直流直流变换幻灯片.ppt

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1、直流直流变换第1页，共68页，编辑于2022年，星期一DC-DC Converter 的应用：DC-DC变换器变换器是将固定的直流是将固定的直流电压电压转换为可调的直流转换为可调的直流电压电压，广泛应用在直流电源，广泛应用在直流电源和直流电机驱动系统中。和直流电机驱动系统中。第2页，共68页，编辑于2022年，星期一4.1 简 介第3页，共68页，编辑于2022年，星期一直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：p1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)p2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)p3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-Boost Conve

2、rter)p4.降压-升压复合型：Cuk直流-直流变换器p5.全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter)第4页，共68页，编辑于2022年，星期一本章主要内容：p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；p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；p影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；p比较几种不同变换器的开关利用率。第5页，共68页，编辑于2022年，星期一4.2 直流-直流变换器的控制 直流-直流变换器基本原理：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

3、变占空比改变输出电压平均值，因此也称为斩波器斩波器。第6页，共68页，编辑于2022年，星期一p基本的直流-直流变换器和它的输出波形 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：思考：这个电路有什么问题吗？思考：这个电路有什么问题吗？第7页，共68页，编辑于2022年，星期一p在实际应用中，有如下问题：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

4、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8页，共68页，编辑于2022年，星期一p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9页，共68页，编辑于2022年，星期一p采用由电感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fcfs，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10页，

5、共68页，编辑于2022年，星期一改变负载端输出电压有3种调制方法：p1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)。p2开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。p3.改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。思考：哪种调制方法最合适？思考：哪种调制方法最合适？第11页，共68页，编辑于2022年，星期一p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。p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

6、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12页，共68页，编辑于2022年，星期一第13页，共68页，编辑于2022年，星期一p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：p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2.电感电流断续模式p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14页，共68页，编辑于2022年，星期一4.3 降压变换器 第

7、15页，共68页，编辑于2022年，星期一p降压变换器电路原理图 第16页，共68页，编辑于2022年，星期一4.3.1 电流连续模式时的工作情况 p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)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17页，共68页，编辑于2022年

8、，星期一降压变换器工作过程演示第18页，共68页，编辑于2022年，星期一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谐波。第19页，共68页，编辑于2022年，星期一4.3.4 输出电压纹波 第20页，共68页，编辑于2022年，星期一p在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。

9、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。p电压纹波的峰-峰值Uo为:(4-24)p式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fcfs，就可以抑制输出电压的纹波。当变换器工作在电流连续模式时，电压脉动与输出负载功率无关。对电流断续模式的情况也可做类似的分析。p在开关模式的直流电源系统中，输出电压纹波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不会影响分析结果的。第21页，共68页，编辑于2022年，星期一4.4 升压变换器 第22页，共68页，编辑于2022年，星期一Boost的应用第23页，共6

10、8页，编辑于2022年，星期一p图4-11 升压变换器电路原理图 升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路原理图。第24页，共68页，编辑于2022年，星期一p当开关管导通时，输入电源的电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，输出与输入隔离。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，电感电流iL通过二极管和负载构成回路，由输入电源向负载提供能量。在在下下面面的的稳稳态态分分析析中中，输输出出端端的的滤滤波波电电容容器器被被假假定定为为足足够够大大以以确确保保输输出出电电压压保保持持恒恒定定，即即uo=Uo。电压升高的原

11、因电压升高的原因：电感电感L L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用 电容电容C C可将输出电压可将输出电压保持保持住住第25页，共68页，编辑于2022年，星期一p升压变换器工作过程演示(假定iL连续)第26页，共68页，编辑于2022年，星期一4.4.1 电流连续模式时的工作情况 p在稳态时，电感电压在一个周期内的积分是0，p上式的两边除以Ts，得：(4-26)p假设电路没有损耗，则Pd=Po，(4-27)第27页，共68页，编辑于2022年，星期一4.4.5 输出电压纹波 第28页，共68页，编辑于2022年，星期一p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，

12、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4-17所示。p纹波的峰-峰值为(4-40)p对于电流断续模式也可作类似分析。第29页，共68页，编辑于2022年，星期一4.5 降压-升压复合型变换器 第30页，共68页，编辑于2022年，星期一图4-18 降压-升压复合型变换器电路原理图Buck-Boost电路第31页，共68页，编辑于2022年，星期一4.5.1 电流连续模式时的工作情况第32页，共68页，编辑于2022年，星期一p降压-升压复合型变换器可以得到高于或低于输入电压的输出电压。当开关管导通时，输入端经开关管和电感构成电流通道，提供能量给电感，二

13、极管反向偏置。当开关管断开时，电感中的自感电势使二极管导通，储存在电感中的能量经二极管传递给电容和输出负载。该变换该变换器的输出电压是负的器的输出电压是负的。在稳态分析中，假定输出电容很大，因此输出电压不变uo=Uo。当该变换器工作于占空比控制的工作方式时，也有电流连续和电流断续2种工作模式。第33页，共68页，编辑于2022年，星期一Buck-Boost电路和Cuk斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：由上式得：当0a 1/2时为降压，当1/2a ust，VTB+和VTA-断开，VTA+和VTB-导通；p ucou

14、st，触发VTA+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ucoust，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46页，共68页，编辑于2022年，星期一p在负载电流较小的情况下，在ucoust，控制信号使，控制信号使VTB+和和VTA-断开，触发断开，触发VTA+和和VTB-，由于电感电，由于电感电流不能突变，因此负载电流经流

15、不能突变，因此负载电流经VDA+和和VDB-续流，使续流，使VTA+和和VTB-不能导通，不能导通，uo=-Ud，同时电流上升，直至电流上升到，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47页，共68页，编辑于2022年，星期一双极性PWM方式时的工作波形 第48页，共68页，编辑于2022年，星期一p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p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

16、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49页，共68页，编辑于2022年，星期一p输出电压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。p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。p当Io0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Ioust，则关断VTA-，触发VTA+p如果ucoust，则关断VTB-，触发VTB+p如果-ucoust，且-ucoust，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VT

17、A+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升；p当ucoust，且-ucoust，使VTB-断开，触发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52页，共68页，编辑于2022年，星期一在负载电流较小的情况下，在ucoust，且-ucoust，使VTA-断开，触发VTA+，由于电感电流不能突变，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

18、-导通。p当-ucoust，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；p直至-uco0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。p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55页，共68页，编辑于2022年，星期一p(a)双极性控制方式：输出电压纹波为：(

19、4-74)p(b)单极性控制方式：输出电压纹波为：(4-77)p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56页，共68页，编辑于2022年，星期一p输出电压纹波Ur，rms与输出电压Uo的函数关系曲线第57页，共68页，编辑于2022年，星期一4.7 直流-直流变换器的比较 第58页，共68页，编辑于2022年，星期一p不同的直流-直流变换器的开关利用率 第59页，共68页，编辑于2022年，星期一p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

20、的开关利用率很低。p因因此此，从从变变换换器器的的开开关关利利用用率率考考虑虑，通通常常采采用用升升压压变变换换器器或或降降压压变变换换器器。只只有有在在要要求求输输出出电电压压在在比比输输入入电电压压高高和和低低的的范范围围调调节节，或或者者要要求求有有负负的的输输出出电电压压时时，考考虑虑采采用用复复合合型型变变换换器器。只只有有要要求求变变换换器器必必须须在在四四个个象象限限运运行行时时，才才使使用用全全桥桥式式直直流流-直流变换器。直流变换器。第60页，共68页，编辑于2022年，星期一4.8 直流开关电源的应用 第61页，共68页，编辑于2022年，星期一p直流-直流变换器主要应用在

21、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62页，共68页，编辑于2022年，星期一4.8.1 带有电气隔离的直流-直流变换器 p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

22、器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压高频脉冲电压，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Uo。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63页，共68页，编辑于2022年，星期一p直流开关电源的组成框图 第64页，共68页，编辑于2022年，星期一 1.反激变换器反激变换器p反激变换器是由降压-升压复合型变换器推演得到的，降压-升压复合型变换器电路如图4-38(a)所示。用变压器代替电感线圈，采用图4-38(b)所示的电路，就可以实现电气隔离。p输出电压的表达式为：第65页，共68页，编辑于2022年，星期一2.正激变换器正激变换器p正激变换器是由降压变换器推演得到的，图4-40给出了理想化的正激变换器电路。p其输出电压的表达式为：第66页，共68页，编辑于2022年，星期一3.全桥式变换器全桥式变换器第67页，共68页，编辑于2022年，星期一小 结p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68页，共68页，编辑于2022年，星期一