第二章直流变换电路.docx
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第二章直流变换电路
第二章:
直流变换电路.txt3努力奋斗,天空依旧美丽,梦想仍然纯真,放飞自我,勇敢地飞翔于梦想的天空,相信自己一定做得更好。
4苦忆旧伤泪自落,欣望梦愿笑开颜。
5懦弱的人害怕孤独,理智的人懂得享受孤独本文由逝水1987贡献
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第一节:
概述定义DC-DC:
只对直流参数进行变换的电路一般结构:
直流电源
ud
DC-DC主电路
uo
负载
一.直流变换电路的分类电压换流1.换流过程分为:
电流换流降压电路2.升压电路升降压电路
控制电路
uo 或 uo>ud 1 单向限电路3.双向限电路四象限电路4. U0,I0均为一个方向? ? U0和I0其中之一改变方向U0,I0均改变方向 ? 单相电路: 只有一个电路m相电路: 有m个基本电路,采用时分复用的方法 二.理想直流变换应具备的性能1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制能力强4.高效率小型化 2 三.Application3.1.Driving: 电车,地铁,电动汽车,火车3.2.直流电机调速系统,3.3.照明,氙灯ballast3.4.switchingpowersupply,Eg.Adapter,VRM四.Typicaltopologies: Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk 3 第二节: 单象限降压型电路 一.电路 T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当t∈[0,DT]时,T导通D: 续流二极管L0和C0组成LPF 4 5 二.工作原理当t∈[0,DT]时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,向C0充电当t∈[DT,T]时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持三.假设: 1.T,D均为理想器件2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态 6 四.电路各点的波形 7 五.电路分析1.电感电流iL表达式 t↑,iL↑储能 (1)∧Ud? U0当t=DT时,iL(t)达到最大值,IL=IL(0)+DT (2)L∧U0(t? DT),t↑,C和L放能(3)当t∈[DT,T]时,iL(t)=IL? 当 t∈[0,DT],iL(t)=IL(0)+U d0 UL0 t L0 当t=T时,iL(t)达到最小值IL由于电路达到了稳态,IL=IL(0) ∨ ∨ U0IL=IL? (T? DT)(4)L0 8 ∨ ∧ 所以 (2)式改写为: IL=I ∧ ∨L + U d UL0 0 DT (5) Ud? U0电流增量: ? I=IL? IL=DTL0∧∨U0由式(4)得到: I=IL? IL=? (T? DT)L0 ∧∨ 2.伏秒平衡定律的证明: (6) 所以有 Ud? U0U0DT=(T? DT)L0L0 (7)(8) 得: (Ud? U0)DT=U0(T? DT) ∧∨ 这就是电感的伏秒平衡,实际是对uL的积分,即平均值为零平均电流 IL+ILI0=2 (9) 9 3.输出电压增益由(8)式得: AV=当D改变,U0改变 U0=DUdU0=DUd Pd=IdU UoAV=Ud 输出电压平均值输入电压平均值(10) 4.输入电流平均值Id 输出电压 d =U0I0 输出电流 1I0=IdD 输入功率电流 10 5.输出电压纹波分析当C0→∞,U0=const,但Co为有限值 iL=iC+I0 电感电流 负载电流 iC=iL? I0 电容电流C充电C放电 情况1: iL>I0,iC>0,情况2: iL 11 1(1? D)当t∈[DT,DT+T]时,电容充电,其电荷量为Q22 DT+ Q= (1? D)T2L ∫idt 1在t∈[DT,DT]时,阴影部分的面积为: 11112S1=[? IL×DT]=? ILDT 1DT2 实际上就是图I中的阴影部分的面积L 1在t∈[DT,DT+D0T]时,阴影部分的面积为: 2 22 2 8 12 1111S2=[(? IL)×(D0T)]=? ILD0T222811? ILQ=S1+S2=? ILDT+? ILD0T=T888 Q? IL? U0==TC08C0 把式(7)? I=(7) U0U0? I: (1? D)T代入上式得: ? U0=LT=D0T2L08C08C0L0 所以当? U0与U0给定后 D0U0C0=? 28L0f? U0 当D0最大时,用D0H,C0的最大值COM为 COM D0HU0=? 28L0f? U0 13 6.保持电流连续的临界电感值由iL的图形可知,由(7)式可知∨U0? IL=I0? I=I0? D0T22L0当I=0时,iL电流处于临界连续状态 ∨ U0I0=D0T2L0KU0D0TR0D0T∴L0k=? =I022当D0取最大值时,D0=D0H,L0K=L0km 当L0>L0km时,iL处于连续状态 L0km R0D0HT=2 14 六.电流断续时的状况1.求Av根据伏秒平衡律: uC (Ud? U0)DT=U0DPTUdD=(D+Dp)U0U0DAV==UdD+DP 2.求Dp iL DT T ∧ IuL DTDpT ud? u0 U0I=DPTL0 ∧ 1∧I(D+DP)TU01∧2平均电流: I0==I(D+DP)=DPT(D+DP)T22L015 I0= U0UDPT(D+DP)=o2L0Ro 2Lo2=Dp+DDPR0T D2+8L0/R0T解得: DP=22AV=1+1+8L0/R0TD2 D+ 16 七、TypicalApplications BuckThreePhasesInvertersSignalPhasesInvertersLowv/highILoad交流调ACmotor速系统illuminingHidLampsystem Buck Buck Switchingpowersupplesystem二次电源 Buck HighV/LowILoad Switchingpowersupplesystem一次电源 17 作业1,比较CCM和DCM工作时,电压增益和电流增益公式,电感上电压的差别。 2,试述CCM和DCM工作的优缺点。 3,试述伏秒平衡和电荷平衡定律。 4,画出电容器高频等效电路,并说明其频率特性。 18 第三节: 单象限升压型直流变换电路一.电路二.工作原理 t∈[0,DT],当u>0,Von,Voff,u=UiTDLd t∈[DT,T],ui=0,VT/off,VD/on,uL=ud? U0 三.连续模型分析1.直流增益Av根据伏秒平衡律: UdDT=(U0? Ud)(1? D)TAV=U01=UdD0 19 说明: 1) D0<1,AV>1,所以U0>Ud是升压电路 可以调压 Ud2)U0=,D0↑,D↓,U0↓D0 TwoModes: 能量的传输Mode1: 0 Load Mode2: DT 20 2.电流增益AI根据无耗网络的定义: Pd=P0UdId=U0I0 I0UAI==IdU 3.电流的分析当t∈[0,DT],id(t)=IdM+ d0 =D0<1 UdtL0 UdUdtDT→? I=Idm? IdM=DT当=DT,id(DT)=Idm=IdM+L0L0U? Udt∈[DT,t],id(t)=Idm? 0(t? DT)当L0U? Udt=T,id(T)=IdM=Idm? 0D0TL0 电荷平衡 21 平均电流 Id= Id= Idm+IdM2 Idm+Idm? ? I? I=Idm? 22 所以 Idm=Id+ Ud? I=Id+DT22LdUd? I+=Id? DT22Ld 同理可得: 4.波形: IdM=Id 22 5.考虑电感rL时的情况 求平均输入电阻RK=UK=D0U0=D02R0I0IKD0U0U0UKD0RL1RKAV==? =? =UdUKUdD0RK+rLrL+D0RL P0Id2RK11RKη==2===2rLrLPdIdRK+IdrLRK+rL1+1+RKD02R0 23 6.TypicalApplications (1) Acinput90~260VBoosttypePFC400vDCBUSUniversalLinePowerSupply Acinput90~260VThreePhaseAcinputAcinput90~260V BoosttypePFCBoosttypePFCBattery Under500W/DCM500~5000WOver500W/CCMLoadBoosttypePFC ThreephasesPFCUInverterPS 24 UninterruptablePowerSupply UnionPostService 6.TypicalApplications (2) Battery12vBoosttype400vDCBUSCar’sInverterHMLampLightingSolarenergyLighting PhotoBattery Boosttype Inverter HMLamp homework‘s: 1.todesignaBuckconverteranddosimulation.Specification: f=25KHz,Ui=300v,Uo=150v,Io=6A,? Io=1A,? Upp=10v;2.todesignaBoostconverter.Specification: f=100KHz,Ui=150v,Uo=300v,Io=6A,? IL=1A,? Upp=10v; 25 第四节: 单象限升/降压直流变换电路(Buck-Boost)一.电路输入和输出反相二.工作原理: 在T导通时,D截止,电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变;在T/off时,Don,把存放在中的能量释放给负载和电容三.连续模型的分析方法1.电压增益根据伏秒平衡律: UdDT=U0D0T U0DAV==UdD0 26 1 D=D0=0.5 D>0.5,boost A0= >1<1 D<0.5,Buck UdDT=? Id=? ILLd UdDT1+? IL=Id+22Ld 2.输入电流脉动输入电流增量: 输入电感电流的最大值: Idm=Id U0DDU0I0=I0=? 由无耗性可知: UdId=U0I0,Id=UdD0D0R0 Idm=U0(DTD+0)D0R02Ld 27 3.输出电压的脉动值当VTon,VDoff时,电容C0放电维持输出电压 du0U0=? dtR0C0 U0? U0=? DTR0C0 U0DT∴=U0R0C0 U0D↑,↑,CU0 4.考虑rL的影响 0 U0↑,↓U0 选大电容可以消除U0的脉动 P0η=2P0+ILerL 若iL的纹波很小时,平均值与有效值相等IL=ILe 28 在求均值时,电感短路,电容开路,所以: IdILD1IL=Id+I0? =1+=1+=I0I0D0D0I0IL=D0I02rLI0U0P0rL2ILrL==2rL=22D0D0R0D0R0 η= 1rL1+2D0R0 作业: 计算T和D的耐压。 29 第五节: 单象限的CUK电路一.CUK电路的特点: 1.输入,输出电流皆没有脉动,只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波2.电压增益AV=0~∞3.开关晶体管发射极接地4.输入输出电压反向二.CUK电路 30 三.工作原理: 这个电路的关键是靠C1传输能量 uC1=Ud+U0 在t∈[0,DT]期间,VT/on,Vd/off,输入电路: Ud给L1充磁,L1,L2中的能量均是增加的输出电路: Uc1给L2充磁在t∈[DT,T]期间,VT/off,Vd/on,输入电路: 把L1中的存能送给C1,给C1充电,L1,L2中的能量均是减小的输出电路: 靠L2,C2中的存能维持输出电压基本不变 VTon,VDoff等效电路 VToff,VDon等效电路 31 四.电路分析(连续模型)1.均值等效电路 T Q∫uLdt=0所以电感两端的均值电压为0,相当于虚短 0T ∫idt=0 c0 所以电容中的电流的均值为0,相当于虚断 32 2.CUK均值等效电路 UC1=Ud+U0 <1> 3.电压增益L1电压的瞬时值: uL1= Ud t∈[0,DT] Ud? uC1t∈[DT,T] 若C1,C2较大,认为电压恒定即: uC1=UC1,UC2=U0所以: uL1= UdUd? UC1=? U0 t∈[0,DT] <2> t∈[DT,T] 33 L2电压的瞬态值: uL2= uC1? U0=Ud? U0 t∈[0,DT]t∈[DT,T] (3)) 结论: 如果C1,C2→∞,则uL1=uL2根据伏秒平衡律: (4)) UdDT=(1? D)TU0=D0TU0 D1∴AV==? DD0D0 (5) 34 CUK: 1DAV==? DD0D0 Buck: AV=DBoost: AV=D0所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与Boost增益的积 I0D0=电流增益: AI=IdD 4.输出,入端电流脉动入端: 出端: Io= (6) UdDT? Id=L1 (Uc1? U0)DTUdDT=L2L2 (7) (8) 35 上式说明: 如果L1↑,? Id↓,如果L2↑,? Id↓式(7)和式(8)相除得: di0did? IdL2=? L2=L1? I0L1dtdt 上式再次证明了uL1=uL2的结论输入电流的最大值: 输出电流的最大值: VT电流最大值, Idm? IdD0UdDT=Id+=I0+2D2L1? I0UDT=I0+d2L2 (9) I0m=I0+ (10) ITM=Idm+I0m 36 注意: iT的最大值发生在t=DT与Id,I0的最大值同时发生5.波形(自己画) 37 6.考虑L1,L2内阻的分析均值等效电路 r1AV0'U0=Udr1+R0U0∴Ud=AV0K1 ' r1令K1=r1+R0 r1U0D0U0Ud=Idr1+U=? +R0DK1AV0 'd D0D0UCId=I0=? DDR0 U0K1AV01∴AV===r1r1D01Ud1+K1? +R0R0DK1AV0 38 第六节: 双象限直流电压变换电路一.双象限电路的分类<一>输出电流平均值I0极性可变 DUd? U0原理: I0=当DUd>U0,I0>0,当DUd 输出电流: I0负载等效电压: U0输出电压: U0=DUd恒大于零应用: 负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统(减速运行)正转制动力 U0 正转 I0 39 典型电路: 1)Buck与Boost组合电路,工作在Buck电路时,电源向负载传输能量,工作在Boost电路时,负载向电源反馈能量2)双向CUK电路U0? U2分析输出电压均用正向传输电路;分析输出电流I0=<二>输出电压U0极性可变电路原理: 靠改变占空比改变U0的极性应用负载为电机时,构成可逆调速系统 R0 U0正转 反转制动典型电路: 双管正激电路<三>电机负载下输出电压和输出电流的分析方法 40 I0 1.等效电路: + u0 - i0 令R0≈0 1T2.求E值.在稳态时,E=∫u0dtT0 3.求u0的均值U0是根据开关电路决定4.求i0的表达式 di0令R=0,根据u0的瞬态表达式L0=u0? U0dt 41 第七节: 四象限桥式直流变换电路一.四象限桥式直流变换电路概述1.应用具有摩擦负载的可逆直流调速系统2.优点: 以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高,响应速度快同频电路单极性电路倍频电路全桥电路3.分类: 3.: 双极性电路半桥电路4.双极性电路: 指在一个斩波周期内,输出电压u0只有一个极性变换的电路 u0= Ud? Ud t∈[0,DT] t∈[DT,T] 42 UdDT? Ud(1? D)Tu0的平均值U0==(2D? 1)UdT 由上式可知: U0随D改变而改变特点: 电流脉动大,但不会出现断续情况5.单极性电路: 在一个斩波周期内,输出电压仅有幅度变化而无极性变化 当us>0,u0= ud 0 t∈[0,DT]t∈[DT,T] 当us>0,u0= ud 0 t∈[0,DT]t∈[DT,T] 43 平均值: us>0,U0=DUd;us<0,U0=? DUd特点: 电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况6.同频电路: 输出电压的斩波频率为f,开关元件的开关频率为fs同频电路: f=fs倍频电路: f=2fs正转制动7.电机调速系统的工作二.双级性全桥电路反转反转制动 U0 正转 I0 <一>控制电压的分布(与普通的全桥电路相同) ug1,ug3同相,脉宽为DTug2,ug4同相,脉宽为D0T 44 三种情况: 时区A,D>0.5,I0>0,u0= Ud? UdUd UdUd 时区B,D=0.5, I0=0, u0= 时区C,D<0.5, I0<0,u0= Ud 控制信号与占空比D的关系 1D=(1+ρ)2usρ=USM 最大控制电压 45 <二>工作过程分析: 只讨论D=0.5 DTt∈[0,],ug1,3=1,ug2,4=0,VT2,4off因为i0<02 VT1,3不能on,而VD1与VD3on,u0=Ud,i0↑ DT当t=
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- 第二 直流 变换 电路