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1、第5章 直流-直流变换电路,1,第9章 电力电子技术的应用,5.1 概述 5.2 直流-直流变换电路的工作原理及控制方式 5.3 直流-直流变换电路的基本电路 5.4 带隔离的单管直流-直流变换电路 5.5 双相直流-直流变换电路和多相多重斩波电路 5.6 软开关技术 本章小结,2,掌握DC-DC变换电路构成的基本思路与换流分析注重掌握电流断续对换流状态的影响。 掌握开关变换电路中电感、电容元件的基本特性伏秒平衡特性（电感元件）、安秒平衡特性，这是分析开关变换电路的基础要掌握应用该特性进行定量分析的方法。 掌握电流连续情况下的DC-DC变换电路基本特性分析，主要包括稳态时电压（电流）输入输出的
2、比值、电感电流及电容电压脉动量、功率器件中电压及电流关系等。 熟悉多象限和多相多重DC-DC变换电路的结构特点和换流分析。 了解软开关技术。,学习指导,3,5.1 概述,4,直流-直流变流电路（DC/DC ）是一种把恒定直流电变换成负载所需的直流电的变换电路。 恒定直流电压 一系列脉冲电压 实现对平均电压的调节 斩波器：工程上，一般将以电力电子可控器件按一定规律调制且无变压器隔离的DC-DC变换电路构成的变流装置。 DC-DC变流电路应用：调节直流电压的大小外；调节电阻的大小和磁场的大小。 被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。特别在直流供电的地铁车辆、工矿电力机车、城市无轨
3、电车、高速电动车组以及由蓄电池供电的搬运车、叉车、电动汽车等。此外在AC-DC变换电路中，还可采用不可控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。,5.1 概述,5,变换电路出端电压平均值恒低（均高于）于其入端电压平均值； 若电路出端电压平均值既可高于也可低于其入端电压平均值。 变换电路出端电压和电流平均值只能维持一种极性时(若负载为直流电动机，则只运行于正转电动状态，构成不可逆调速系统)； 当出端电压和电流平均值只有一个极性可变时时(若负载为直流电动机则可工作于电动和发电制动两种状态，前者电机从直流电源吸取电能，后者则将自身储
4、能经变换电路反馈回电源)； 四 若出端电压和电流平均值的极性均为可变时，当负载为直流电动机时，既可工作于正转和反转电动状态，也可工作于正反转发电制动状态，构成可逆调速系统。,5.1 概述,6,DC-DC变换器分类 变压器隔离的DC-DC变换器 Buck（降压型）变换器、Boost（升压型）变换器、Boost- Buck（升-降压型）变换器、Cuk变换器、双向DC-DC变换器、桥式可逆斩波器 有变压器隔离DC-DC变换器 正激式变换器、反激式变换器、桥式隔离变换电路等。无变压器隔离的DC-DC变换器中，Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cuk为组合变流器，而双向DC-D
5、C变换器和桥式可逆斩波器则是Buck、 Boost变换器的结合或拓展，具有能量可在电源与负载之间双向流动的能力。 此外为了减小入端电流的谐波贪量，对于大容量直流变换电路（如应用于直流机车），可采用多相多重主电路结构。,5.2 直流-直流变换电路的工作原理及工作方式,5.2.1 工作原理 5.2.2 控制方式,7,5.2.1 工作原理,8,表5-1 直流电动机调速方法的比较,图5-1 直流电机串电阻调速电路,图5-2 直流电机斩波调速电路及其波形,5.2.1 控制方式,9,1.时间比控制方式 时间比控制是改变DC-DC变换输出电压采用最多的种控制方式。 无论是改变导通时间ton还是改变斩波周期T
6、都可改变输出电压。,输出电压是斩波器导通时间ton和斩波周期T的函数,改变（占空比）的方法,3.2.1 单相半波可控整流电路,10,2.瞬时值控制和平均值控制 对于采用DC-DC变换电路进行调速的车辆或其他电力电子装置，在加速时，为使其加速度恒定，需要进行恒流控制。在进行恒流控制时，如果预先给定主电机电流的上限值和下限值，将其与电动机电流的瞬时值比较，在电流达到上限值或下限值时，关断或开通斩波器，称为电流瞬时值控制；如用检测出的电流平均值与给定值比较，用其差值控制斩波器的开通关断，称为平均值控制。,3.2.1 单相半波可控整流电路,11,1）瞬时值控制 这种直接控制电流脉冲值的方式，应用在电气
7、车辆上，具有不管车辆速度如何，脉动率始终保持恒定的优点。另外，控制系统本身具有瞬时响应特性。但是，因为把电流的脉动幅度固定，所以斩波器工作频率随导通比的变化发生大幅度的变化。这种斩波器开关器件的频率较高，开关频率一般也不恒定，此时要注意开关器件的开关损耗，确保电路可靠工作。 2）平均值控制 电路中设置了给定斩波器工作频率的振荡器和控制导通比的移相器，根据电流给定值和负载电流平均值的偏差，控制移相器的输出。这种方式与瞬时值控制相比，响应速度稍差，但工作频率是稳定的。一般都采用这种平均值控制方式。,5.3 直流-直流变换电路的基本电路,5.3.1 降压斩波电路 5.3.2 升压斩波电路 5.3.3
8、 升压斩波电路和cuk斩波电路 5.3.4 Sepic斩波电路和Zata斩波电路,12,5.3.1 降压斩波电路,13,压变换电路（Buck Chopper）又称Buck变换器，主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势,图5-6 降压斩波电路,电路分析 使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。 设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。 用了L-C形式的低通滤波电路，获得平直的输出直流电压。 据功率器件VT的开关频率，L、C的数值，电感电流 可能连续或断续，影响变换器的输出特性。
9、,1.电流连续时 在ton时间内，VT导通，电源E向负载供电。在电感电压 （ 为 输出电压平均值)作用下，电感电流 线 性增加，使电感储能。等效电路如图（a)所示。 在toff时间内，VT关断，电感储能通过续流二极管VD释放， 线性减小，其等效电路如图5-7（b)所示，此时 。稳定运行的波形重复，如图5-7 (c)所示。,14,图5-7 Buck变换器工作模式及电流连续时工作波形 a）VT导通、VD开通时的等效电路图 b）VT导通、VD关断时的等效电路图 c）电流断续时的工作波形,5.3.1 降压斩波电路,15,图5-7 Buck变换器工作模式及电流连续时工作波形 a）VT导通、VD开通时的等
10、效电路图 b）VT导通、VD关断时的等效电路图 c）电流断续时的工作波形,从电路等效模型可以看出，电感L和电容C组成的低通滤波器，可以使us的直流分量通过，而对的交流分量有较大的衰减。电容上的纹波实际上是由电容的充放电引起的，当电路稳态工作时，由于开关工作频率很高，电容充、放电的时间都非常短，电容上电荷变化量一般很小，且电容量一般较大，由此引起的纹波必然很小，通常相对于电容上输出的直流电压(平均电压) 有 。电路稳态工作时，电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看成是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。,5.3.1 降压斩波电路,16,基本的数量关系,因 ， ，
11、故为降压变换关系。 忽略电路变换损耗，输人、输出功率相等，则有 由上式可求得变换器的输入、输出关系为,(5-3), 一个稳定运行周期中，电感电压的净变化量为零。根据这一点可找出任何开关变换器中的稳定条件电感伏秒(磁链)平衡原理。因此，一周期内电感电压积分为零,(5-2),式中， I为输入电流i平均值；Io为输出电流io平均值。,(5-4),(5-5),电流连续时Buck变换器完全相当于一个“直流”变压器,5.3.1 降压斩波电路,17,2.电感电流断续续 电流连续与否的临界状态是VT关断结束时(或导通开始时)电感电流iL=0，如图5-8所示。根据导通（ton）模式的电感电压方程，可计算出临界连
12、续时电感电流平均值，此时应注意到电感的伏秒(磁链)还可用电感与电流的乘积来表示,图5-8 电流临界连续波形,因电流连续，有U0=E,(5-5),(5-6),当E、T、L不变时，这是一个关于导通比的凸形函数，可以求出=0.5时具有电流极值 则，5-6可改为,(5-7),(5-8),5.3.1 降压斩波电路,18,在电流临界连续状态下保持E、T、L及不变，减少输出负载电流，此时ILILB,Buck变换器进入电流断续运行状态，波形如图5-9所示。其特征是续流二极管VD提早时刻关断，使电感电流断流，此时负载电流将由滤波电容供给，电感电压uL=0。 根据电感伏秒平衡原理，一个周期内电感电压积分为零的条件
13、可表示为,(5-9),(5-10),或,式中，,图5-9 电流断续波形,在VD导通的 期间，电感电流在-U0作用下线性衰减，则电流断续下电感电流峰值iLP可写为,(5-11),(5-12),(5-13),(5-14),电流断续时Buck变换器的输入-输出关系,5.3.1 降压斩波电路,19,3.滤波器设计 为了获得平直的直流输出电压U0应设计好输出低通滤波器，这可通过对电流连续时输出电容电压uC纹波的计算来估算L、C值。,按照电路拓扑iL=i0+iC。假定滤波后负载电流平直i0=I0，则电感电流的脉动成分iL全部流入电容，即IL=IC。稳定运行时流经电容的电流平均值应为零，因而半周期T/2内电
14、容电量的变化为 ，由此引起的电容电压纹波峰-峰值,(5-15),纹波电流iL可通过关断模式下差分形式 电压方程求得，即,(5-16),带入（5-15）,(5-17),按照期望的纹波比例UC/U0、斩波周期T及导通比，可大体确定出所需的L、C值。,5.3.1 降压斩波电路,5.3.2 升压斩波电路,20,1.升压斩波电路的基本原理 首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。开关管VT导通时，二极管VD承受反压而关断，此时，输入电源E通过电感L储能，因此IL增加，从而使电感L中的磁能亦增加，这时的负载仅靠输出电容C的储能供电。 开关管VT关断时，由于电感电流不能突变，此时二极管VD导通，且电源E
15、和电感L通过二极管VD同时向负载供电，并对输出电容充电，IL减少由于电感L值很大，充放电电电流基本恒定记为，因电容C值很大，基本保持输出电压为恒值，记为U0 。,图5-10 升压斩波电路及其工作波形 a) 电路 b)工作波形,（5-18）,（5-19）,21,基本的数量关系 设VT处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为(U0-E)I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即,式中T/toff表示升压比，T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路 升压比的倒数记为，则 ，故+=1；（5-9）可以表示为,（5-21）,升压斩
16、波电路能使输出电压高于电源电压的原因 1.电感L储能之后有使电压泵升的作用； 2.电容C可将输出电压保持住。,如果忽略电路中的损耗，则电源提供的能量仅由负载消耗，即,（5-22）,升压斩波电路也可以看作成变压器,根据电路结构并结合式（5-21）和（5-22），可得出输出流的平均值和电源电流为,（5-23）,（5-24）,5.3.2 升压斩波电路,5.3.2 升压斩波电路,22,1.升压斩波电路的典型应用 一、用于直流电动机传动 二、用作单相功率因数校正（PFC）电路 三、用于其他交直流电源中,图5-11 用于直流电机回馈能量的升压斩波电路及工作波形 a) 电路 b)电流连续时的工作波形 c)电流断续时的波形,当用于直流电动机传动时，通常是用于直流电动机再生制动时把电能
