《直流变换电路》PPT课件.ppt

第3章 直流变换电路,1、定义：利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。(开关型DC/DC变换电路/斩波器)。2、分类：按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)直流变换电路。按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。3、隔离方式：在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.1 直流变换电路的工作原理,工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。电路中开关的占空比TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 式（）中Ud为输入直流电压。输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。,图3.1.1 基本的斩波器电路 及其负载波形,（3.1.2）,（3.1.1）,（3.1.3）,直流变换电路的常用工作方式主要有两种：脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持Ton不变，改变TS。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS不变，改变Ton。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。,3.1 直流变换电路的工作原理,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.2 降压变换电路,原理图,续流二极管,全控型电力器件,输入直流电压,滤波电感,滤波电容,负载,3.2 降压变换电路,导通期间（ton）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。等效电路如图3.2.1(b)所示；关断期间（toff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如3.2.1(c)所示；由波形图3.2.1(b)可以计算出输出电压的平均值为：,图 降压电路及其波形图,(),忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：,电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。,3.2 降压变换电路,图3.2.2 电感电流波形图,Buck变换器的可能运行情况：,电感电流连续模式,电感电流临界连续状态,电感电流断流模式,3.2 降压变换电路,(3.2.4),1）电感电流iL连续模式：,在ton期间:电感上的电压为,由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成,式中IL=I2I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。,3.2 降压变换电路,(3.2.5),(3.2.6),(3.2.7),(3.2.8),(3.2.9),1）电感电流iL连续模式：,在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有,根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期S为,上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL=I2I1可得,2）电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；当实际负载电流Io=Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；,3.2 降压变换电路,(3.2.10),(3.2.11),输出纹波电压：在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为 其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。,3.2 降压变换电路,（3.2.14）,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.3 升压变换电路,1)定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。,全控型电力器件开关,储能,保持输出电压,2）原理图,3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。toff工作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载RL提 供能量。可得：式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在0D1的变化范围内 UoUin,3.3 升压变换电路,图3.3.1 升压变换电路及其波形,4）Buck变换器的可能运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。当实际负载电流Io=Ick时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。当实际负载电流IoIck时，电感电流断流。,3.3 升压变换电路,(2.3.11),T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C充电。,图3.3.1 升压变换电路及其波形,3.3 升压变换电路,总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:,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：因为稳态运行时，开关管T导通期间()电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。,3.3 升压变换电路,总 结：,Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。,实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。,Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.4 升降压变换电路,1)概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。,图3.4.1升降压变换电路原理图,3.4 升降压变换电路,2）工作原理：ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。,图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形,(3.4.4),(3.4.1),3.4 升降压变换电路,2）工作原理：（续）在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：由,的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5Ud，为升压变换；当0D0.5时，U0Ud，为降压变换。,(3.4.5),3）工作原理：（续）采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：变换器的可能运行情况：实际负载电流IoIck时，电感电流连续。实际负载电流Io=Ick时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。实际负载电流IoIck时，电感电流断流。,3.4 升降压变换电路,(3.4.5),3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。,3.5 库克变换电路,L1、L2储能电感,耦合电容,快速恢复续流二极管,滤波电容,图3.5.1（a）库克(Cuk)变换电路原理图,3.5 库克变换电路,图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形,晶闸管关断,晶闸管开通,1）Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管D的电流连续或断流。2）工作情况电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电 流总是大于零。电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电 流在一段时间内为零。临界连续：二极管电流经toff后，在下个开关周 期TS的开通时刻二极管电流正好降 为零。,3.5 库克变换电路,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.6 带隔离变压器的直流变换器,1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。2）选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与负载所需的输出电压Uo，能使直流变换器的占空比D数值适中而不至于接近于零或接近于l。3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。,1、引入变压器作用：,1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化；2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载；3）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中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；,3.6 带隔离变压器的直流变换器,2、分类：,3.6 带隔离变压器的直流变换器,3.6.1 反激式变换器,图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形,一般情况下，反激式变换器的工作占空比D要小于0.5。,反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压UO为：,(3.6.1),3.6 带隔离变压器的直流变换器,图3.6.2 正激式变换器电路,变换器的输出电压为：,该电路的占空比D不能超过0.5。,正激式变换器,(3.6.2),3.6 带隔离变压器的直流变换器,推挽式变换器（属正激式变换器）,图3.6.3 推挽式变换器电路,其工作占空比必须保持小于0.5。,半桥式变换器,3.6 带隔离变压器的直流变换器,图3.6.4 半桥变换电路原理图,图3.6.5 全桥变换电路,3.6.5 全桥变换电路,3.6 带隔离变压器的直流变换器,将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关管，并配上适当的驱动器，即可组成图所示的全桥电路。,3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术,第3章 直流变换电路,3.7 直流变换电路的PWM控制技术,3.7.1 直流PWM控制的基本原理,图3.7.1 PWM波形,载波,调制信号,1）PWM波形：将一个直流电压分成N等份，并把每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉冲来代替，得到的脉冲列；2）调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲。,3.7.1 直流PWM控制的基本原理,图3.7.1 PWM波形,调制信号,载波,3）直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如果这些脉冲的频率不变而宽度变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流电压。调节直流调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲的宽度。,3.7.1 直流PWM控制的基本原理,图3.7.1 PWM波形,调制信号,载波,3.7 直流变换电路的PWM控制技术,1、双极性电压开关PWM控制方式,开关原理：直流控制电压与三角波电压比较产生两组开关的PWM控制信号:1)当uruc时，T1和T4导通，T2和T3关断；2)当uruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。,图3.6.5 全桥变换电路,图3.7.2 双极性电压PWM控制方式,1、双极性电压开关PWM控制方式,输出电压的平均值为：,变换电路的输出电压可在-Ud到+Ud之间变化:1）时，U0=0；2）时，U00；,3.7 直流变换电路的PWM控制技术,1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能量，在I00时，U0向Ud传输能量。,1、双极性电压开关PWM控制方式,(3.7.6),3.7 直流变换电路的PWM控制技术,总结：,电路在工作过程中，保持T4导通，T3关断。1）若，T1触发导通，T2 关断,u0=Ud；2)若，T2触发导通，T1 关断，u0=0。,2、单极性电压开关PWM控制方式,图3.6.5 全桥变换电路,3.7 直流变换电路的PWM控制技术,2、单极性电压开关PWM控制方式,图3.7.3 单极性电压开关PWM控制,平均输出电压U0的表达式为:,D1是开关T1的占空比，Ucm是三角波的峰值，k=Ud/Ucm是比例系数。这个公式表明，在单极性电压开关PWM控制方式中，输出电压平均值U0随控制电压ur线性变化。不管输出电流I00或I00，U0始终为正值。,(3.7.7),3.7 直流变换电路的PWM控制技术,