《直流直流变流电路》PPT课件.pptx

电力电子技术 Power Electronics,第5章 直流直流变流电路,引言,直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 直接直流变流电路 也称斩波电路（DC Chopper）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。,PWM（pulse width modulation）脉宽调制,ton,T,占空比 D= ,Ui,Uo,Uo=DUi,PFM（pulse frequency modulation）,Ton一定，改变T,线性电源 利用晶体管的线性特性。 开关电源 利用高频开关进行变换，一般较线性电源体积小，重量轻。,为什么开关电源工作于高频就可以使得电源体积小？,5.1Buck变换电路,Buck电路为一种DCDC降压式变换电路。,拓扑结构,电路进入稳态,V为开关管,L足够大,C足够大,Ud无脉动,假,定,5.1Buck变换电路,该种电路分析方法：开通（on）和关断（off）分别进行分析，即两种情况下分别得到对应的简化电路进行分析。,ON,OFF,5.1 Buck变换电路,ON,Ud通过电感L给电容充电，并给负载R提供能量。 Uo由于有较大电容稳压，可以认为在较小的开通时间ton内波动较小。,电感电压,UL=UdUo= ,diL即为在ton开通时间内电感电流的波动量。 dt即为开通时间,5.1 Buck变换电路,ON,ug,0,t1,t2,ud-uo,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,=21,=1=,UL=UdUo= = 21 ,DT,t,0,VD,ud,5.1 Buck变换电路,OFF,开关管被二极管D短路。 电感电流通过二极管续流。,电感电压,UL=Uo= ,diL即为在toff开通时间内电感电流的减小量。 dt即为关断时间,5.1 Buck变换电路,OFF,ug,0,t1,t2,ud-uo,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,=12,=21=（1）,UL=Uo= = 12 （1）,DT,uo,t,ud,t,0,VD,-ud,5.1 Buck变换电路,ON,UL=UdUo= 21 ,OFF,UL=Uo= 12 （1）,UdUo DT= 21 =Uo（1D）T,Uo=DUd,由于D为0-1之间，因此为降压电路,ON,UL=UdUo= = 21 ,=21=UdUo=DT UdUo ,=D UdUo = (1D)U ,电流波动量,根据上式可以根据电流波动量，即纹波大小，计算出最小电感量。,5.1 Buck变换电路,ug,0,t1,t2,ud-uo,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,DT,uo,t,t,iC,0,I0,iLI0时，IL给C充电； iLI0时，电容C放电；,放电或充电的电荷量在一个周期为：,= 1 2 2 2,5.1 Buck变换电路,= 1 2 2 2 = 1 8 , = ,= = 8 = (1D)U 82,根据上式可以根据电压波动量，即电压纹波，计算出需要使用的最小电容。,5.1 Buck变换电路,ug,0,t1,t2,ud-uo,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,DT,uo,t,t,iC,0,I0,当= 2 时，电流出现断续,= (1D)U =2,在一定负载电流Io下，输出电流联系的最小电感为：,min= (1D)U 2,5.1 Buck变换电路,实际系统当中，开关管的PWM脉冲的占空比，是由输出电压与一给定电压比较，然后经过PI等运算，得到开关管的占空比。从而形成一个闭环系统。,第5章 直流直流变流电路,5.2 Boost变换电路,boost电路为一种DCDC升压式变换电路。,拓扑结构,电路进入稳态,V为开关管,L足够大,C足够大,Ud无脉动,假,定,5.2Boost变换电路,分析方法：开通（on）和关断（off）分别进行分析，即两种情况下分别得到对应的简化电路进行分析。,ON,OFF,5.2 Boost变换电路,ON,开关管开通，电感L被短路。 Uo由于有较大电容稳压，可以认为在较小的开通时间ton内波动较小，此时给负载供电，D受到反偏电压截止。,电感电压,UL=Ud= ,diL即为在ton开通时间内电感电流的波动量。 dt即为开通时间,5.2 Boost变换电路,ON,ug,0,t1,t2,ud,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,=21,=1=,UL=Ud= = 21 ,DT,t,VD,0,Uo,5.2 Boost变换电路,开关管关断，这时iL电流要减小，电感要阻止电流的变小，因此，UL上的电压左负右正。 电感存储的能量、Ud一块给电容充电并提供负载电流。,电感电压,UL=dUo= ,diL即为在toff开通时间内电感电流的减小量。 dt即为关断时间,OFF,-,+,5.2 Boost变换电路,OFF,ug,0,t1,t2,ud,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,UT,=12,=21=（1）,UL=UdUo= = 12 （1）,DT,uo-ud,t,uo,0,UD,t,Uo,5.2 Boost变换电路,ON,OFF,Ud DT= 21 =(UdUo)（1D）T,Uo= 1 1 Ud,UL=Ud= = 21 ,UL=UdUo= = 12 （1）,由于D为0-1之间，因此为升压电路,ON,=21=DT Ud ,=D Ud = U ,电流波动量,根据上式可以根据电流波动量，即纹波大小，计算出最小电感量。,UL=Ud= = 21 ,5.2 Boost变换电路,ug,0,t1,t2,ud,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,VT,DT,uo-ud,t,uo,0,VD,t,uo,在0-t1期间，D截止，C向负载提供能量，电容电压的脉动量取决于这期间电容上释放的电荷量，当输出电压的脉动量远小于输出电压时，负载电流的脉动量可以忽略，则：,Uc= 1 0 1 = 1 = = ,根据上式可以根据电压波动量，即电压纹波，计算出需要使用的最小电容。,I0,第5章 直流直流变流电路,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,Buck-Boost变换电路,Cuk,Sepic,Zeta,升 降 压 型,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,Buck-Boost变换电路,Buck电路的基础上，电感和二极管调换位置。,ON,OFF,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,ON,OFF,ON,ug,0,t1,t2,ud,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,UT,DT,t,0,UD,t,ud+uo,电感电压,UL=Ud= ,UL=Ud= = 21 ,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,电感电压,UL=U= ,U= = 12 (1),OFF,ug,0,t1,t2,ud,0,t,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,UT,DT,-uo,t,ud+uo,0,UD,t,+,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,ud+uo,Ud= = 21 ,U= = 12 (1),ON,OFF,Ud DT= 21 =Uo（1D）T,Uo= 1 Ud,由于D为0-1之间，因此为升降压电路,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,ON,=21=DT Ud ,=D Ud = U ,电流波动量,根据上式可以根据电流波动量，即纹波大小，计算出最小电感量。,UL=Ud= = 21 ,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,5.3 其他常用DCDC变换电路（buck-boost）,在0-t1期间，D截止，C向负载提供能量，电容电压的脉动量取决于这期间电容上释放的电荷量，当输出电压的脉动量远小于输出电压时，负载电流的脉动量可以忽略，则：,Uc= 1 0 1 = 1 = = ,根据上式可以根据电压波动量，即电压纹波，计算出需要使用的最小电容。,ON,ug,0,t1,t2,ud,0,uL,iL,I1,I2,t,t,t,0,0,UT,DT,-uo,t,ud+uo,0,UD,t,ud+uo,5.3 其他常用DCDC变换电路（Cuk）,Cuk变换电路,ON,OFF,V开通和关断时分别进行分析,ON,5.3 其他常用DCDC变换电路（Cuk）,5.3 其他常用DCDC变换电路（Cuk）,OFF,5.3 其他常用DCDC变换电路（Cuk）,ON,ug,0,t1,t2,ud,0,uL1,iL1,I11,I12,t,t,0,0,UT,DT,uc1-ud,t,0,UD,t,uc1,OFF,t,0,uL2,iL2,I21,I22,t,t,0,uo,uc1-uo,uc1,ON,5.3 其他常用DCDC变换电路（Cuk）,OFF,L1,L1,Ud=1 1211 ,Uc1=1 1211 (1),L2,L2,Uc1=2 2221 ,Uo=2 2221 (1),综合上四式,Uo= 1 Ud,由于D为0-1之间，因此为升降压式电路,Uc1= 1 Uo,Uc1= 1 1 Ud,5.3 其他常用DCDC变换电路,Zeta,sepic,作业,1.分析buck电路开通和关断时各器件的电压和电流波形，画出波形图，推导出输入输出关系以及电感电流波动量与电容电压波动量。 2.分析boost电路开通和关断时各器件的电压和电流波形，画出波形图，推导出输入输出关系以及电感电流波动量与电容电压波动量。 3.分析sepic电路开通和关断时各器件的电压和电流波形，画出波形图，推导出输入输出关系以及电感电流波动量与电容电压波动量。,第5章 直流直流变流电路,5.3 flyback反激式变换电路,拓扑电路,ON,OFF,5.3 flyback反激式变换电路,ON,OFF,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,On:输入电压全部加到N1线圈上，由于为异名端接法，因而uL2为正方向，D反偏关断，C单独向负载供电，Ud存储能量与变压器中，iT不断增大。,Off: iT突然关断，因而UL1反向，从而UL2也方向，D正偏导通，变压器存储的能量给负载供电，iD不断减小。,5.3 flyback反激式变换电路,ON,OFF,ug,0,t1,t2,ud,0,uL1,iL1,I11,I12,t,t,0,0,UT,DT,N1uo/N2+ud,t,0,UD,t,N2ud/N1 +uo,t,0,uL2,iL2,I21,I22,t,t,0,uo,N2ud/N1,N1uo/N2+ud,+,-,5.3 flyback反激式变换电路,ON,OFF,ug,0,t1,t2,ud,0,uL1,iL1,I11,I12,t,t,0,0,UT,DT,N1uo/N2+ud,t,0,UD,t,N2ud/N1 +uo,t,0,uL2,iL2,I21,I22,t,t,0,uo,N2ud/N1,N1uo/N2+ud,uL1=ud1 1211 ,uL2=uo2 2221 (1),N1I11=N2I21,N1I12=N2I22,稳态条件与变压器变比关系,联立可得,uo= 2 1 1 ,Flyback电路被广泛应用于200W一下的开关电源当中。,5.3 flyback反激式变换电路,可以输出多路隔离电压。,设计关键点：反激变压器。,第5章 直流直流变流电路,5.4 其它隔离型DCDC变换电路,Forward正激变换电路,半桥电路,全桥电路,推挽电路,5.4 其它隔离型DCDC变换电路,Forward正激变换电路,uo,Forward正激变换电路,ON,+,-,+,-,+,-,+,-,D3承受反压关断，ud全部加与线圈N1上，变压器副边uL2=N2*ud/N1,D1正向导通，D2反压关断。Ud通过变压器不断向负载提供能量，并在变压器中也存储了一定能量。,uL,Forward正激变换电路,OFF,+,-,+,-,+,-,线圈N1突然关断，电流会转移到N3当中，D3导通，Ud加在N3上，变压器存储的能量回馈到电源当中。此外，N2线圈电压反向，D1截止，D2续流。,uL,ON,OFF,ug,0,t1,t2,0,uT,BTr,t,t,0,0,id1,DT,N1uo/N3+ud,t,0,UL1,t,ud,t,0,uL,iL,I1,I2,t,t,0,uo,N2ud/N1-uo,id2,T,ud,N1uo/N3,t,N1uo/N3+ud,Forward正激变换电路,N2线圈相当于Buck电路的电源，因此，利用电感L在开通和关断时电流的变化量相等的条件，可得：,Forward正激变换电路,uo= 2 1 ,单端正激变换器功率比反激式的大。设计时需要注意磁复位问题。,半桥电路,图 5-16 半桥电路原理图,图 5-17 半桥电路的理想化波形,半桥电路 工作过程 S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,半桥电路,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 输出电压 滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(5-54),全桥电路,图 5-18 全桥电路原理图,图 5-19 全桥电路的理想化波形,全桥电路 工作过程 全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。 当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,全桥电路,如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。 输出电压 滤波电感电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(5-55),推挽电路,图 5-20 推挽电路原理图,图 5-21 推挽电路的理想化波形,推挽电路 工作过程 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。,推挽电路,如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。 输出电压 当滤波电感L的电流连续时,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-56）的计算值，并随负载减小而升高，