直流直流变换器精选PPT.ppt

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1、关于直流直流变换器第1页，讲稿共54张，创作于星期二主要内容：n降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；n全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；n影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；n几种不同变换器的开关利用率。第2页，讲稿共54张，创作于星期二4.1简介第3页，讲稿共54张，创作于星期二直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：n1.降压直流-直流变换器(BuckConverte

2、r)n2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)n3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)n4.丘克直流-直流变换器n5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter)第4页，讲稿共54张，创作于星期二4.2直流-直流变换器的控制第5页，讲稿共54张，创作于星期二n基本的直流-直流变换器和它的输出波形第6页，讲稿共54张，创作于星期二n开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts开关周期 D开关占空比，n改变负载端输出电压有3种调制方法

3、：1开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。n2开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。n3.改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。第7页，讲稿共54张，创作于星期二n方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。n图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了

4、变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。第8页，讲稿共54张，创作于星期二第9页，讲稿共54张，创作于星期二n按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：(4-2)n直流-直流变换器有两种不同的工作模式：1.电感电流连续模式n2.电感电流断续模式n在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。第10页，讲稿共54张，创作于星期二4.3降压变换器第11页，讲稿共54张，创作于星期二n降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。n在实际应用中，有如下

5、问题：1实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；2在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。第12页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-3降压变换器电路原理图第13页，讲稿共54张，创作于星期二n图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。第14页，讲稿共54张，创作于星期二n采用由电感

6、和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。第15页，讲稿共54张，创作于星期二4.3.1电流连续模式时的工作情况n在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo，如图4-5(a)所示。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极

7、管继续流动，uL=-Uo，电感电流下降，如图4-5(b)所示。输出电压 (4-5)n因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。第16页，讲稿共54张，创作于星期二第17页，讲稿共54张，创作于星期二忽略电路所有元件的能量损耗，则因此故有(4-6)因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流

8、谐波。第18页，讲稿共54张，创作于星期二4.3.4输出电压纹波第19页，讲稿共54张，创作于星期二n在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。n电压纹波的峰-峰值Uo为:(4-24)n式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcutri，VTB+和VTA-断开，VTA+和VTB-导通；否则VTA+和VTB-断开，VTB+和VTA-导通。第33页，讲稿共54张，创作于星期二n双极性控制方式下的工作过程为：在负载电流比较大的情况下，当ucoutri，触发VTA

9、+和VTB-导通，直流电源经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，输出电压uo=Ud，电流上升；当ucoutri，使VTA+和VTB-断开，触发VTB+和VTA-，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VDB+和VDA-续流，VTB+和VTA-不能导通，输出电压uo=-Ud，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。第34页，讲稿共54张，创作于星期二n在负载电流较小的情况下，在ucoutri，控制信号使VTB+和VTA-断开，触发VTA+和VTB-，由于电感电流不能突变，因此负载电流经VDA+和VDB-续流，使VTA+和VTB-不能导通，uo=

10、Ud，同时电流上升，直至电流上升到0，VDA+和VDB-断开，VTA+和VTB-导通，由此循环往复周期性的工作。第35页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-26双极性PWM方式时的工作波形第36页，讲稿共54张，创作于星期二n输出电压Uo、占空比D、控制电压uco之间的函数关系(4-66)将式(4-64)代入式(4-66)中得：(4-67)式中n式(4-67)表明，与前面介绍的变换器相似，全桥式开关模式变换器输出电压平均值与输入控制信号是线性关系。事实上，当考虑同一桥臂的两个开关管有导通延迟时间时，输出电压Uo与控制电压uco的关系有轻微的非线性。第37页，讲稿共54张，创作于星期二n输出电压

11、的波形显示输出电压从+Ud变到-Ud。这就是为什么称这种控制方式为双极性PWM控制方式的原因。n当控制电压uco的大小和极性变化时，式(4-64)中的占空比D1从0到1之间变化，输出电压平均值Uo在-Ud到+Ud之间变化。n当Io0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioutri，则关断VTA-，触发VTA+(4-68a)n如果ucoutri，则关断VTB-，触发VTB+(4-69a)n如果-ucoutri，且-ucoutri，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升；n当ucoutri，且-ucoutri，使VTB-断开，触

12、发VTB+，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。第40页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-27单极性PWM方式时的工作波形第41页，讲稿共54张，创作于星期二n输出电压平均值Uo为(4-72)n由式(4-72)可以看出，单极性控制方式的输出电压平均值Uo与控制电压uco成线性关系。n当Io0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Io0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递。n如果两种控制方式的开关频率相同，则由于单极性脉宽调制控制方式的输出电压波形的

13、频率是双极性脉宽调制控制方式的2倍，因此前者有着较好的频率响应和较小的输出电压纹波。第42页，讲稿共54张，创作于星期二n(a)双极性控制方式：输出电压纹波为：(4-74)n(b)单极性控制方式：输出电压纹波为：(4-77)n图4-28中给出了在双、单极性控制方式下输出电压纹波Ur，rms/Ud与占空比D的函数关系曲线。由图可见，单极性控制方式有着较小的输出电压纹波。第43页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-28输出电压纹波Ur，rms与输出电压Uo的函数关系曲线第44页，讲稿共54张，创作于星期二4.7直流-直流变换器的比较第45页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-29不同的直流-直流变

14、换器的开关利用率第46页，讲稿共54张，创作于星期二n从图4-29可以看出，升压变换器和降压变换器的开关利用率比较高，复合型变换器和全桥式变换器的开关利用率很低。n因此，从变换器的开关利用率考虑，通常采用升压变换器或降压变换器。只有在要求输出电压在比输入电压高和低的范围调节，或者要求有负的输出电压时，考虑采用复合型变换器。只有要求变换器必须在四个象限运行时，才使用全桥式直流-直流变换器。第47页，讲稿共54张，创作于星期二4.8直流开关电源的应用第48页，讲稿共54张，创作于星期二n直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介

15、绍的几种主要直流-直流变换器可以直接应用在电机驱动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求：1当输入电压和负载变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或输出电压可调。2输出与输入之间需要电气隔离。3某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。第49页，讲稿共54张，创作于星期二4.8.1带有电气隔离的直流-直流变换器n输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用了一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。直流-直流变换器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变压器副边的整流和滤波电路得到直流电压U

16、o。由PWM控制器驱动直流-直流变换器的开关管，通过反馈控制得到要求的直流输出电压。反馈控制电路的电气隔离可以通过变压器也可以用光电耦合器实现。第50页，讲稿共54张，创作于星期二n图4-30直流开关电源的组成框图第51页，讲稿共54张，创作于星期二小结n本章讨论了几种主要型式的直流-直流变换器的拓扑结构。除了全桥式直流-直流变换器以外，其他变换器只能在电压-电流相平面的单象限运行，即功率只能单方向传递。而全桥式直流-直流变换器可以在四个象限运行。第52页，讲稿共54张，创作于星期二在负载电流较小的情况下，n在ucoutri，且-ucoutri，使VTA-断开，触发VTA+，由于电感电流不能突

17、变，因此负载电流经VDA+和VDB-续流，使VTA+不能导通，uo=Ud，同时电流上升，直至电流上升到0，VDA+和VDB-断开，VTA+和VTB-导通。n当-ucoutri，使VTB-断开，触发VTB+，由于电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降，由于电流小，电流会下降到0，VDB+断开，负载电流经VTB+和VDA+构成电流回路，电流变负；n直至-ucoutri，使VTB+断开，触发VTB-，由于电感电流不能突变，因此负载电流经VDA+和VDB-续流，使VTB-不能导通，uo=Ud，同时电流上升，直至电流上升到0，VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。第53页，讲稿共54张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第54页，讲稿共54张，创作于星期二