直流-直流变换器

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1、电力电子技术第一章 直流/直流变换器,第一章 直流/直流变换器,1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器 #1.6 开关直流电源的控制,1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器 #1.6 开关直流

2、电源的控制,Buck变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.1 Buck变换器,Buck变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.1 Buck变换器,Ui = 100VUo = 50VIo = 10A,设计要求：,直流变换器,Ui = 100VUo = 50VIo = 10A,设计要求：,直流变换器：电阻分压, = UoIo/UiIo = Uo/Ui= 50/100 = 50%,Ploss =5010 =500(W),UR = 100-50 =50(V), 效率太低!,无法自动稳压!,Ui = 100VUo = 50VIo = 10A,设计要求：,直流变换器：线性模式,

3、= UoIo/UiIo = Uo/Ui= 50/100 = 50%,UQ = 100-50 =50(V), 效率太低!,无法自动稳压!,PQ = UQ IQ = 5010 =500(W),可以自动稳压!,Ui = 100VUo = 50VIo = 10A,设计要求：,直流变换器：开关模式,Ton：导通时间 Ts： 开关周期 D： 占空比,50V,Ui = 100VUo = 50VIo = 10A,设计要求：,Q on: PQ(on) = Vces Io 0, 100%,Ploss 0,Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0,直流变换器：开关模式,可以自动稳压!, 效率很高！,滤

4、波器,续流二极管,D,Buck变换器,Buck变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.1 Buck变换器,Q ON,工作原理：电感电流连续,A,B,Q OFF,A,B,输入电压与输出电压之间的关系,占空比,脉冲宽度调制 (Pulse-Width Modulation),脉冲频率调制 Pulse-Frequency Modulation,输出电流平均值,滤波电感电流脉动值,Q：当Ui和Uo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是否变化？,A：不变！,滤波电感电流的最大值和最小值为,工作原理：电感电流断续,Buck变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.1 Buck变换器

5、,电感电流临界连续,电感电流连续临界电流值， 即负载最小电流：,?,电感电流临界连续,相同的Ui(恒定)，不同的U0。,电感电流断续,输出平均电流：,Buck变换器的外特性,外特性：,电感电流连续时：,电感电流断续时：,Q：如果Ui和占空比不变，当电感电流断续时，为何Uo升高？,D值越小，电流IG越大，要求Lf越大。,不同的Ui，相同的U0(恒定)。,Buck变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.1 Buck变换器,Buck变换器的元器件参数选择,已知条件：输入电压Ui(变化范围)输出电压Uo输出电流Io输出电压稳定精度输出电压纹波,元器件参数选择：功率晶体管二极管滤波电感滤波电

6、容,变换效率的近似计算,双极性晶体管,如果fs20kHz，可近似认为其导通损耗等于开关损耗。,功率MOSFET,如果fs100kHz，可忽略其开关损耗。,功率晶体管选择：类型,开关频率,晶体管类型选择,功率管类型,50kHz,低频功率管,开关功率管,功率MOSFET,如果功率较大，可选用IGBT。,功率晶体管电压和电流应力,平均电流：,峰值电流：,电压应力：,功率 晶体管,ICM 2IQP,U(BR)ceo 2Ui,二极管类型选择,开关二极管、快恢复二极管或者FRED；,二极管类型选择,输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替代整流二极管，即同步整流。,电压低于40V时，可选用

7、肖特基二极管；,二极管电压和电流应力,平均电流：,有效值电流：,电压应力：,UDR 2Ui,滤波电感量的计算,ILf过小，Lf太大。,ILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。,工程上一般取ILf=20%Io。,在10%Io时，电感电流连续。,理论上,滤波电容量的计算,输出电流脉动很小,ILf全部流过电容,电压纹波,第一章 直流/直流变换器,1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Boost变

8、换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.2 Boost变换器,Boost变换器的推导,Boost变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.2 Boost变换器,Q ON,电感电流连续(1),Q OFF,电感电流连续(2),输入电压与输出电压之间的关系,电感电流连续(1),电感电流断续(1),Boost变换器的推导 工作原理 外特性元器件选择和设计,1.2 Boost变换器,电感电流临界连续,电感电流连续临界电流值， 即负载最小电流：,电感电流断续,输出平均电流：,Boost变换器的外特性,外特性：,电感电流连续时：,电感电流断续时：,Boost变换器的推导 工作原理 外特性

9、元器件选择和设计,1.2 Boost变换器,平均输入电流：,峰值电流：,电压应力：,功率 晶体管,ICM 2IQP,U(BR)ceo 2Uo,功率晶体管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,二极管,UBR 2Uo,电感量：,升压电感,临界连续 输出电流：,Ui恒定,电容量：,滤波电容,输出电压纹波：,第一章 直流/直流变换器,1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Buck-Boost变换器

10、的推导 工作原理元器件选择和设计,1.3 Buck-Boost变换器,Buck-Boost变换器的推导,Uo Ui,Buck-Boost变换器的推导 工作原理元器件选择和设计,1.3 Buck-Boost变换器,Q导通,Q关断,输入输出关系,D0.5，Uo0.5，UoUi,Buck-Boost变换器的推导 工作原理元器件选择和设计,1.3 Buck-Boost变换器,输入电流：,电感电流平均值：,电压应力：,功率晶体管,输出电流：,功率晶体管,电流平均值：,电流最大值：,二极管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,电感量：,电感,电感电流 脉动：,电容量：,滤波电容,输出电压纹波：,桥式变换

11、电路,使V4保持通时， V1、VD1和V2、VD2等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。,使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。,多相多重斩波电路,多相多重斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。 相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。重数：负载电流脉波数。 3相3重降压斩波电路 电路及波形分析相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平

12、均值的3倍，脉动频率也为3倍。,作 业6,1、分析降压和升压斩波电路的工作原理。 2、在降压斩波电路中，Ui=30-50V，输出电压U0=20V，负载R=2-20，PWM控制周期TS=40s。试计算输出电压纹波小于1% 、电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。 3、在升压斩波电路中，Ui=30-50V，负载R=10-50，PWM控制周期TS=50s。试计算输出电压U0=100V、纹波小于1% 和电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。 4、59,第一章 直流/直流变换器,1.1 直流/直流降压变换器(Buck

13、变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Cuk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,Cuk变换器的推导,镜像翻转,滤波电容和 二极管交换位置, Cf和Q改变位置 Lf移到上面,共用Q、D、Cf,Cuk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,Q导通,Q关断,输入输出关系,C

14、uk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,电压应力：,功率晶体管,电流平均值：,电流最大值：,二极管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,电感,电感L1的电流脉动：,电感L2的电流脉动：,电容,电容C1的选择：,电容C2的选择：,Q导通，C1放电； Q截止，C1充电。,与Buck变换器类似,Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。,Cuk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,电流断续模式,

15、Cuk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,耦合电感的Cuk变换器,电感脉动,Cuk变换器的推导 工作原理元器件选择和设计 电流断续模式 耦合电感的Cuk变换器 隔离式Cuk变换器,1.4 Cuk变换器,隔离式Cuk变换器,1.1.5 Zeta变换器和Sepic变换器,Zeta变换器,Sepic变换器*,输入输出同极性！,Zeta变换器和Sepic变换器,Sepic: Single-ended primary inductance converter R.P.Massey, and E.C. Snyder, “High-voltage single-ended dc-dc converter,” in Proc.IEEE PESC, 1977, pp.156-159,6种基本变换器的比较,Buck,Boost,Buck- Boost,Cuk,Zeta,Sepic,Converter,Voltage Conversion Ratio,