DC-DC原理分析

第3章DC/DC变换电路3.2　基本的直流斩波电路3.3　复合斩波电路3.4变压器隔离的直流—直流变换器3.1　直流PWM控制技术基础返回第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路重点：电路结构、工作原理及主要数量关系第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。直流变换电路—完成直流变换的电路。直流变换器—实现直流变换的装置。3.1　直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念直流调速：需要可变的直流电压直流供电电压一定，而负载需要不同电压直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要变换到较高电压再变换为直流3.1　直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（1）开关管T导通时，R两端电压uo=US开关管IGBT导通条件：UG>03.1　直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（2）开关管T断开时，R两端电压uo=0开关管IGBT断开控制：UG=03.1.1直流变换的基本原理及PWM概念控制一周期中导通时间比例可控制输出平均电压3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念定义上述电路中导通占空比D为:改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念 脉冲频率调制(PFM)维持ton不变，改变TS。改变TS就改变了输出电压周期或频率。改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念②脉冲宽度调制(PWM)维持TS不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念③混合脉冲宽度调制脉冲周期TS与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式1．面积等效原理——PWM应用的理论基础　自动控制理论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲3.1.2PWM技术基础冲量=窄脉冲面积冲量相同的各种窄脉冲的响应波形1．面积等效原理比较RL电路对冲量相同而形状不同窄脉冲的响应波形可知，输出波形大致相同进一步说,响应波形的低频成份基本相同。上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为up的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环节的负载上，将与施加幅值为up的恒定直流电压所得结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。　　除了直流波形可用PWM波形来代替外，根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一段时间内按一定规则生成PWM波形来代替所需的任何波形1．面积等效原理如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波SPWM2．直流PWM波形的生成方法生成PWM波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器件进行开关控制而获得PWM波形。调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较来确定各脉冲宽度信息进而生成PWM波形。调制法生成PWM波形典型框图：返回2．直流PWM波形的生成方法载波信号频率远大于调制信号频率3.2　基本的直流变换电路3.2.1降压斩波电路3.2.2升压斩波电路3.2.3升降压斩波电路3.2.4库克变换电路返回3.2　基本的直流变换电路基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路介绍 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ：1、电路结构2、工作原理3、主要波形4、基本数量关系3.2　基本的直流斩波电路3.2.1降压变换电路降压变换电路输出电压的平均值低于输入直流电压，又称为Buck型变换器。3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（1）T导通情形电感电压uL=US–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性增长，电感储能增加3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流连续电感电压uL=–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性下降，电感储能减少3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流断续电感电压uL=0，电容向负载供电T一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理特殊情形：T常断开特殊情形：T常导通3.2.1降压变换电路2主要波形分析理论基础——电路理论基本方法——分段线性分析（重点是根据开关情况确定等效电路）假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直2主要波形—电感电流连续情形电感电流连续情形：iL>02主要波形—电感电流连续情形数学模型:初值条件?假设uC=Uo=常数iL线性增加T导通波形2主要波形—电感电流连续情形假设uC=Uo=常数iL线性减少主要波形3主要数量关系—电感电流连续情形(1)平均输出电压Uo(2)平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3)电感电流纹波DIL(4)负载电压纹波DUO主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定3主要数量关系—电感电流连续情形(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系—电感电流连续情形uLuGiLiCimtttttontoffiM(2)输出平均电流IoIO(3)电感电流纹波DIL3主要数量关系—电感电流连续情形uLuGiLiCimtttttontoffiMIO(4)电感电流极值iM、im?稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。电感平均电流=负载平均电流3主要数量关系—电感电流连续情形(5)电容电压纹波DuCuGiLimtttontoffiMIO3主要数量关系—电感电流连续情形（5）电容电压纹波DuC结论：1：增加LC,电压纹波减少2：开关频率高，电压纹波小3：D=0.5，电压纹波达到峰值3主要数量关系—电感电流连续情形5、电容电压纹波DuC4主要波形—电感电流断续情形电感电流断续情形：在一段时间内iL=04主要波形—电感电流断续情形假设uC=Uo=常数iL线性增加4主要波形—电感电流断续情形假设uC=Uo=常数iL线性减少4主要波形—电感电流断续情形uC=Uo=常数iC维持不变5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。注意：tcon与电路参数、ton有关5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压Uo5主要数量关系—电感电流断续情形(2)输出平均电流Io(3)电感电流纹波DIL5主要数量关系—电感电流断续情形uLuGiLuCtttttontoffiMtcon(4)电容电压纹波DuCtt2t15主要数量关系—电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuC5主要数量关系—电感电流断续情形D2与系统参数关系电感平均电流=负载平均电流5主要数量关系—电感电流断续情形D2与系统参数关系(5)电感电流临界连续条件电流临界连续:电感电流仅瞬间为零（5）电感电流临界连续条件降压变换电路小结返回3.2.2升压变换电路——Boost电路1升压变换电路结构与工作原理工作原理:T导通时,uL=US,电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。T断开时,uL=US-uC,电感电流减少,电感储能减少,电感储能向负载转移电能。返回3.2.2升压变换电路——Boost电路1升压变换电路结构与工作原理工作原理:稳态情况下,T断开时,电感电流减少,uL=US-uC<02波形分析假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直2波形分析-电感电流连续情形等效电路:根据开关器件的通断状况来确定IGBT器件的通断由其栅极控制信号决定2波形分析-电感电流连续情形2波形分析-电感电流断续情形2波形分析-电感电流断续情形3主要数量关系-电感电流连续情形(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流连续情形(2)平均输出电流Io(3)电感电流纹波DIL3主要数量关系-电感电流连续情形(4)电容电压纹波DuC考虑Io≦im情形:3主要数量关系-电感电流断续情形(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流断续情形(2)平均输出电流Io(3)电感电流纹波DIL3主要数量关系-电感电流断续情形D2与系统参数的关系3主要数量关系-电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuC3主要数量关系(5)电感电流临界连续条件3主要数量关系(5)电感电流临界连续条件升压变换电路小结返回3.2.3升降压变换电路——Buck-boost电路1升降压变换电路结构与工作原理T导通时,uL=US,电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。T断开时,uL=-uC,电感电流减少,电感储能减少,电感储能向负载转移电能。返回3.2.3升降压变换电路——Buck-boost电路1升降压变换电路结构与工作原理工作原理:特殊情况:T长期断开时,输出电压uO=0。T导通时间较长时,电感电流将趋于无限大,此时断开T,将有无穷大能量转移到负载,输出电压uO也将趋于无限大。升降压变换电路结构升降压变换电路IGBT实现2波形分析2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直2波形分析-电感电流连续情形电感电流连续iL>02波形分析-电感电流连续情形 波形分析-电感电流断续情形电感电流断续:存在iL=0时间段2波形分析-电感电流断续情形3主要数量关系-电感电流连续情形升降压变换电路(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流连续情形升降压变换电路(2)平均输出电流Io(3)电感电流纹波DILT导通期间：3主要数量关系-电感电流连续情形升降压变换电路(4)电容电压纹波DuC考虑Io≦im情形:3主要数量关系-电感电流断续情形升降压变换电路(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流断续情形升降压变换电路(2)平均输出电流Io(3)电感电流纹波DIL3主要数量关系-电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuC3主要数量关系(5)电流临界连续条件3主要数量关系(5)电流临界连续条件升降压变换电路小结D2与电路参数关系请自行推导返回3.2.4库克变换电路优点:降压、负载电流波动小缺点：不能升压、电源电流波动大优点:升压、电源电流波动小缺点：不能降压、负载电流波动大优点:能升压、降压缺点：负载电流、电源电流波动大返回3.2.4库克变换电路期望电路：能同时实现升压、降压能同时使电源电流、负载电流波动小3.2.4库克变换电路1工作原理:T导通时,uL=US,电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。同时电容C1上储能向负载转移。T断开时,电感电流减少,电感储能减少,电感储能向C1、负载转移电能。控制T通断来控制电源向负载转移电能3.2.4库克变换电路1工作原理:特殊情况:T长期断开时,输出电压uO=0。T导通时间较长时,电感电流将趋于无限大,此时断开T,将有无穷大能量转移到负载,输出电压uO也将趋于无限大。控制T通断来控制电源向负载转移电能2波形分析假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、滤波电容较大，输出电压基本平直2波形分析-电感电流连续情形2波形分析-电感电流连续情形2波形分析-电感电流断续情形2波形分析-电感电流断续情形2波形分析-电感电流断续情形3主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路C1平均电压满足:3主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(3)电感电流纹波DiL(2)输出平均电流IO3主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(4)输出电压纹波DuO3主要数量关系-电感电流断续情形库克变换电路(1)输出平均电压UO稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。3主要数量关系-电感电流断续情形(2)电流临界连续条件因输入输出功率平衡，有：电流临界连续时:库克变换电路3主要数量关系-电感电流断续情形(2)电流临界连续条件因为：因输入输出功率平衡，有：3主要数量关系-电感电流断续情形(2)电流临界连续条件因Io=L2平均电流，有：3主要数量关系-电感电流断续情形(2)电流临界连续条件#1、#2两式相加3主要数量关系-电感电流断续情形(2)电流临界连续条件电流连续条件:电流断续条件:库克变换电路库克变换电路小结库克变换电路1、既能升压、也能降压2、电源侧、负载侧电流波动小1、电路稍复杂（多用一电感、一电容）2、电容C2充放电电流波动大返回3.3.1多相多重斩波电路　　把几个结构相同的基本斩波器适当组合，可以构成复合型斩波电路3.3　复合斩波电路返回3.3.1多相多重斩波电路如果在一个周期TS中，电源侧电流iS脉动n次，则称为n相斩波器。假设复合型斩波器中每个开关管通断周期都是TS如果在一个周期TS中，负载电流io脉动m次，则称为m重斩波器。3.3.1多相多重斩波电路３个开关器件T1、T2、T3依序通、断各一次，它们导通时间的起点相差TS/3，３个开关管导通时间ton相同，占空比D相同.控制方案:3.3.1多相多重斩波电路T1、D1构成一个降压斩波器，只要T1截止时，i1不断流，即电感电流连续，则T1输出电压u1的直流平均值U1是U1=USton/Ts=DUS。同理，T2、T3输出直流平均值U2=U3=U1=DUS。3.3.1多相多重斩波电路输出电压uo的直流平均值:Uo=U1=U2=U3=DUS输出电流Io:返回3.4变压器隔离的直流—直流变换器3.4.1正激变换器如果将变压器插入在P-P’位置，即得正激变换器主电路。?返回能量消耗法磁场复位方案能量转移法磁场复位方案3.4.2反激变换器　　和升降压变换器相比较可知，反激变换器用变压器代替了升降压变换器中的储能电感。因此，这里的变压器除了起输入电隔离作用外，还起储能电感的作用。改进？3.4.2反激变换器负载侧有滤波电感,可降低输出电压纹波.返回反激变换器:IGBT关断时磁场储能转移到负载侧.反激变换器优点:转移到负载侧的能量由原边电压、等效电感、IGBT开通时间决定，与负载无关。很适合于高压小功率变换电路。