称为,Buck,变换器,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,a）,电路图,b）,输出电流连续时的波形,c）,输出电流断续时的波形,工作原理,t=0,时刻驱动,V,导通，电源,E,向负载供电，负载电压,u,o,=,E,，,负载电流,i,o,按指数曲线上升；,t=t,1,时刻控制,V,关断，负载电流经二极管,VD,续流，负载电压,u,o,近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感,L值较大。,注意：直流电源侧电流不连续。,基本数量关系,电流连续时，负载电压平均值,（3-1）,t,on,V,通的时间,t,off,V,断的时间,-,导通占空比,U,o,最大为,E，,减小占空比,，,U,o,随之减小。因此称为降压斩波电路。,负载电流平均值：,（3-2）,电流断续时，,U,o,被抬高,，电机机械特性变软，一般不希望出现。,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,a）,电路图,b）,电流连续时的波形,c）,电流断续时的波形,3.1.1 降压斩波电路,斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）,T,不变，变,t,on,脉冲宽度调制（,PWM）,t,on,不变变,T,频率调制,t,on,和,T,都可调，改变占空比混合型,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,a）,电路图,b）,电流连续时的波形,c）,电流断续时的波形,基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析：,V,通态期间，设负载电流为,i,1,，,可列出如下方程：,（3-3）,3.1.1 降压斩波电路,设此阶段电流初值为,I,10,，,=L/R,，,解上式得：,V,断态期间，设负载电流为,i,2,，,可列出如下方程：,（3-5）,设此阶段电流初值为,I,20,，,解上式得：,当电流连续时，有：,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,a）,电路图,b）,电流连续时的波形,c）,电流断续时的波形,3.1.1 降压斩波电路,即,V,进入通态时的电流初值就是,V,在断态阶段结束时的电流值，反过来，,V,进入断态时的电流初值就是,V,在通态阶段结束时的电流值。由式（3-4）、（3-6）、（3-7）、（3-8）得出(主要是根据充放电曲线）,：,（3-9）,（3-10）,式中:；。由,图3-1,b,可知，,I,10,和,I,20,分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。,把式（3-9）和式（3-10）用泰勒级数近似（即,趋于零，即,L,趋于无穷大，,e,用等价无穷小代替），可得,（3-11）,上式表示了平波电抗器,L,为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值,I,o,，,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。,3.1.1 降压斩波电路,从能量传递关系出发进行的推导（可以得到和前面一样的结果）：,由于,L,为无穷大，故负载电流维持为,I,o,不变；,电源只在,V,处于通态时提供能量，为 ；,在整个周期,T,中，负载一直在消耗能量，消耗的能量为 ；,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即,（3-12）,则,（3-13）,在上述情况中，均假设,L,值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为,I,1,，,则有,（3-14）,其值小于等于负载电流,I,o,，,由上式得:,EI,1,=U,0,I,0,（3-15）,即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,3.1.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况,：,I,10,=0，,且,t=,t,x,时，,i,2,=0，,利用式（3-7）和式（3-6）可求出,t,x,为：,（3-16）,电流断续时，,t,x,1，,输出电压高于电源电压，故称该电路为,升压,斩波电路,3.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路工作原理,（,boost,变换器）,假设,L,值很大，,C,值也很大；,V,通时，,E,向,L,充电，充电电流恒为,I,1,，,同时,C,的电压向负载供电，因,C,值很大，输出电压,u,o,为恒值，记为,U,o,。,设,V,通的时间为,t,on,，,此阶段,L,上积蓄的能量为V,断时，,E,和,L,共同向,C,充电并向负载,R,供电。设,V,断的时间为,t,off,，,则此期间电感,L,释放能量为,图3-2 升压斩波电路及其工作波形,a）,电路图,b）,波形,3.1.2 升压斩波电路,工作原理,假设,L,值很大，,C,值也很大；,V,通时，,E,向,L,充电，充电电流恒为,I,1,，,同时,C,的电压向负载供电，因,C,值很大，输出电压,u,o,为恒值，记为,U,o,。,设,V,通的时间为,t,on,，,此阶段,L,上积蓄的能量为,V,断时，,E,和,L,共同向,C,充电并向负载,R,供电。设,V,断的时间为,t,off,，,则此期间电感,L,释放能量为,稳态时一个周期,T,中,L,积蓄能量与释放能量相等。,图3-2 升压斩波电路及其工作波形,（3-21）,T/t,off,1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也称之为,boost,变换器,T/t,off,升压比，调节其大小即可改变,U,o,大小，调节方法与3.1.1节中介绍的改变导通比,的方法类似。将升压比的倒数记作,，,即,。,和导通占空比,有如下关系：,（3-22）,因此，式（3-21）可表示为,（3-23）,（实际上，同学们只需记忆,即可）,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：,一是,L,储能之后具有使电压泵升的作用；,二是电容,C,可将输出电压保持。,3.1.2 升压斩波电路,以上分析中，认为,V,通态期间因电容,C,的作用使得输出电压,U,o,不变，但实际,C,值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，,U,o,必然会有所下降，故实际输出电压会略低；,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载,R,消耗，即,（3-24）,该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器。,根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值,I,o,为,（3-25),由式（3-24）即可得出电源电流,I,1,为：,（3-26）,3.1.2 升压斩波电路,2.升压斩波电路的典型应用,一是用于直流电动机传动；,二是用作单相功率因数校正（,PFC）,电路；,三是用于其他交直流电源中。,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形,a）,电路图,b）,电流连续时,c）,电流断续时,3.1.2 升压斩波电路,用于直流电动机传动时,通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源；,实际电路中电感,L,值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态；,此时电机的反电动势相当于,图3-2电路,中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。,3.1.2 升压斩波电路,电路分析,V,处于通态时，设电动机电枢电流为,i,1,，,得下式,（3-27）式中,R,为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。,设,i,1,的初值为,I,10,，,解上式得,(3-28),当,V,处于断态时，设电动机电枢电流为,i,2,，,得下式：,（3-29）,设,i,2,的初值为,I,20,，,解上式得：,（3-30）,3.1.2 升压斩波电路,当电流连续时，从,图3-3,b,的电流波形可看出，,t=t,on,时刻,i,1,=I,20,，t=t,off,时刻,i,2,=I,10,，,由此可得：,（3-31）,（3-32）,由以上两式求得：,（3-33）,（3-34）,3.1.2 升压斩波电路,与降压斩波电路一样，把上面两式用泰勒级数线性近似，得,（3-35）,该式表示了,L,为无穷大时电枢电流的平均值,I,o,，,即,（3-36）,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源被降低到了,E 。,3.1.2 升压斩波电路,当电枢电流断续时的波形,如图3-3,c,所示。,当,t=0,时刻,i,1,=I,10,=0，,令式（3-31）中,I,10,=0,即可求出,I,20,，,进而可写出,i,2,的表达式。另外，当,t=t,2,时，,i,2,=0，,可求得,i,2,持续的时间,t,x,，,即,（3-37）,当,t,x,t,0ff,时，电路为电流断续工作状态，,t,x,t,0ff,是电流断续的条件，即,（3-38）,根据此式可对电路的工作状态作出判断。,3.1.2 升压斩波电路,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,1.升降压斩波电路,设,L,值很大，,C,值也很大。使电感电流,i,L,和电容电压即负载电压,u,o,基本为恒值。,基本工作原理,V,通时，电源,E,经,V,向,L,供电使其贮能，此时电流为,i,1,。,同时，,C,维持输出电压恒定并向负载,R,供电。,V,断时，,L,的能量向负载释放，同时向,C,充电，电流为,i,2,。,负载电压极性为上负下正，,与电源电压极性相反,，该电路也称作反极性斩波电路。,图3-4 升降压斩波电路及其波形,a）,电路图,b）,波形,稳态时，一个周期,T,内电感,L,两端电压,u,L,对时间的积分为零，即：,（3-39）,当,V,处于通态期间，,u,L,=E；,而当,V,处于断态期间，,u,L,=-,u,o,。,于是：,（3-40）,所以输出电压为：,（3-41）,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,改变导通比,，,输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0,1/2,时为降压，当1/2,1,时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为,buck-boost,变换器（,Buck-Boost Converter）。,图3-4,b,中给出了电源电流,i,1,和负载电流,i,2,的波形，设两者的平均值分别为,I,1,和,I,2,，,当电流脉动足够小时，有:,（3-42）,图3-4 升降压斩波电路及其波形,a）,电路图,b）,波形,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,由上式可得：,（3-43）,如果,V、VD,为没有损耗的理想开关时，则,（3-44）,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,2.,Cuk,斩波电路,图3-5所示为,Cuk,斩波电路的原理图及其等效电路。,V,通时，,EL,1,V,回路和,RL,2,CV,回路分别流过电流,V,断时，,EL,1,CVD,回路和,RL,2,VD,回路分别流过电流,输出电压的极性与电源电压极性相反,等效电路如图3-5,b,所示，相当于开关,S,在,A、B,两点之间交替切换,图3-5,Cuk,斩波电路及其等效电路,a）,电路图,b）,等效电路,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,稳态时电容,C,的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即,（3-45）,在图3-5,b,的等效电路中，开关,S,合向,B,点时间即,V,处于通态的时间,t,on,，,则电容电流和时间的乘积为,I,2,t,on,。,开关,S,合向,A,点的时间为,V,处于断态的时间,t,off,，,则电容电流和时间的乘积为,I,1,t,off,。,由此可得,（3-46）,从而可得,（347）,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,当电容,C,很大使电容电压,u,C,的脉动足够小时，输出电压,U,o,与输入电压,E,的关系可用以下方法求出。当开关,S,合到,B,点时，,B,点电压,u,B,=0，A,点电压,u,A,=-u,C,；,相反，当,S,合到,A,点时，,u,B,=u,C,，u,A,=0。,因此，,B,点电压,u,B,的平均值为 （,U,C,为电容电压,u,C,的平均值），又因电感,L,1,的电压平均值为零，所以 。另一方面，,A,点的电压平均值为 ，且,L,2,的电压平均值为零，按,图3-5,b,中输出电压,U,o,的极性，有 。,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,于是可得出输出电压,U,o,与电源电压,E,的关系：,（3-48）,这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。,优点（与升降压斩波电路相比）：,输入电源电流和输出负载电流都是连续的,，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,3.1.3 升降压斩波电路和,Cuk,斩波电路,（了 解）,图3-5,Cuk,斩波电路及其等效电路,a）,电路图,b）,等效电路,3.2.2 桥式可逆斩波电路,当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路：,使,V,4,保持通时，等效为,图3-7,a,所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态；,使,V,2,保持通时，,V,3,、VD,3,和,V,4,、VD,4,等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,图3-8 桥式可逆斩波电路,多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的,相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数,重数 负载电流脉波数,示例：,图3-9,，3相3重降压斩波电路,相当于由3个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍,由于3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小,3.2.3 多相多重斩波电路,总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比；,和单相时相比，设输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗器总重量大为减轻；,当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路；,而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路；,多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。,3.2.3 多相多重斩波电路,图3-9 多相多重斩波电路及其波形,a）,电路图,b）,波形,3.2.3多相多重斩波电路,图3-1 降压斩波电路的原理图及波形,电路图,电流连续时的波形,电流断续时的波形,图3-2 升压斩波电路及其工作波形,电路图,波形,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形,电路图,电流连续时,电流断续时,图3-4 升降压斩波电路及其波形,电路图,波形,图3-5,Cuk,斩波电路及其等效电路,图3-7 电流可逆斩波电路及其波形,图3-8 桥式可逆斩波电路,图3-9 多相多重斩波电路及其波形,参考资料,1,SWITCHMODE Power Supply Reference Manual,.,2,电力电子变流技术,