DC-DC電路設計介紹課件

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1、第第3 3章章 DC/DCDC/DC變換電路變換電路 3.23.2基本的直流斬波電路基本的直流斬波電路 3.33.3復合斬波電路復合斬波電路 3.4 3.4 變壓器隔離的直流變壓器隔離的直流直流變換直流變換器器 3.13.1直流直流PWMPWM控制技術基礎控制技術基礎返回返回第第3 3章章 DC/DCDC/DC變換電路變換電路 直流變換直流變換將直流電能將直流電能(DC)(DC)轉換成另一固轉換成另一固定電壓或電壓可調的直流電能。定電壓或電壓可調的直流電能?;镜闹绷髯儞Q電路:基本的直流變換電路:降壓斬波電路、升壓降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路斬波電路、升降壓斬波電路

2、、庫克變換電路 重點:重點:電路結構、工作原理及主要數量關系電路結構、工作原理及主要數量關系 第第3 3章章 DC/DCDC/DC變換電路變換電路 直流變換直流變換將直流電能將直流電能(DC)(DC)轉換成另一轉換成另一固定電壓或電壓可調的直流電能。固定電壓或電壓可調的直流電能。直流變換電路直流變換電路完成直流變換的電路。完成直流變換的電路。直流變換器直流變換器實現直流變換的裝置。實現直流變換的裝置。3.13.1直流直流PWMPWM控制技術基礎控制技術基礎3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念 直流變換問題的提出直流變換問題的提出直流調速:需要可變

3、的直流電壓直流調速:需要可變的直流電壓直流供電電壓一定,而負載需要不同電壓直流供電電壓一定,而負載需要不同電壓直流升壓:太陽能電池輸出電壓較低,需要直流升壓:太陽能電池輸出電壓較低,需要 變換到較高電壓再變換為直流變換到較高電壓再變換為直流3.13.1直流直流PWMPWM控制技術基礎控制技術基礎3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念 (1)開關管)開關管T導導通通時,R兩端兩端電壓 uo=US開關管開關管僅兩種工作狀態:僅兩種工作狀態:導導通通與斷開與斷開開關管開關管IGBT導導通通條件:條件:UG0基本的直流基本的直流變換電路路ioUSiSuoR

4、T開關管開關管T導導通通等效電路等效電路ioUSiSuoRT3.13.1直流直流PWMPWM控制技術基礎控制技術基礎3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWM概念概念(2)開關管)開關管T斷開斷開時,R兩端兩端電壓 uo=0開關管開關管僅兩種工作狀態:僅兩種工作狀態:接通接通與斷開與斷開開關管開關管IGBT斷開控制:斷開控制:UG=0基本的直流基本的直流變換電路路ioUSiSuoRT開關管開關管T斷開等效電路斷開等效電路ioUSiSuoRT3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念R兩端平均兩端平均電壓:控制一周期中導通時間比控制一周期

5、中導通時間比例可控制輸出平均電壓例可控制輸出平均電壓開關管開關管IGBT控制電壓控制電壓R兩端兩端電壓波形波形基本的直流變換電路基本的直流變換電路ioUSiSuoRT3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念 定定義上述上述電路中路中導通占空比通占空比D為:通過控制占通過控制占空比控制輸出空比控制輸出電壓電壓R兩端兩端平均平均電壓:導通占空比導通占空比占空比占空比導通比導通比改變改變占空比占空比D D有三種基本方法:有三種基本方法:3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念脈沖脈沖頻率率調制制(PFM)(PFM

6、)維持持ton不不變,改,改變TS。改。改變TS就改就改變了了輸出出電壓周期或周期或頻率。率。tonTS1uttonTS2ut改變占空比改變占空比D D有三種基本方法:有三種基本方法:3.1.1 3.1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念脈沖寬度調制脈沖寬度調制(PWM)(PWM)維持維持TS不變,改變不變,改變ton在這種方式中,輸出在這種方式中,輸出電壓波形的周期不變,電壓波形的周期不變,僅改變脈沖寬度。僅改變脈沖寬度。有利于濾波器的設計有利于濾波器的設計ton1TSutton2TSut改變占空比改變占空比D D有三種基本方法:有三種基本方法:3.1.1 3.

7、1.1 直流變換的基本原理及直流變換的基本原理及PWMPWM概念概念混合脈沖寬度調制混合脈沖寬度調制脈沖周期脈沖周期TS與寬度與寬度ton均改變均改變。廣廣義的脈沖的脈沖寬度度調制技制技術包含上包含上述三種控制方式述三種控制方式ton1TSutton2TS2ut1 1面積等效原理面積等效原理PWMPWM應用的理論基礎應用的理論基礎 自動控制理論自動控制理論沖量相等而形狀不同的窄脈沖沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖3.1.2 PWM3.1.2 PWM技術基礎技術基

8、礎e(t)td d(t)e(t)t50.2e(t)t0.210e(t)t0.120沖量沖量=窄脈沖面積窄脈沖面積實驗電路實驗電路RLe(t)i(t)沖量相同的各種窄脈沖的響應波形沖量相同的各種窄脈沖的響應波形i(t)=?沖量沖量=1=1e(t)t50.2e(t)td d(t)e(t)t0.210e(t)t0.120(a)(b)(c)(d)(d)(c)(b)(a)1 1面積等效原理面積等效原理比較比較RLRL電路對電路對沖量相同而形狀不同沖量相同而形狀不同窄脈沖的窄脈沖的響應波形可知,輸出波形大致相同響應波形可知,輸出波形大致相同 進一步說進一步說,響應波形的低頻成份基本相響應波形的低頻成份基本

9、相同。同。上述原理可以稱為上述原理可以稱為面積等效原理面積等效原理。根據該原理,。根據該原理,將平均值為將平均值為up的一系列幅值相等而寬度不相等的一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖加到包含慣性環節的負載上,將與施加的脈沖加到包含慣性環節的負載上,將與施加幅值為幅值為up的恒定直流電壓所得結果基本相同,的恒定直流電壓所得結果基本相同,這樣一來就這樣一來就可用一列脈沖波形代替直流波形可用一列脈沖波形代替直流波形。除了直流波形可用除了直流波形可用PWMPWM波形來代替外,根波形來代替外,根據面積等效原理可以進一步推出,可以據面積等效原理可以進一步推出,可以在一段在一段時間內按一定規則生成時間內按一定

10、規則生成PWMPWM波形來代替所需的波形來代替所需的任何波形任何波形1 1面積等效原理面積等效原理如用正弦脈沖寬度調制波形來代替正弦波如用正弦脈沖寬度調制波形來代替正弦波SPWMSPWM2 2直流直流PWMPWM波形的生成方法波形的生成方法生成生成PWMPWM波形有多種方法,常見有波形有多種方法,常見有計算法計算法、調調制法制法等。等。計算法計算法是在每個時間段,利用計算機技術直接是在每個時間段,利用計算機技術直接計算出當前所需要的脈沖寬度,進而據此對電計算出當前所需要的脈沖寬度,進而據此對電力電子器件進行開關控制而獲得力電子器件進行開關控制而獲得PWMPWM波形。波形。調制法調制法是利用高頻

11、載波信號與期望信號相比較是利用高頻載波信號與期望信號相比較來確定各脈沖寬度信息進而生成來確定各脈沖寬度信息進而生成PWMPWM波形。波形。調制法生成調制法生成PWMPWM波形典型框圖:波形典型框圖:返回返回2 2直流直流PWMPWM波形的生成方法波形的生成方法u*R:調制信號調制信號uC:載波信號載波信號載波信號頻率遠大載波信號頻率遠大于調制信號頻率于調制信號頻率3.23.2基本的直流變換電路基本的直流變換電路 3.2.1 降壓斬波電路降壓斬波電路3.2.2 升壓斬波電路升壓斬波電路3.2.3 升降壓斬波電路升降壓斬波電路3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路返回返回3.23.2基本的直流基本的

12、直流變換變換電路電路 基本的直流變換電路:基本的直流變換電路:降壓斬波電路、升壓降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路斬波電路、升降壓斬波電路、庫克變換電路 介紹內容:介紹內容:1 1、電路結構、電路結構2 2、工作原理、工作原理3 3、主要波形、主要波形4 4、基本數量關系、基本數量關系3.23.2基本的直流斬波電路基本的直流斬波電路 3.2.1 3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路 降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流降壓變換電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓,又稱為電壓,又稱為BuckBuck型變換器。型變換器。?D、L、C作用作用降壓變換電路降壓變換電路IGBT

13、實現實現USiSiLuoioRLCTDUSiSiLuoioRLCSD降壓變換電路結構降壓變換電路結構3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路1 1 降壓變換電路工作原理降壓變換電路工作原理(1)T導通情形導通情形電感電壓電感電壓uL=US uo,在該電壓的作用下,在該電壓的作用下,電感電流電感電流iL線性增長線性增長 ,電感儲能增加,電感儲能增加電源能量向電感、負載傳遞電源能量向電感、負載傳遞USiSiLuoioRLCTDT導通等效電路導通等效電路USiSiLuoioRLCTD3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路1 降壓變換電路工作原理降壓變換電路工作原理(2 2)T T 斷開情形斷開情形-電流連

14、續電流連續電感電壓電感電壓uL=uo,在該電壓的作用下,在該電壓的作用下,電感電流電感電流i iL L線性下降線性下降 ,電感儲能減少,電感儲能減少電感儲能電感儲能向電容、負載轉移向電容、負載轉移USiSiLuoioRLCTDT斷開等效電路(斷開等效電路(iL0)DUSiSiLuoioRLCT3.2.1 3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路1 1 降壓變換電路工作原理降壓變換電路工作原理(2 2)T T 斷開情形斷開情形-電流斷續電流斷續電感電壓電感電壓uL=0 0,電容向負載供電電容向負載供電電容儲能電容儲能向負載轉移向負載轉移T一周期中導通時間愈長,向電感轉移的能量愈一周期中導通時間愈長,

15、向電感轉移的能量愈多,向負載轉移的能量也愈多,即輸出電壓愈高多,向負載轉移的能量也愈多,即輸出電壓愈高控制開關管導通占空比可控制輸出電壓控制開關管導通占空比可控制輸出電壓USiSiLuoioRLCTDT斷開等效電路(斷開等效電路(iL=0)iLDUSiSuoioRLCT3.2.1 3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路1 1 降壓變換電路工作原理降壓變換電路工作原理輸出電壓在輸出電壓在00電源電壓之間可調電源電壓之間可調降壓變換電路降壓變換電路特殊情形:特殊情形:T常斷開常斷開特殊情形:特殊情形:T常導通常導通USiSiLuoioRLCTD穩態:電感電壓穩態:電感電壓uL=0 0 負載電壓負載電

16、壓u0 0=0=0穩態:電感電壓穩態:電感電壓uL=0 0 負載電壓負載電壓u0=US2 2 主要波形分析主要波形分析3.2.1 3.2.1 降壓變換電路降壓變換電路理論基礎理論基礎電路理論電路理論基本方法基本方法分段線性分析分段線性分析 (重點是根據開關情況確定等效電路)(重點是根據開關情況確定等效電路)假設條件:假設條件:1 1、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)2 2、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直2 2 主要波形主要波形電感電流連續情形電感電流連續情形電感電流連續情形:電感電流連續情形:iL0降

17、壓電路降壓電路T導通等效電路導通等效電路uG0T斷開等效電路斷開等效電路uG=02 2 主要波形主要波形電感電流連續情形電感電流連續情形數學模型數學模型:初值條件初值條件?假設假設uC=Uo=常數常數iL線性增加線性增加uGtuLtiLiMimtiCtT導通等效電路導通等效電路+uo-+uL -T T導通波形導通波形2主要波形主要波形電感電流連續情形電感電流連續情形數學模型數學模型:初值條件初值條件?假設假設uC=Uo=常數常數iL線性減少線性減少toffiLuGttonuLtiCtimtiMT斷開等效電路斷開等效電路+uo-+uL -主要波形主要波形3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連

18、續情形電感電流連續情形(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo(2)平均輸出電流平均輸出電流Io表現系統主要性能指標的量:表現系統主要性能指標的量:(3)電感電流紋波電感電流紋波D DIL(4)負載電壓紋波負載電壓紋波D DUO主要器件承受的電壓、電流等量可根據波形確定主要器件承受的電壓、電流等量可根據波形確定3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電感電流連續情形uLuGiLiCimtttttontoffiM(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍簎LuG3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電

19、感電流連續情形iLiCimtttttontoffiM(2)輸出平均電流輸出平均電流IoIO(3)電感電流紋波電感電流紋波D DILuLuG3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電感電流連續情形iLiCimtttttontoffiMIO(4)電感電流極值電感電流極值iM、im?穩態情況下,電容上一穩態情況下,電容上一周期中的平均電流為零。周期中的平均電流為零。電流連續時電流連續時:電感平均電流電感平均電流=負載平均電流負載平均電流3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電感電流連續情形(5)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuCuGiLimtttontoffiMIOiCtD DuC

20、tuCUO3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電感電流連續情形(5)電容電壓紋波)電容電壓紋波D DuC注意:注意:結論:結論:1:增加:增加LC,電壓紋波減少電壓紋波減少2:開關頻率高,電壓紋波?。洪_關頻率高,電壓紋波小3:D=0.5,電壓紋波達到峰值,電壓紋波達到峰值3 3 主要數量關系主要數量關系電感電流連續情形電感電流連續情形5、電容電壓紋波、電容電壓紋波D DuC記:記:紋波系數:紋波系數:4 主要波形主要波形電感電流斷續情形電感電流斷續情形電感電流斷續情形:電感電流斷續情形:在一段時間內在一段時間內iL=0降壓電路降壓電路T導通等效電路導通等效電路uG0T斷開、斷開、D

21、續流等效電路續流等效電路uG=0uG=0T斷開、斷開、D斷開等效電路斷開等效電路4 4 主要波形主要波形電感電流斷續情形電感電流斷續情形數學模型數學模型:初值條件初值條件假設假設uC=Uo=常數常數iL線性增加線性增加uGtuLtiLiMtiCtT導通等效電路導通等效電路+uo-+uL -4 4 主要波形主要波形電感電流斷續情形電感電流斷續情形數學模型數學模型:初值條件初值條件假設假設uC=Uo=常數常數iL線性減少線性減少ttttuLuGiLiCtontoffiMtconT斷開、斷開、D續流等效電路續流等效電路+uo-+uL -4 4 主要波形主要波形電感電流斷續情形電感電流斷續情形數學模型

22、數學模型:初值條件初值條件uC=Uo=常數常數iC維持不變維持不變uLuGiLiCtttttontofftconiMT T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路+uo-5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形(1)平均輸出電壓)平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍簎LuGiLiCtttttontoffiMtcon注意:注意:tcon與電路參數、與電路參數、ton有關有關5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形(1)平均輸出電壓)平均輸出電壓UouLuGiLiCttttto

23、ntoffiMtcon記記電壓變換比:電壓變換比:5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)輸出平均電流輸出平均電流Io(3)電感電流紋波電感電流紋波D DILuLuGiLiCtttttontoffiMtconIO電流斷續時電流斷續時:5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形uLuGiLuCtttttontoffiMtcon(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuCIOtt2t1注意:注意:5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuC注意:注意:=?5 5 主要數量關系主要數量關系電感

24、電流斷續情形電感電流斷續情形D2與系統參數關系與系統參數關系uLuGiLiCtttttontoffiMtcon電感平均電流電感平均電流=負載平均電流負載平均電流電感平均電流電感平均電流IL:電壓變換比電壓變換比5 5 主要數量關系主要數量關系電感電流斷續情形電感電流斷續情形D2與系統參數關系與系統參數關系電壓變換比電壓變換比注意到:注意到:注意注意最后有:最后有:(5)(5)電感電流臨界連續條電感電流臨界連續條件件電流臨界連續電流臨界連續:電感電流僅瞬間電感電流僅瞬間為零為零uLuGiLuCtttttontoffiMtconIOtt2t1電流臨界連續時電流臨界連續時:電流臨界連續時電流臨界連續

25、時:(5 5)電感電流臨界連續條件電感電流臨界連續條件電流臨界連續時電流臨界連續時:電感電流連續條件電感電流連續條件:電感電流臨界連續條件電感電流臨界連續條件:電感電流斷續條件電感電流斷續條件:降壓變換電路小結降壓變換電路小結優點優點1 1、電路簡單、電路簡單2 2、控制特性好、控制特性好3 3、負載側電流波動小、負載側電流波動小缺點缺點1 1、電源側電流波動大、電源側電流波動大2 2、只能降壓、不能生壓、只能降壓、不能生壓返回返回3.2.2 3.2.2 升壓變換電路升壓變換電路 BoostBoost電路電路1 1 升壓變換電路結構與工作原理升壓變換電路結構與工作原理工作原理工作原理:T導通時

26、導通時,uL=US,電感電流線性增加電感電流線性增加,電感儲能增加電感儲能增加,電源向電感轉移電能。電源向電感轉移電能。T斷開時斷開時,uL=US-uC,電感電流減少電感電流減少,電感儲能減少電感儲能減少,電感儲能向負載轉移電感儲能向負載轉移電能。電能。升壓變換電路結構升壓變換電路結構升壓變換電路升壓變換電路IGBTIGBT實現實現返回返回3.2.2 3.2.2 升壓變換電路升壓變換電路 BoostBoost電路電路1 1 升壓變換電路結構與工作原理升壓變換電路結構與工作原理工作原理工作原理:穩態情況下穩態情況下,T,T斷開時斷開時,電感電流減少電感電流減少,uL=US-uC US 升壓變換電

27、路升壓變換電路升壓變換電路升壓變換電路IGBTIGBT實現實現2 波形分析波形分析假設條件:假設條件:1 1、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)2 2、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直.電感電流連電感電流連續續.電感電流斷電感電流斷續續兩種情形兩種情形:升壓變換電路升壓變換電路IGBTIGBT實現實現2 2 波形分析波形分析-電感電流連續情形電感電流連續情形等效電路等效電路:根據開關器根據開關器件的通斷狀況來確定件的通斷狀況來確定IGBTIGBT器件的通斷由其柵器件的通斷由其柵極控制信號決定極控制信號決定

28、升壓變換電路升壓變換電路T T斷開等效電路斷開等效電路UG=0T T導通等效電路導通等效電路UG02 2 波形分析波形分析-電感電流連續情形電感電流連續情形iLimtuLtuGttontoffiMiCt升壓變換電路升壓變換電路T T導通等效電路導通等效電路T T斷開等效電路斷開等效電路2 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情形電感電流斷續情形升壓變換電路升壓變換電路T T斷開斷開DD續流等效電路續流等效電路UG=0T T斷開斷開DD斷開等效電路斷開等效電路UG=0T T導通等效電路導通等效電路UG02 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情形電感電流斷續情形uLtiLtuGttontoffiMi

29、CttconT T導通等效電路導通等效電路T T斷開斷開DD續流等效電路續流等效電路T T斷開斷開DD斷開等效電路斷開等效電路3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形(1)(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍簎LuGiLiCimtttttontoffiMTS升壓變換電路升壓變換電路3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形(2)平均輸出電流平均輸出電流Io(3)電感電流紋波電感電流紋波D DIL升壓變換電路升壓變換電路uLuGiLiCimtttttonto

30、ffiMTS3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuC升壓變換電路升壓變換電路uLuGiLiCimtttttontoffiMTS考慮考慮Ioim情形情形:Io3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍鹤⒆?uLtiLtuGttontoffiMiCttcon3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)平均輸出電流平均輸出電流Io(3)電感電流紋波電感電流紋波

31、D DILuLtiLtuGttontoffiMiCttcon電感電流平均值電感電流平均值I L輸出電流輸出電流Io3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形uLtiLtuGttontoffiMiCttconD2與系統參數的關系與系統參數的關系輸入功率輸入功率=輸出功率輸出功率,有:,有:其中:其中:3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuCuLtiLtuGttontoffiMiCttconIo注意注意:3 3 主要數量關系主要數量關系uLuGiLiDtttttontoffiM(5)電感電流臨界連續條件電感電

32、流臨界連續條件電流臨界連續時電流臨界連續時:電流臨界連續時電流臨界連續時:電感電流僅瞬間為零電感電流僅瞬間為零3 3 主要數量關系主要數量關系(5)電感電流臨界連續條件電感電流臨界連續條件電流臨界連續時電流臨界連續時:電流連續時電流連續時:電流連續條件電流連續條件:電流斷續條件電流斷續條件:升壓變換電路小結升壓變換電路小結優點優點1 1、電路簡單、電路簡單2 2、電源側電流波動小、電源側電流波動小缺點缺點1 1、負載側電流波動大、負載側電流波動大2 2、只能升壓、不能降壓、只能升壓、不能降壓升壓變換電升壓變換電路不宜在輸路不宜在輸出端開路情出端開路情況下工作況下工作!返回返回3.2.3 升降壓

33、變換電路升降壓變換電路 Buck-boost電路電路 1 1 升降壓變換電路結構與工作原理升降壓變換電路結構與工作原理T T導通時導通時,uL=US,電感電流線性增加電感電流線性增加,電感儲能增加電感儲能增加,電源向電感轉移電能。電源向電感轉移電能。T T斷開時斷開時,uL=-uC,電感電流減少電感電流減少,電電感儲能減少感儲能減少,電感儲能向負載轉移電能。電感儲能向負載轉移電能。工作原理工作原理:控制控制T T通斷來控制電源向負載轉移電能通斷來控制電源向負載轉移電能升降壓變換電路結構升降壓變換電路結構升降壓變換電路升降壓變換電路IGBT實現實現返回返回3.2.3 3.2.3 升降壓變換電路升

34、降壓變換電路 Buck-boostBuck-boost電路電路 1 1 升降壓變換電路結構與工作原理升降壓變換電路結構與工作原理工作原理工作原理:特殊情況特殊情況:T T長期斷開時長期斷開時,輸出電壓輸出電壓uO=0。T T導通時間較長時導通時間較長時,電感電流將趨于無限大電感電流將趨于無限大,此時斷開此時斷開T T,將有無窮大能量轉移到負載將有無窮大能量轉移到負載,輸輸出電壓出電壓uO也將趨于無限大也將趨于無限大。升降壓變換電路升降壓變換電路升降壓變換電路結構升降壓變換電路結構升降壓變換電路升降壓變換電路IGBT實現實現2 2 波形分析波形分析.電感電流連續電感電流連續.電感電流斷續電感電流

35、斷續兩種情形兩種情形:假設條件:假設條件:1 1、器件是理想的(不考慮開關時間、導通、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)壓降等)2 2、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直、輸出濾波電容較大,輸出電壓基本平直升降壓變換電路升降壓變換電路2 2 波形分析波形分析-電感電流連續情電感電流連續情形形升降壓變換電路升降壓變換電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路UG=0T T導通等效電路導通等效電路UG0電感電流連續電感電流連續iL02 2 波形分析波形分析-電感電流連續情電感電流連續情形形uLtuGttontoffiCtiMiLtim-uC升降壓變換電路升降壓變換電路T T導通等

36、效電路導通等效電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路2 2波形分析波形分析-電感電流斷續情形電感電流斷續情形升降壓變換電路升降壓變換電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路UG=0T T導通等效電路導通等效電路UG0電感電流斷續電感電流斷續:存在存在iL=0時間段時間段T T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路UG=02 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情電感電流斷續情形形uLtiLtuGttoniCtiMtoff-uCtconT T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路T T導通等效電路導通等效電路T T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路3 3

37、主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形升降壓變換電路升降壓變換電路uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍? 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形升降壓變換電路升降壓變換電路uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(2)平均輸出電流平均輸出電流Io(3)電感電流紋波電感電流紋波D DILT導通期間:導通期間:3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形升降壓變換電路升降壓變換電路

38、uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuC考慮考慮Ioim情形情形:Io3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形升降壓變換電路升降壓變換電路(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零?;颍夯颍簎LuGiLiCtttttontoffiM-uCtcon3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形升降壓變換電路升降壓變換電路(2)平均輸出電流平均輸出電流Io(3)電感電流紋波電感電流紋波D DILT導通期間:導通期間:uLuGiL

39、iCtttttontoffiM-uCtcon3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(4)電容電壓紋波電容電壓紋波D DuC|Io|uLuGiLiCtttttontoffiM-uCtcon注意注意:tw3 3 主要數量關系主要數量關系(5)電流臨界連續條件電流臨界連續條件uLuGiLiDtttttontoffiM電流臨界連續時電流臨界連續時:電流臨界連續時電流臨界連續時:電感電流僅瞬間為零電感電流僅瞬間為零3 3 主要數量關系主要數量關系(5)電流臨界連續條件電流臨界連續條件電流連續時電流連續時:電流連續條件電流連續條件:uLuGiLiCtttttontoffiMim

40、-uC電流臨界連續時電流臨界連續時:電流斷續條件電流斷續條件:升降壓變換電路小結升降壓變換電路小結優點優點1 1、電路簡單、電路簡單2 2、既能升壓、也能降壓、既能升壓、也能降壓缺點缺點1 1、電源側、負載側電流波動大、電源側、負載側電流波動大D2與電路參數關系請自行推導與電路參數關系請自行推導返回返回3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 優點優點:降壓、負載電流波動小降壓、負載電流波動小缺點:不能升壓、電源電流波動大缺點:不能升壓、電源電流波動大優點優點:升壓、電源電流波動小升壓、電源電流波動小缺點:不能降壓、負載電流波動大缺點:不能降壓、負載電流波動大優點優點:能升壓、降壓能升

41、壓、降壓缺點:負載電流、電源電流波動大缺點:負載電流、電源電流波動大升降壓變換電路升降壓變換電路降壓變換電路降壓變換電路升壓變換電路升壓變換電路返回返回3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 期望電路期望電路:能同時實現升壓、降壓:能同時實現升壓、降壓 能同時使電源電流、負載電流波動小能同時使電源電流、負載電流波動小庫克變換電路庫克變換電路3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 1 1 工作原理工作原理:T T導通時導通時,uL=US ,電感電流線性增加電感電流線性增加,電電感儲能增加感儲能增加,電源向電感轉移電能。同時電源向電感轉移電能。同時電容電容C1上儲能向負載轉移。

42、上儲能向負載轉移。T T斷開時斷開時,電感電流減少電感電流減少,電感儲能減少電感儲能減少,電電感儲能向感儲能向C1、負載轉移電能。、負載轉移電能??刂瓶刂芓 T通斷來控制電源向負載轉移電能通斷來控制電源向負載轉移電能3.2.4 3.2.4 庫克變換電路庫克變換電路 1 1 工作原理工作原理:特殊情況特殊情況:T T長期斷開時長期斷開時,輸出電壓輸出電壓uO=0。T T導通時間較長時導通時間較長時,電感電流將趨于無限大電感電流將趨于無限大,此時斷開此時斷開T T,將有無窮大能量轉移到負載將有無窮大能量轉移到負載,輸輸出電壓出電壓uO也將趨于無限大也將趨于無限大。升降壓變換電路升降壓變換電路控制控

43、制T T通斷來控制電源向負載轉移電能通斷來控制電源向負載轉移電能2 2 波形分析波形分析.電感電感L L2 2電流連續電流連續.電感電感L L2 2電流斷續電流斷續兩種情形兩種情形:假設條件:假設條件:1 1、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)、器件是理想的(不考慮開關時間、導通壓降等)2 2、濾波電容較大,輸出電壓基本平直、濾波電容較大,輸出電壓基本平直庫克變換電路庫克變換電路2 2 波形分析波形分析-電感電流連續情形電感電流連續情形庫克變換電路庫克變換電路T T導通、導通、D D斷開等效電路斷開等效電路UG0T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路UG=02 波形分析波形分

44、析-電感電流連續情形電感電流連續情形uL1tuGttontoffiL1tiM1im1uL2tUS-uC1-uOiL2t庫克變換電路庫克變換電路T T導通、導通、D D斷開等效電路斷開等效電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路2 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情形電感電流斷續情形庫克變換電路庫克變換電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路UG=0T T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路UG=0T T導通、導通、D D斷開等效電路斷開等效電路UG02 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情電感電流斷續情形形uL1tuGttontofftiL1iM1uL2t-uO

45、US-uC1iL2ttconT T導通、導通、D D斷開等效電路斷開等效電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路T T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路2 2 波形分析波形分析-電感電流斷續情形電感電流斷續情形uL1tuGttontoffiL1tiM1uL2t-uOiL2tUS-uC1tconT T導通、導通、D D斷開等效電路斷開等效電路T T斷開、斷開、D D續流等效電路續流等效電路T T斷開、斷開、D D斷開等效電路斷開等效電路3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形庫克變換電路庫克變換電路(1)平均輸出電壓平均輸出電壓Uo穩態情況下,電感上

46、一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零。uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1US-uC1uL2t-uO3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形庫克變換電路庫克變換電路(1)平均輸出電壓平均輸出電壓UoC1平均電壓滿足平均電壓滿足:穩態時穩態時C1電壓電壓高于電源電壓高于電源電壓3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形庫克變換電路庫克變換電路(3)電感電流紋波電感電流紋波D DiLuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1-uOuL2t-uOIO(2)輸出平均電流輸出平均電流IO3 3

47、 主要數量關系主要數量關系-電感電流連續情形電感電流連續情形庫克變換電路庫克變換電路(4)輸出電壓紋波輸出電壓紋波D DuOuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1-uOuL2t-uOIO3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形庫克變換電路庫克變換電路(1)輸出平均電壓輸出平均電壓UOuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOtcon穩態情況下,電感上一穩態情況下,電感上一周期中的平均電壓為零。周期中的平均電壓為零。3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)電流臨界連續條件電流臨界連續條件

48、因輸入輸出功率平衡,有:因輸入輸出功率平衡,有:uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2電流臨界連續時電流臨界連續時:im1=-im2庫克變換電路庫克變換電路3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)電流臨界連續條件電流臨界連續條件uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2因為:因為:因輸入輸出功率平衡,有:因輸入輸出功率平衡,有:3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)電流臨界連續條件電流臨界連續條件uL1uGiL1iL2tt

49、tttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2又:又:因因Io=L2平均電流,有:平均電流,有:3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)電流臨界連續條件電流臨界連續條件電流臨界連續時:電流臨界連續時:im1=-im2電流臨界電流臨界連續條件連續條件#1、#2兩兩式相加式相加(#1)(#2#2)3 3 主要數量關系主要數量關系-電感電流斷續情形電感電流斷續情形(2)電流臨界連續條件電流臨界連續條件電流臨界連續條件:電流臨界連續條件:電流連續條件電流連續條件:電流斷續條件電流斷續條件:庫克變換電路庫克變換電路庫克變換電路小結庫克變換電路小結庫克

50、變換電路庫克變換電路優點優點1 1、既能升壓、也能降壓、既能升壓、也能降壓2 2、電源側、負載側電流波動小、電源側、負載側電流波動小缺點缺點1 1、電路稍復雜(多用一電感、一電容)、電路稍復雜(多用一電感、一電容)2 2、電容、電容C C2 2充放電電流波動大充放電電流波動大返回返回3.3.1 3.3.1 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 把幾個把幾個結構相同的基本構相同的基本斬波器適當波器適當組合,合,可以構成復合型可以構成復合型斬波波電路路3.33.3復合斬波電路復合斬波電路 多相多重多相多重斬波波電路路返回返回3.3.1 3.3.1 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 多相多重多相多重斬波

51、波電路路如果在一個周期如果在一個周期TS中,中,電源源側電流流iS 脈脈動n次,次,則稱稱為n相相斬波器。波器。假假設復合型復合型斬波波器中每個開關管器中每個開關管通斷周期都是通斷周期都是T TS S如果在一個周期如果在一個周期TS中,負載電流中,負載電流io脈動脈動m次,次,則稱為則稱為m重斬波器。重斬波器。3.3.1 3.3.1 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 多相多重多相多重斬波波電路路個開關器件個開關器件T T1 1、T T2 2、T T3 3依序通、斷各一依序通、斷各一次,它次,它們導通通時間的起點相差的起點相差TS/3/3,個開關管個開關管導通通時間t tonon相同,占空比相同

52、,占空比D D相同相同.控制方案控制方案:3.3.1 3.3.1 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 T T1 1、D D1 1構成一個降構成一個降壓斬波器,只要波器,只要T T1 1截止截止時,i1不斷流,即不斷流,即電感感電流流連續,則T T1 1輸出出電壓u1的的直流平均直流平均值U1是是U1=US ton /Ts=DUS。u1同理,同理,T2、T3輸出直流平均出直流平均值U2=U3=U1=DUS。3.3.1 3.3.1 多相多重斬波電路多相多重斬波電路 u1輸出出電壓uo的直流平均的直流平均值:Uo=U1=U2=U3=DUS 輸出出電流流Io:返回返回3.4 3.4 變壓器隔離的直流變壓

53、器隔離的直流直流變換器直流變換器 3.4.1 3.4.1 正激變換器正激變換器 如果將變壓器插如果將變壓器插入在入在P-PP-P位置,位置,即得正激變換器即得正激變換器主電路。主電路。降壓變換電路降壓變換電路正激變換器正激變換器問題問題:電源與負載不隔離電源與負載不隔離?返回返回能量消耗法磁能量消耗法磁場復位方案場復位方案 開關管導通時,電源能量經開關管導通時,電源能量經變壓器傳遞到負載側。開關管截止時變壓器原變壓器傳遞到負載側。開關管截止時變壓器原邊電流經邊電流經D D3 3、DWDW續流,磁場能量主要消耗在穩壓續流,磁場能量主要消耗在穩壓管管DWDW上。開關管承受的最高電壓為上。開關管承受

54、的最高電壓為V VS SV VDWDW,V VDWDW為穩壓管為穩壓管DWDW的穩壓值。的穩壓值。正激變換器正激變換器能量轉移法磁場能量轉移法磁場復位方案復位方案 開關管導通時,電源能量經變壓器傳遞到開關管導通時,電源能量經變壓器傳遞到負載側。開關管截止時,由于電感電流不能突負載側。開關管截止時,由于電感電流不能突變,線圈變,線圈N N1 1會產生下正上負的感應電勢會產生下正上負的感應電勢e e1 1。同。同時線圈時線圈N N3 3也會產生感應電勢,當也會產生感應電勢,當e e3 3=V=VS S時,時,D D3 3導通。磁場儲能轉移到電源導通。磁場儲能轉移到電源V VS S中,中,開關管上承

55、受的最高電壓為:開關管上承受的最高電壓為:D3正激變換器正激變換器3.4.2 3.4.2 反激變換器反激變換器 反激變換器電路原理圖反激變換器電路原理圖 和升降壓變換器相比較可知,反激變換器和升降壓變換器相比較可知,反激變換器用變壓器代替了升降壓變換器中的儲能電感。用變壓器代替了升降壓變換器中的儲能電感。因此,這里的變壓器除了起輸入電隔離作用外,因此,這里的變壓器除了起輸入電隔離作用外,還起儲能電感的作用。還起儲能電感的作用。改進改進?3.4.2 3.4.2 反激變換器反激變換器 反激變換器實用電路反激變換器實用電路 負載側有濾波電感負載側有濾波電感,可降低輸出電壓紋波可降低輸出電壓紋波.返回返回反激變換器反激變換器:IGBTIGBT關斷時磁場儲能轉移到負載側關斷時磁場儲能轉移到負載側.反激變換器優點反激變換器優點:轉移到負載側的能量由原邊電壓、等轉移到負載側的能量由原邊電壓、等效電感、效電感、IGBTIGBT開通時間決定,與負載無開通時間決定,與負載無關。關。很適合于高壓小功率變換電路。很適合于高壓小功率變換電路。

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