1、第三講 直流-直流變換,現(xiàn)代功率變換技術(shù),第三講 直流-直流變換,將大小固定的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓的變換稱為DC/DC變換。 具有這種DC/DC變換功能的電力電子裝置，稱為DC/DC變換器（DC/DC Converter） 直流電動機(jī)調(diào)速、蓄電池充電、開關(guān)電源，特別是在電力牽引上，如地鐵、電氣機(jī)車等。,結(jié)構(gòu) 直接 型：降壓斬波電路，升壓斬波電 路，升降壓型電路等(直流斬波) 隔離型：正激（Forward）電路，反激（Flyback）電路，半橋型，全橋型電路等,第三講 直流-直流變換,一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,1）電感電流連續(xù)工作模式（CCM）,穩(wěn)態(tài)條件下電感兩端電壓在

2、一個開關(guān)周期內(nèi)平均值為零,=0,電感，電容，二極管的作用？,一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。,2）電感電流斷續(xù)工作模式(DCM ),臨界條件：,臨界點(diǎn)：,一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,電容電流一周期上平均值為零,2）電感電流斷續(xù)工作模式 (DCM),一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,求出,輸出電壓：,2）電感電流斷續(xù)工作模式 (DCM),電流斷續(xù)時，總是有UoDUi，且負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時，Uo=Ui,一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,輸出電壓：,斷續(xù)時D與負(fù)載和電感、開關(guān)周期有

3、關(guān)。,2）電感電流斷續(xù)工作模式 (DCM),一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,電流斷續(xù)時，總是有UoDUi，且負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時，Uo=Ui,2）電感電流斷續(xù)工作模式 (DCM),一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,特點(diǎn)：電路簡單； 只能降壓； 輸入電流脈動大； 輸出電流脈動小。,一、直接DC/DC變換器 1.降壓斬波電路,不可逆直流電動機(jī)調(diào)速,應(yīng)用于直流穩(wěn)壓開關(guān)電源和直流拖動。,1）電感電流連續(xù)工作模式(CCM),一、直接DC/DC變換器 2.升壓斬波電路（boost）,升壓,D 1時，U0 無窮，避免,2）電感電流斷續(xù)工作模式 (DCM),二極管VD電流的

4、開關(guān)周期平均值等于負(fù)載電流Io。,電感電流連續(xù)的臨界條件推導(dǎo),臨界條件：,一、直接DC/DC變換器 2.升壓斬波電路（boost）,2）電感電流斷續(xù)工作模式(DCM),二極管電流開關(guān)周期平均值為,電容的開關(guān)周期平均電流為零，故二極管電流開關(guān)周期平均值等于負(fù)載電流,一、直接DC/DC變換器 2.升壓斬波電路（boost）,2）電感電流斷續(xù)工作模式,電感電流斷續(xù)時的輸出電壓要高于電感電流連續(xù)時的輸出電壓。輸出空載時，K趨于無窮大，輸出電壓Uo也趨于無窮大。 升壓電路不應(yīng)空載，否則會產(chǎn)生很高的電壓而造成電路中元器件的損壞。,一、直接DC/DC變換器 2.升壓斬波電路（boost）,3）升壓電路的典型

5、應(yīng)用,一、直接DC/DC變換器 2.升壓斬波電路（boost）,常用于將較低直流電壓變換為較高的直流電壓，如電池供電設(shè)備中的升壓電路、液晶背光電源，單相功率因數(shù)校正電路等。,3)升壓電路的典型應(yīng)用,當(dāng)使V4保持通態(tài)時， V1發(fā)PWM波，則提供正電壓，可使電動機(jī)工作于第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動和正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。此時，需要防止V3導(dǎo)通造成電源短路。,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，向電動機(jī)供電使其工作于第1象限即正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，而V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，可使電動機(jī)工作于第2象限即正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。,3)升壓電路的典型應(yīng)用,當(dāng)使V2保持通態(tài)

6、時，于是V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動機(jī)工作于第3、4象限。 V3和VD3構(gòu)成降壓斬波電路，向電動機(jī)供電使其工作于第3象限即反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，而V4和VD4構(gòu)成升壓斬波電路，可使電動機(jī)工作于第4象限即反轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,升壓斬波電路（boost）的應(yīng)用 功率因數(shù)校正電路,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（b

7、oost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,PWM驅(qū)動生成方法： 載波調(diào)制法 電流跟蹤法,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,電流跟蹤控制,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,電流跟蹤控制,一、直接DC/DC變換器,2.升壓斬波電路（boost）,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),則當(dāng)01/2時，降壓； 當(dāng)1/21時，為升壓。,1)電流連續(xù)狀態(tài)CCM,特點(diǎn)：輸出電壓與輸入電壓

8、反向,占空比不能太大，否則輸出電壓過高。,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),電流臨界臨界連續(xù)狀態(tài),+,-,電感電流聯(lián)系與斷續(xù)的條件：,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),2)電流連續(xù)狀態(tài)CCM,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),2)電流斷續(xù)狀態(tài)DCM,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),2)電流斷續(xù)狀態(tài)DCM,電感電流斷續(xù)時輸出電壓要高于電流連續(xù)情況。負(fù)載電流很小時，電感電流將斷續(xù)。負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時，Uo將趨向于無窮大. 升降壓電路也不應(yīng)

9、空載，否則會產(chǎn)生很高的電壓,用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的電路，還用于各種開關(guān)穩(wěn)壓器中。,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),電流斷續(xù)狀態(tài),電感電流斷續(xù)時輸出電壓要高于電流連續(xù)情況。負(fù)載電流很小時，電感電流將斷續(xù)。負(fù)載電流越小，Uo越高。輸出空載時，Uo將趨向于無窮大，因此，升降壓電路也不應(yīng)空載，否則會產(chǎn)生很高的電壓.,一、直接DC/DC變換器 3.升降壓型電路( Boost-Buck),特點(diǎn)：電路簡單； 升壓、降壓； 輸入電流脈動大； 輸出電流脈動大； 不能空載運(yùn)行。,一、直接DC/DC變換器,4. Cuk斬波電路,V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流

10、。 V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 電路相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。,一、直接DC/DC變換器,4. Cuk斬波電路,設(shè)兩個電感電流連續(xù),特點(diǎn)：升壓、降壓； 輸如、輸出電流脈動小； 不能空載運(yùn)行，控制較為復(fù)雜。,一、直接DC/DC變換器,4. Cuk斬波電路,應(yīng)用：光伏發(fā)電方面的應(yīng)用，最大跟蹤控制， 特點(diǎn)：輸入輸出脈動小，輸出紋波和電磁干擾都比較小,一、直接DC/DC變換器,5. Sepic斬波電路,a) Sepic斬波電路,電路結(jié)構(gòu),Speic電路原理 V通態(tài)，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。,一、直接DC

11、/DC變換器,5. Sepic斬波電路,a) Sepic斬波電路,電路結(jié)構(gòu),Speic電路原理 V斷態(tài)，EL1C1VD負(fù)載回路及L2VD負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。,一、直接DC/DC變換器,一、直接DC/DC變換器,一、直接DC/DC變換器,5. Sepic斬波電路,a) Sepic斬波電路,特點(diǎn)：升壓、降壓； 輸入電流脈動?。惠敵鲭娏髅}動大； 不能空載運(yùn)行； 輸入輸出隔離； 控制、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜； 單相功率因數(shù)校正電路。,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,實(shí)現(xiàn)相互隔離的多路輸出； 實(shí)現(xiàn)電壓等級的變換； 采用高頻變壓器

12、，減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。,結(jié)構(gòu)：電源輸入濾波器全橋整流直流濾波開關(guān)管（振蕩逆變）高頻變壓器輸出整流與濾波,1）電流連續(xù)工作狀態(tài)DCM,開關(guān)上承受電壓：,在輸出濾波電感連續(xù)情況下,與降壓電路特性相同,廣泛應(yīng)用于功率為數(shù)百瓦數(shù)千瓦的開關(guān)電源中。,開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位時間為,1）電流連續(xù)工作狀態(tài)CCM,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,1.正激（Forward）電路,2）電流斷續(xù)工作狀態(tài)DCM,斷續(xù)

13、臨界條件：,電感電流斷續(xù)時，輸出電壓Uo將隨負(fù)載電流減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下 UoUiN2/N1,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,1.正激（Forward）電路,正激型電路的電壓比關(guān)系和降壓型電路非常相似，僅有的差別在于變壓器變比 正激型電路的電壓比可以看成是將輸入電壓Ui按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)降壓型電路得到的 不僅正激型電路是這樣，半橋型、全橋型和推挽型電路也是這樣。 但沒有充分利用變壓器效率。,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,1） 電流連續(xù)工作模式,工作過程：,S開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加，無輸出電壓

14、。 S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放，有輸出電壓。,可以看成是升降壓型電路中的電感換成變壓器耦合的電感。,變壓器總會經(jīng)歷著儲能放能的過程,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,1） 電流連續(xù)工作模式,反激型電路工作于電流連續(xù)模式時，其變壓器磁心的利用率會顯著下降，因此實(shí)際使用中，通常避免該電路工作于電流連續(xù)模式。,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,2） 電流斷續(xù)工作模式DCM,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,2） 電流斷續(xù)工作模式DCM,與升降壓型電路相

15、比，不同之處僅在于多了變壓器電壓比的因子,L是變壓器二次測得的電感量,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,2） 電流斷續(xù)工作模式DCM,當(dāng)電路工作在斷續(xù)模式時，輸出電壓隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，Uo ，這將損壞電路中的元器件 反激型電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài),二、帶隔離變壓器的直-直變換器,2.反激（Flyback ）電路,2） 電流斷續(xù)工作模式 DCM,特點(diǎn)： 在斷續(xù)模式，變壓器磁心利用率高，通常設(shè)計反激型電路保證其工作于電流斷續(xù)方式 。 廣泛應(yīng)用小功率開關(guān)電源中，在各種家電、計算機(jī)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中小功率開關(guān)電源中基本上采用反激型 不適應(yīng)較大功率

16、開關(guān)電源。,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,3.全橋電路,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,3.全橋電路,改變占空比D就可以改變整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。每個開關(guān)斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。 為了避免上下兩開關(guān)在換相過程中發(fā)生短暫的同時導(dǎo)通而造成短路損壞開關(guān)，每個開關(guān)各自的占空比不能超過50。,二、帶隔離變壓器的直-直變換器,3.全橋電路,降壓型類似,應(yīng)用數(shù)百千瓦數(shù)千千瓦用電電源中,大功率。,各種不同的間接直流變流電路的比較,三、DC-DC控制原理及控制電路,開關(guān)電源由功率級和控制電路兩部分組成。控制 電路的功能是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)、外接負(fù)載變化 時，調(diào)節(jié)功率級開關(guān)器件的

17、導(dǎo)通時間，使開關(guān)電源的 輸出電壓或者電流保持恒定。,電壓控制模式：電壓單閉環(huán)控制，輸出電壓中包含低頻 紋波 電流控制模式：電壓電流雙閉環(huán)控制 優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的穩(wěn)定性張強(qiáng)，穩(wěn)定域擴(kuò)大 系統(tǒng)動態(tài)特性改善，消除低頻紋波 具有快速的限流能力。,三、DC-DC控制原理及控制電路,電壓控制模式：電壓單閉環(huán)控制，輸出電壓中包含低頻 紋波,三、DC-DC控制原理及控制電路,電壓控制模式：電壓單閉環(huán)控制，輸出電壓中包含低頻 紋波,控制電路的作用：將一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的控制量模擬信號轉(zhuǎn)化為PWM信號，該信號看開關(guān)頻率固定，占空比隨輸入信號連續(xù)變化 常用的PWM控制器SG1525/2525/3525,TL494等,三、

18、DC-DC控制原理及控制電路,三、DC-DC控制原理及控制電路,SG3525 通過內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生一鋸齒波電壓作為載波信號 ，反饋電壓和參考電壓通過內(nèi)部的誤差放大器比較并輸出誤差電壓 ，此誤差電壓作為調(diào)制信號，載波信號和調(diào)制信號疊加用于確定脈寬調(diào)制波的占空比。 反饋電壓越高 ，輸出脈沖的占空比越小 ，反之則越大。當(dāng)交流輸入電壓波動或負(fù)載變化引起輸出電壓變化時 ，由于系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，PWM 輸出脈沖寬度自動調(diào)整 ,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。,三、DC-DC控制原理及控制電路,1.工作電壓范圍：835V 2.內(nèi)置5.1V,1.0%的基準(zhǔn)電壓源 3.芯片內(nèi)振蕩器工作頻率：100400Hz 4.死區(qū)時間可調(diào)，

19、末級采用推拉式工作電路 5.內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路，當(dāng)輸入電壓小于8V時芯片內(nèi)鎖定。 6.有軟啟動電路。管腳8 7.內(nèi)置PWM脈寬調(diào)制電路,集成PWM脈沖發(fā)生器原理圖,三、DC-DC控制原理及控制電路,電壓型控制器SG3525 電壓模式控制器,三、DC-DC控制原理及控制電路,三、DC-DC控制原理及控制電路,電壓型控制器SG3525 電壓模式控制器組成的DC/DC電源,三、DC-DC控制原理及控制電路,三、DC-DC控制原理及控制電路,電流型控制電路,1.峰值電流型控制:不能精確控制電流以及抗干擾性差等缺點(diǎn) 2.平均電流型控制:提高了電流的控制精度，而且抗干擾性強(qiáng),三、DC-DC控制原理及控制電路

20、,2.平均電流型控制: 檢測電流經(jīng)電流積分器積分后與誤差電壓 相減，其差值與鋸齒波比較生成控制脈寬驅(qū)動開關(guān)。 響應(yīng)速度比峰值電流控制響應(yīng)慢。,三、DC-DC控制原理及控制電路,開關(guān)電源控制電路原理,自保護(hù)功能：輸入過電壓，輸入欠電壓、系統(tǒng)過熱、系統(tǒng)電流 附載保護(hù)功能：輸出過電壓、輸出欠電壓,三、DC-DC控制原理及控制電路,UC1842/2842/3842 峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門構(gòu)成正激型和反激型等開關(guān)電源,適用于500W的正激型和100W以下的反激型開關(guān)電源,三、DC-DC控制原理及控制電路,三、DC-DC控制原理及控制電路,UC1846/2846/3846峰值電流模式控制

21、的集成PWM控制器，專門構(gòu)成半橋、全橋和推挽型開關(guān)電源的集成PWM控制器 UC1875/2875/3875 峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門構(gòu)成移相全橋型開關(guān)電源控制的集成PWM控制器,四象限直流調(diào)速系統(tǒng),四象限直流調(diào)速系統(tǒng),四象限直流調(diào)速系統(tǒng),四、PWM四象限直流變換控制原理,脈寬調(diào)制技術(shù)：PWM (Pulse Width Modulation) 即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。 PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。 PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)

22、展史上占有十分重要的地位。,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,1） PWM調(diào)制概念 沖量原理面積等效原理,沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,b),沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形,a）,u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應(yīng)。,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,SPWM工作原理,單極性調(diào)制：,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,SPWM工作原理,雙極性調(diào)制,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,SPWM波,如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,O,u,t,四、單極性PWM四象限直流變換控制原理,2）同頻單極性PWM控制原理,V1、V4方向臂，