电力电子技术第九讲第三章课件.ppt

1、3.2.3 boost3.2.3 boost变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 -3.2.3.1 boost-3.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态 boost变换器的电路结构如图3-8a所示，根据其中的开关管和二极管不同通断组合时，可形成不同的换流状态，boost变换器不同换流状态时的换流电路如图3-8所示 图3-8b所示开关状态1时的换流电路开关管VT导通时，二极管VD承受反压而关断，此时，输入电源通过电感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 图3-8c所示开关状态2时的换流电路 开关管VT关断时，由于电感电流不

2、能突变，此时二极管VD导通，且电源Ud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 图3-8d所示开关状态3时的换流电路 与电流连续时的情况不同，当电感L电流衰减到零以前，若开关管VT还未导通，则电感电流断续，此时，开关管VT、二极管VD全都关断，并仅由电容向负载提供能量3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态 boost变换器电路工作状态定义同buck变换器电路 （电流连续，电流断续，临界状态） boost变换器中的缓冲元件是电感L，因此讨论boost变换器的电流连续或断续工作状态也是针对其中的电感针对其中的电感L而言的 开关状

3、态开关状态1、2对应的换流表示了boost变换器电流连续电流连续时的工作过程 开关状态开关状态1、2、3对应的换流表示了boost变换器电流电流断续断续时的工作过程 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态boost变换器中电感电流连续电流连续时的相关波形如图3-8e所示 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态boost变换器中电感电流断续电流断续时的相关波形如图3-8f所示 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态 1稳态电压增益GV boost变换器的稳态电

4、压增益指：稳态条件下，变换器输出平均电压Uo与输入平均电压Ui的比值，即GVUo/Ui。 由于boost变换器中的缓冲元件是电感L，对电感L利用伏秒平衡特性进行分析得 式（3-19）onsioonitTUUTU3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 令PWM占空比D= ton/ Ts，则从式（3-19）可求出boost变换器的电感电流连续时的稳态电压增益GV为 式（3-20） 由于D1，即boost变换器的稳态电压增益GV1，因此boost变换器具有升压特性，并且变换器的稳态输出平均电压与（1D）成反比 oVi11UG

5、UD=-3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 2稳态电流增益GI boost变换器的稳态电流增益是指：稳态条件下，变换器输出电流平均Io与输入平均电流Ii的比值，即GIIo/Ii。 由于讨论的是无损的理想变换器，变换器的输入输出功率平衡，即Ii Ui=Io Uo，这样，由式（3-20）易求出boost变换器电感电流连续时的的稳态电流增益GI为 由于D1，即boost变换器的稳态电流增益GI1，因此，boost变换器具有减流特性，并且变换器的稳态输出平均电流Io与（1D）成正比。oIi1IGDI=- 式（3-21）3.

6、2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 3稳态电感电流脉动量 由于有限的电感和有限的开关频率，在稳态条件下，boost变换器的电感电流实际是脉动的如图3-8e所示 当t0时，开关管VT导通，若电感L、电容C足够大，此时，电容电压近似不变，而电感电流iL线性增加sioniLDTLUTLUi3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 当tD Tston时，电感电流iL增加至最大值ILmax t0ton期间（开关管VT导通期间）的电流增量iL为 式（3-22

7、）sioniLDTLUTLUi3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 当tton时开关管VT关断，若电感L、电容C足够大，电容电压近似不变，而电感电流iL线性减小 当tTs时，电感电流iL减小至最小值ILmin ttonTs期间（开关管VT关断期间）的电流增量iL-为 式（3-23）sioonsioL)1 ()(TDLUUtTLUUi3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 稳态时，iLiL-iL，因此，电感电流最大值ILmax、最小值ILmin

8、分别为 （3-24） （3-25）sooLILmax2)1 (121LfDUDDIiIIsooLILmin2)1 (121LfDUDDIiII3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 4开关管VT的电流、电压的定量关系 流过开关管VT的平均电流IS为 ISIiIoD Io/(1D) 流过开关管VT的最大电流ISmax和变换器电感电流最大值ILmax相等，即ISmax ILmax 开关管关断时所承受的正向电压等

9、于变换器的输出电压 3.2.3.2 3.2.3.2 电流连续时的电流连续时的boostboost变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 5二极管VD的电流、电压的定量关系 稳态时，由于输出电容的平均电流为零，因此，流过二极管VD的平均电流ID为IDIo 流过二极管VD的最大电流IDmax和变换器电感电流最大值ILmax相等，即IDmaxILmax 二极管VD截止时所承受的反向电压等于变换器的输出电压 buck-boost电路电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。v 基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定

10、并向负载R供电。 V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILbuck-boost电路电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffonoV处于通态uL = EV处于断态uL = - uooffoontUtE（3-40）3.2.4 cuk3.2.4 cuk变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 -3.2.4.1 cuk-3.2.4.1 cuk变换器的换流状态变换器的

11、换流状态 cuk变换器的电路结构如图3-9a所示，根据其中的开关管和二极管不同通断组合时，可形成不同的换流状态，cuk变换器不同换流状态时的等值电路如图3-9所示如图3-9b所示开关状态1时的换流电路当开关管VT导通时二极管VD因承受反压UC1而关断，此时，输入电源通过电感L1储能，因此iL1增加，从而使电感L1中的磁能亦增加。同时电容C1向电感L2和电容C2充电，并向负载供电，从而使电感L2中的磁能亦增加b)b)3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk变换器的换流状态变换器的换流状态 如图3-9c所示开关状态2时的换流电路 当开关管VT关断时，由于电流连续即iL1iL20，因此二极管VD

12、导通，且电源Ui和电感L1通过二极管VD同时向电容C1充电，电感L1中的磁能减少。与此同时，电感L2通过二极管VD向电容C2充电，并同时向负载供电，使电感L2中的磁能减少 如图3-9d所示开关状态3时的换流电路 与电流连续时的情况不同，当iL1iL2衰减到零以前，若开关管VT还未导通则开关管VT、二极管VD全都关断，并仅由电容向负载提供能量3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk变换器的换流状态变换器的换流状态 电路换流状态的定义u当iL1iL20时，cuk变换器工作在电流连续状态u当一段时间中存在iL1iL20，则cuk变换器工作在电流断续状态u若只有一瞬时时刻存在iL1iL20，则cu

13、k变换器工作在临界状态临界状态是电流连续状态的一种特例 注意：由于图3-9所示的cuk变换器有两个缓冲电感元件L1、L2，因此讨论cuk变换器的电流连续或断续工作状态是针对其中电感L1、L2的电流之和（iL1iL2）而言的。3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk变换器的换流状态变换器的换流状态开关状态1、2对应的换流表示了cuk变换器电流连续电流连续时的工作过程(即iL1iL20。当其中的开关管VT导通时，二极管VD能瞬时关断，而当其中的开关管VT关断时，二极管VD能瞬时导通 )开关状态1、2、3对应的换流表示了cuk变换器电流断续电流断续时的工作过程 3.2.4.1 cuk3.2.4.

14、1 cuk变换器的换流状态变换器的换流状态cuk变换器中电感电流连续电感电流连续时的相关波形如图3-9e所示 3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk变换器的换流状态变换器的换流状态cuk变换器中电感电流断续电感电流断续时的相关波形如图3-9f所示 3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 电流连续时的cuk变换器基本特性是指cuk变换器中缓冲元件电电感感L1、L2的电流之和的电流之和总大于零大于零（iL1iL20）时的变换器基本特性 offontUUtUic1ioffoonoc1)(tUtUU1稳态电压增益GVcuk变换器的稳态电压

15、增益是指：稳态条件下，变换器输出平均电压Uo与输入平均电压Ui的比值，即GVUo/Ui。cuk变换器中有两个缓冲电感元件L1、L2对电感L1、L2分别利用伏秒平衡特性进行分析得出 （3-37） （3-38）3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 令PWM占空比D= ton/ Ts，则由式（3-37）、（3-38）可求出cuk变换器的电感电流连续时的稳态电压增益GV为 （3-39） 当1/2D1时，即cuk变换器的稳态电压增益GV1，则cuk变换器具有升压特性 当0D1/2时，即cuk变换器的稳态电压增益GV1，则cuk变换器具有降压特性

16、 综上所述，cuk变换器是升降压变换器升降压变换器，并且其输入、输出电压具有相反的极性oonioff1VUtDGUtD3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 2稳态电流增益GI cuk变换器的稳态电流增益是指：稳态条件下，变换器输出电流平均Io与输入平均电流Ii的比值，即GIIo/Ii。 由于讨论的是无损的理想变换器，因此，变换器的输入输出功率平衡即Ii Ui=Io Uo，这样，由式（3-39）易求出cuk变换器电感电流连续时的的稳态电流增益GI为 （3-40） 当1/2D1时，即cuk变换器的稳态电流增益GI 1，则cuk变换器具有增

17、流特性DDttII1onoffio3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 3稳态电感电流脉动量 由于有限的电感和有限的开关频有限的电感和有限的开关频率率，稳态条件下cuk变换器电感L1、L2中的电流是脉动的，如图3-9e所示 在t0ton期间，开关管VT导通，二极管VD关断，此时若电感L1、L2和开关频率足够大，则cuk变换器电感L1、L2中的电流均线性增加，电感L1、L2中的电流增加量分别为iL1+、iL2+s1ion1iL1DTLUtLUis2ion2oc1L2DTLUtLUUi3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时

18、的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 在ttonTs期间，开关管VT关断，二极管VD导通，此时若电感L1、L2和开关频率足够大，则cuk变换器电感L1、L2中的电流均线性减少，即电感L1、L2中的电流减少量分别为IL1、IL23.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 稳态时，IL1IL1IL1、IL2IL2IL2 ，因此电感L1、L2电流最大值IL1max、IL2max最小值IL1min、IL2min分别为L2oL2minL2oL2maxL1iL1minL1iL1max21212121IIIIIIIIIIII（3-43）3.2.4.

19、2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 4开关管VT的电流、电压的定量关系 流过开关管VT的平均电流ITD(Ii+Io) 流过开关管VT的最大电流 ISmax和变换器电感电流最大 值ILmax相等，即ISmaxIL1max+ IL2max 开关管关断时所承受的正向电压等于变换器的输出电压与输入电压之和3.2.4.2 3.2.4.2 电流连续时的电流连续时的cukcuk变换器基本特性变换器基本特性 5二极管VD的电流、电压的定量关系 流过二极管VD的平均电流ID=(1-D)(Ii+Io) 流过二极管VD的最大电流IDmax和变换器电感电流最大值ILm

20、ax相等，即IDmax IL1max+ IL2max 二极管VD截止时所承受的反向电压等于变换器的输出电压和输入电压之和3.3 3.3 复合型复合型DCDCDCDC变换器变换器 之前讨论的DCDC变换器实际上是一些基本的基本的DCDC变换器变换器，如果将将DCDC变换器的输出电压（变换器的输出电压（纵坐标）、输出电流（横坐标）构纵坐标）、输出电流（横坐标）构成坐标系成坐标系，那么上述各类基本的DCDC变换器由于各自的输出只能工只能工作在输出电压、电流坐标系的一个作在输出电压、电流坐标系的一个象限象限，因此可称为单象限单象限DCDC变换器。变换器。 单象限DCDC变换器的共同特征共同特征就是各自

21、的输出电压、电流不可逆各自的输出电压、电流不可逆即DCDC变换器的能量不可逆。能量不可逆。 UoIo3.3 3.3 复合型复合型DCDCDCDC变换器变换器 实际应用时能量可逆能量可逆的DCDC变换器在驱动诸如阻感加阻感加反电势型反电势型一类的负载（如直流电动机）时是必不可少的 当DCDC变换器的输出电流输出电流或或输出电压可逆输出电压可逆时，变换器可在两象限运行，因此称这类DCDC变换器为 两象限两象限DCDC变换器变换器 当DCDC变换器的输出电流、输出电压均可逆输出电流、输出电压均可逆时，变换器可在四象限运行，因此称这类DCDC变换器为 四象限四象限DCDC变换器变换器 3.3 3.3

22、复合型复合型DCDCDCDC变换器变换器 两两象限象限DCDC变换器和四象限四象限DCDC变换器的拓扑结构均可由基本的单象限均可由基本的单象限DCDC变换器拓扑组合而成变换器拓扑组合而成 单单象限象限DCDC变换器需要扩大容量扩大容量时，也可以由基本的由基本的单象限单象限DCDC变换器拓扑组合而成变换器拓扑组合而成 一一般将由基本的般将由基本的DCDCDCDC变换器拓扑组合而成的变换器拓扑组合而成的DCDCDCDC变换器统称为复合型变换器统称为复合型DCDCDCDC变换器变换器3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 以阻感加反电势（如直流电动机）型负载为例加以讨论电流可逆

23、的二象限DCDC变换器 为了能双向控制双向控制DCDC变换器输出电流，必须采用两个开关管必须采用两个开关管以组成一双桥臂一双桥臂的DCDC变换器 电流可逆型二象限DCDC变换器上、下桥臂的开关管一般采用互补互补调制驱动模式调制驱动模式（上桥臂通时下桥臂上桥臂通时下桥臂断、下桥臂通时上桥臂断断、下桥臂通时上桥臂断） 为了缓冲负载的无功缓冲负载的无功设立二极管，常称为续流续流二极管 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 输出电流输出电流io0且且VT1导通导通过程过程：直流侧电源通过VT1向负载供电，输出电压uoui，此时输出电流io增加，负载电感和负载电动势储能也增加。由

24、于io0且uo0，因此变流器工作在第一象限 针对图3-10a所示电路， VT1、VT2采用互补调制驱动模式时的具体换流过程分析如下3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 输出输出电流电流io0且且VT1关断过程关断过程：由于电感电流不能突变，因此VD2导通续流，输出电压uo0，此时尽管采用了双极型驱动模式而使VT2有驱动信号，但因VT2承受反压（VD2导通）而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io0且uo0，因此变流器工作在第一象限3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 输出输出电流电流io0且且VT2导通导通过程过

25、程：负载电动势通过VT2向负载电阻和电感供电，输出电压uo0，此时输出电流io反向增加，负载电感储能也增加。由于io0且uo0，因此变流器工作在第二象限。3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 输出输出电流电流io0且且VT2关断过程关断过程：由于电感电流不能突变，因此VD1导通续流，输出电压uoui，此时尽管采用了互补驱动模式而使VT1有驱动信号，但因VT1承受反压（VD1导通）而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io0且uo0，因此变流器工作在第二象限3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 当电流正向换流电流正向

26、换流时（io0），或VT1导通导通，或VD2导通导通，变换器工作在第一象限第一象限，此时的变换器换流电路实际上是一个buck变换器电变换器电路路，并且变换器向负载提供能量变换器向负载提供能量，换流期间的电压、电流波形如图3-10b中t1 t2段所示 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 当电流反向换流电流反向换流时（io0），或VT2导通导通，或VD1导通导通，变换器工作在第二象限第二象限，此时的变换器换流电路实际上是一个boost变换器电路变换器电路，并且负载向变换器回馈能量负载向变换器回馈能量，换流期间的电压、电流波形如图3-10b中t2 t3段所示 3.3.13.

27、3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 小结：u图3-10a所示的电流可逆型二象限DCDC变换器实际上由一个一个buck变换器电路和一个变换器电路和一个boost变换器电路组合而成变换器电路组合而成，并交替工作交替工作u变换器的输出电压极性不变输出电压极性不变，而，而电流极性可变电流极性可变，即能量能量能可双向传输能可双向传输u调节斩波占空比就可以控制变换器的输出平均电压 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC变换器变换器 注意事项：u为了防止防止3-10a所示变换器上、下桥臂的直通短路直通短路，上、下桥臂的开关管驱动信号中须加入“先关断后导通”的开关死区开关死区 u图3-1

28、0所示的电流可逆型二象限DCDC变换器其负载必须为感性负载感性负载，否则，变换器只能工作在第一象限 3.3.23.3.2四象限四象限DCDCDCDC变换器变换器 当需要使DCDC变换器的输出电压、电流均可逆输出电压、电流均可逆时，就必须设计四象限四象限DCDC变换器 实际上，将两个对称工作的二象限对称工作的二象限DCDC变换器组合组合便可以构成一个四象限DCDC变换器，其电路结构如图3-11所示。图3-11 四象限DCDC变换器电路3.3.23.3.2四象限四象限DCDCDCDC变换器变换器 当VT4保持导通保持导通时，利用VT2、VT1进行斩波控制进行斩波控制，则构成了一组电流可逆的二象限D

29、CDC变换器，此时UAB0，变换器运行在一、二象限一、二象限 当VT2保持导通保持导通时，利用VT3、VT4进行斩波控制进行斩波控制，则构成了另一组电流可逆的二象限DCDC变换器，此时UAB0，变换器运行在三、四象限三、四象限四象限DCDC变换器电路是典型的桥式可逆电路典型的桥式可逆电路，具有电流可逆电流可逆和电压可逆和电压可逆的特点双向双向DCDCDCDC变换器变换器a) 电池充电状态 b) 电池放电状态 (Ui-Uo)ton=(Ui+Uo)toff (Ui-Uo)TD=(Ui+Uo)T(1-D) Uo=UiD-Ui(1-D)=Ui(2D-1) 3.3.33.3.3多相多重多相多重DCDCD

30、CDC变换器变换器 以上所讨论的二象限、四象限DCDC变换器实际上是为了扩大扩大DCDC变换器的运行象限变换器的运行象限而由基本DCDC变换器组合而成，因此，二象限、四象限DCDC变换器实质上属于复合型DCDC变换器 采用一般直流变换器作为供电电源时，输出电压波纹不可避免，尽管设置滤波环节，但基于经济和技术上的考虑，滤波参数往往不能太大。 鉴于输出电压和负载电流的脉动都与调制频率有关，考虑提高调制频率来达到减小平波电抗器的体积与重量。但调制频率受开关器件的开关频率限制。3.3.33.3.3多相多重多相多重DCDCDCDC变换器变换器v 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

31、波电路而构成的v 不仅可以扩大变换器容量扩大变换器容量，而且通过适当的斩波控制还可以提高并联提高并联DCDC变换器输出的等效开关频率变换器输出的等效开关频率，以降低降低变换器的输出谐波变换器的输出谐波。3.3.33.3.3多相多重多相多重DCDCDCDC变换器变换器 图3-12a表示出三个buck变换器并联并联的复合型DCDC变换器电路 如果将三个buck变换器的开关管驱动信号在时间上分别相差开关管驱动信号在时间上分别相差1/3开关周期开关周期，即采用移相斩波控制移相斩波控制，那么这种三个buck变换器并联的复合型DCDC变换器输出的等效开关频率将是单个等效开关频率将是单个buck变换器开关频率的三倍变换器开关频率的三倍，从而有效地降低了变换器的输出电流谐波3.3.33.3.3多相多重多相多重DCDCDCDC变换器变换器 其单个变换器的驱动信号及相关电流波形如图3-12b所示 由于输出等效开关频率的提高，在一定的输出谐波指标一定的输出谐波指标条件下条件下，可有效地减少了输有效地减少了输出滤波器的体积出滤波器的体积，降低变换器的损耗 这种采用移相斩波控制复合型DCDC变换器，虽然提高提高了输出等效开关频率了输出等效开关频率，但由于其单个的开关频率不变单个的开关频率不变，因而变换器的开关损耗并不开关损耗并不因此而增加因此而增加