北京交通大学+电力电子技术+第05章+直流斩波器(DC-DC变换器)

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Spring 2006 电力电子技术Power Electronics Technology 电 气 工 程 学 院 陈 洛 忠第五章 直流斩波器( DC-DC变换器 ) 概 述1、直流电压的调节方式 (1)线性调节方式 v 通过与负载相串 联的线性元件来调 节电压 损耗大、效率低 (2)开关调节方式 v通过电子开关 的闭合/断开来调 节电压 电阻负载降压变换器2、直直变换器属开关调节方式3、直直变换技术的应用 直流调速系统:如地铁动车、无轨电车、其它 蓄电池供电的电动车辆等,在 此领域称直流斩波技术 开关电源:如通信电源、电脑、移动电话电源 等,在此领域称直直变换技术4、直流斩波器的分类: 根据输入、输出电压大小 降压型 U0 < Ui Buck 型 升压型 U0 > Ui Boost 型 升-降压型 Buck-Boost 型 Cuk 型 根据输出电压、输出电流方向 第一象限 U0 > 0 , I0 > 0 第二象限 U0 > 0 , I0 < 0 两象限 四象限 根据是否带隔离变压器 不带隔离变压器和带隔离变压器5、本章将讨论直直变换器的工作原理和稳态工作 特性,在分析过程中基于如下几点假设: ? 电路中的开关管、二极管均为理想器件 ? 电路中的电感、电容均为理想器件 ? 直流输入电源为理想的恒压电源 ? 输出电压的纹波远小于输出平均电压6、本章要求: ? 熟悉直流变换电路的工作原理及控制方法,掌握 四种基本DC/DC变换电路的工作原理、连续导电 模式时的波形分析及电量计算方法 ? 了解多相多重型斩波电路、多象限斩波电路的工 作原理及控制方法 ? 了解带隔离变压器的DC/DC变换电路的工作原理7、重点: 掌握各种DC/DC变换电路的工作原理、波形分析和 电量计算直流斩波器的应用: 直流电机调速 直流电压变换(开关电源) 直流电压隔离 3. 1 工作原理及控制方式3. 1. 1 直流斩波器的工作原理 S : 斩波开关 D : 续流二极管 S闭合: uLD = US S断开: uLD = 0 t负载电压平均值: U ? on U ? ?U LD T S S t斩波开关导通比(占空比): ? ? on T0 < ? < 1 ,0 < ULD < US0 < t < ton : diU ? L A ? i R ? E S LD dt A LD m ?R ?R ? LD t LD t U S Em LLD LLDiA ? (1? e ) ? I Amine RLD ton < t < T : di 0 ? L A ? i R ? E LD dt A LD m ?R ?R LD t' LD t' Em LLD LLDiA ? ? (1? e ) ? I Amaxe RLD3.1.2直流斩波器的控制方式 t U ? on U LD T S 基本控制方式:调节 ton / T ? 定频调宽控制(PWM) T 不变,调节 ton ? 定宽调频控制(PFM) ton 不变,调节 T toff 不变,调节 ton 和 T ? 调频调宽混合控制反馈控制方式:瞬时值控制(边带控制、 bang-bang控制) 当 i < Imin时,S 开通 当 i > Imax时,S 关断特点: 输出电流(电压)纹波恒定 响应速度快 开关频率变化较大平均值控制 电压反馈控制或电流反馈控制 当 Uf < Ur 时,增加 ton ,U0 上升 当 Uf > Ur 时,减小ton , U0 下降 特点:开关频率固定,易于滤波,响应较慢5. 1 降压变换器(BUCK变换器)一、电路与工作原理 续流二极管 储能电感 、电路结构 iL1 id io 功率开 + 、工作原理 + L +2 关器件 + u - Ud u L u = U R(负载) D C o o S闭合,Ud通过L向R - - - 滤波电容 供能,iL增大,L储 (a) 能增加 uD Ud S断开, iL通过D续流, U L上的能量消耗在R上,O o t ton toff i 下降 1 L TS ? fs (b) Uo=0~ Ud 图5.2 降压变换器电路图及电压波形图 Ø视iL是否连续,可分为连续导电模式和不连续导电模式二、连续导电模式 1、波形分析 稳态时,Uo基本恒定, IC=0,UL=0,Io=IL 忽略电路损耗,Pd=Po, 即:UdId=UoIo2、电量计算 因为 UL ? 0 所以 (Ud ?Uo)ton ? (?Uo)(Ts ?ton) ? 0 得: U t o ? on ? D U d Ts 由 U d I d ? U o I o 得: I U 1 o ? d ? I d U o D 5. 2 升压变换器(BOOST变换器)一、 电路与工作原理1、电路结构 储能 电感2、工作原理 滤波 电容 S闭合,Ud向L充电, iL增大,负载由C供电 S断开, iL通过D向C 和R供电, iL下降 Uo= Ud~∞ Ø视iL是否连续,可分为连续导电模式和不连续导电模式二、连续导电模式 1、波形分析 稳态时,Uo基本恒定, IC=0,UL=0, I0=ID , Id=IL 忽略电路损耗,Pd=Po, 即:UdId=UoIo2、电量计算Ø 稳态时,一个周期T内L积蓄能量与释放能量相等: U d ton ? ?U d ? U o ?toff ? 0 U T 1 o ? s ? U d toff 1? D I o ? 1? D I d5. 3 升降压变换器(BUCK--BOOST变换器)一、电路结构与工作原理1、电路结构2、工作原理 S闭合,Ud向L充电,iL 增大,负载由C供电 S断开, iL通过D向C和 R供电, iL下降 Uo=0~∞ Ø 视iL是否连续,可分为连续导电模式和不连续导电模式 二、 连续导电模式1、波形分析 稳态时,Uo基本恒定, IC=0,UL=0, I0=ID 忽略电路损耗,Pd=Po, 即:UdId=UoIo2、电量计算 U d DTs ? ??U o ??1? D?Ts ? 0 U D o ? Ud 1? D I 1? D o ? Id D 5. 4 丘克变换器(CUK变换器)一、 电路结构与工作原理1、电路结构 L1、C1为能量传递元件 L2、C2为滤波元件2、工作原理 S闭合,D截止,Ud向L1充电,iL1增大, C1向L2 、 C2和负载供 电, iL2增大 S断开,D导通,Ud和L给C1充电, iL1下降,负载由L2和C2供电, iL2下降 Uo=0~∞ 视iL1是否连续,可分为连续导电和不连续导电模式 + + - - + + + - - + L1 - L2 L1 + L2 UC1 U + -
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