北京交通大学+电力电子技术+第05章+直流斩波器(dc-dc变换器)

电力电子技术 Power Electronics Technology,Spring 2006,电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠,第五章 直流斩波器 （ DC-DC变换器 ）,概 述,1、直流电压的调节方式 （1）线性调节方式 通过与负载相串联的线性元件来调节电压 损耗大、效率低,（2）开关调节方式 通过电子开关的闭合/断开来调节电压,电阻负载降压变换器,2、直直变换器属开关调节方式 3、直直变换技术的应用 直流调速系统：如地铁动车、无轨电车、其它 蓄电池供电的电动车辆等，在 此领域称直流斩波技术 开关电源：如通信电源、电脑、移动电话电源 等，在此领域称直直变换技术,4、直流斩波器的分类： 根据输入、输出电压大小 降压型 U0 Ui Boost 型 升降压型 Buck-Boost 型 Cuk 型 根据输出电压、输出电流方向 第一象限 U0 0 , I0 0 第二象限 U0 0 , I0 0 两象限 四象限 根据是否带隔离变压器 不带隔离变压器和带隔离变压器,5、本章将讨论直直变换器的工作原理和稳态工作特性，在分析过程中基于如下几点假设： 电路中的开关管、二极管均为理想器件 电路中的电感、电容均为理想器件 直流输入电源为理想的恒压电源 输出电压的纹波远小于输出平均电压,6、本章要求： 熟悉直流变换电路的工作原理及控制方法，掌握四种基本DC/DC变换电路的工作原理、连续导电模式时的波形分析及电量计算方法 了解多相多重型斩波电路、多象限斩波电路的工作原理及控制方法 了解带隔离变压器的DC/DC变换电路的工作原理 7、重点： 掌握各种DC/DC变换电路的工作原理、波形分析和 电量计算,直流斩波器的应用： 直流电机调速 直流电压变换（开关电源） 直流电压隔离,3. 1 工作原理及控制方式,3. 1. 1 直流斩波器的工作原理 S ： 斩波开关 D ： 续流二极管 S闭合： uLD = US S断开： uLD = 0,负载电压平均值： 斩波开关导通比（占空比）： 0 1 ，0 ULD US 0 t ton :,ton t T :,3.1.2直流斩波器的控制方式,基本控制方式：调节 ton / T 定频调宽控制（PWM） T 不变，调节 ton 定宽调频控制（PFM） ton 不变，调节 T toff 不变，调节 ton 和 T 调频调宽混合控制,反馈控制方式： 瞬时值控制（边带控制、bang-bang控制） 当 i Imax时，S 关断 特点： 输出电流(电压)纹波恒定 响应速度快 开关频率变化较大,平均值控制 电压反馈控制或电流反馈控制 当 Uf Ur 时，减小ton ， U0 下降 特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢,5. 1 降压变换器（BUCK变换器）,一、电路与工作原理 1、电路结构 2、工作原理 S闭合，Ud通过L向R供能，iL增大，L储能增加 S断开， iL通过D续流， L上的能量消耗在R上， iL下降 Uo=0 Ud,视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式,功率开关器件,滤波电容,储能电感,续流二极管,二、连续导电模式,1、波形分析 稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0，Io=IL 忽略电路损耗，Pd=Po， 即：UdId=UoIo,2、电量计算 因为 所以 得： 由 得：,5. 2 升压变换器（BOOST变换器）,一、 电路与工作原理 1、电路结构 2、工作原理 S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电 S断开， iL通过D向C和R供电， iL下降 Uo= Ud,视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式,储能电感,滤波电容,二、连续导电模式,1、波形分析 稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0， I0=ID ， Id=IL 忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo,2、电量计算 稳态时，一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等：,5. 3 升降压变换器（BUCK-BOOST变换器）,一、电路结构与工作原理 1、电路结构 2、工作原理 S闭合，Ud向L充电，iL增大，负载由C供电 S断开， iL通过D向C和 R供电， iL下降 Uo=0,视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式,二、 连续导电模式,1、波形分析 稳态时，Uo基本恒定，IC=0，UL=0， I0=ID 忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo,2、电量计算,5. 4 丘克变换器（CUK变换器）,一、 电路结构与工作原理 1、电路结构 L1、C1为能量传递元件 L2、C2为滤波元件,2、工作原理 S闭合，D截止，Ud向L1充电，iL1增大， C1向L2 、 C2和负载供电， iL2增大 S断开，D导通，Ud和L给C1充电， iL1下降，负载由L2和C2供电， iL2下降 Uo=0 视iL1是否连续，可分为连续导电和不连续导电模式,二、连续导电模式,1、波形分析 稳态时， UC1 、Uo基本恒定，IC1=0， IC2=0， UL1=0， UL2=0 忽略电路损耗，Pd=Po，即：UdId=UoIo Id=IL1，Io=IL2,2、电量计算,课 堂 思 考,1、在丘克DCDC变换器中，传递能量的元件是 。 2、在BOOST电路中，若输入电压Ui=10.0V，占空比D=0.7，则输出电压Uo= 。 3、判断对错 （1）BuckBoost DCDC变换器： 在连续工作状态下，输入电流是连续的 属于一象限DCDC变换器 在连续工作状态下，若输入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈线性关系 是升降压DCDC变换器 连续工作状态是指负载电流连续 （2）DC-DC变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动越小。 （3）在DC-DC变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动越小。 （4）在DC-DC变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动越小。,5.15.4 小结,1、直流直流（DCDC）变换器把一种直流电变换成另一种直流电的电力电子装置 2、 DCDC变换器的分类、基本控制方法 3、 DCDC变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响 4、对四种基本DCDC变换器的要求： 能画电路图、并能叙述其工作原理 能画各元件上的电压、电流波形（重点是uL、iL波形，难点是ic波形） 会推导Uo/Ud=f(D)的关系式和iL的表达式,5 . 5 带隔离变压器的直直变换器,开关电源的基础：由基本直直变换器派生而来 由降压变换器派生的电路 单端正激变换器 混合桥式变换器 电压型推挽变换器 电压型半桥变换器 电压型全桥变换器 由升压变换器派生的电路 电流型推挽变换器 由升-降压变换器派生的电路 单端反激变换器,一、正激式（Forward）变换器,（一）理想单端正激式变换器 不考虑变压器激磁电抗和漏抗,2、工作原理 S闭合 ：D1正偏导通， D2反偏截止，uL0 ，iL线性增大； S断开：D2续流，uL0 ，iL线性减小。,1、电路结构,3、单端变换器必须遵循的原则：磁通复位（去磁）原则 要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通 增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加， 导致磁芯饱和，造成开关管损坏,（二）实用单端正激式变换器,1、电路结构 N1：原边绕组；N2：副边绕组；N3：去磁绕组,2、工作原理 S闭合：D1导通，D2、D3截止， iL 、im线性增长 S断开，去磁期间：D1截止，D2、D3导通， iL 、 im线性减小， im经N3、D3反馈到电源Ud中 断开，去磁以后：D1 、D3截止，D2导通， iL线性减小,3、基本关系： 承受最大电压： D1承受最大电压： D2承受最大电压： D3承受最大电压： 通常取： N3 = N1,（三）双管单端正激式变换器,二、反激式（Flyback）变换器,1、电路结构 2、工作原理,3、波形分析,4、基本关系 承受最大电压： D承受最大电压：,三、推挽式（Push-pull）变换器,1、电路结构,2、工作原理 T1导通、T2截止：D1正偏导通，D2反偏截止，iD1=iL线性增长，iD2= T1截止、T2导通：D1反偏截止，D2正偏导通，iD2=iL线性增长，iD= T1、T2截止： D1、D2续流， iL线性下降。若不考虑激磁电流，则iD1= iD2=iL/2,根据iL是否连续可分为连续工况和断续工况,3、主要波形 4、基本关系 原边T承受最大电压： 原边承受最大电压： 副边D承受最大电压：,如果两个开关导通时间不对称，使会变压器中存在直 流分量，因此容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和,四、半桥式（Half-bridge）变换器,1、电路结构,2、工作原理和主要波形：均与推挽式类似,4、基本关系 原边T承受最大电压： 副边D承受最大电压：,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通 时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有 自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流 磁饱和,五、全桥式（Full-bridge）变换器,1、电路结构,2、工作原理和主要波形： 均与推挽式类似,4、基本关系 原边T承受最大电压： 副边D承受最大电压：,如果T1、T4与T2、T3的导通时间不对称，则交流电压uT 中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直 流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以 阻断直流电流,五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较,电路结构 变压器利用率（单端、双端） 激磁能量（去磁方法） 开关器件电压应力 功率等级（应用场合） 驱动难易程度 可靠性（短路、偏磁）,5.5 小结,1、 带隔离变压器的直直变换器一般用作开关电源 2、带隔离变压器的单端变换器必须遵循磁通复位原则 3、对以上DCDC变换器的要求： 能“认”电路图、并能叙述其工作原理 能画一些典型的电压、电流波形 熟悉并理解各变换器的特点,习题 51、 52 、 53、 54、55,思考和作业,实验三 直流斩波电路,