哈工大现代电力电子技术课件1-DC-DC
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2024版年度电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧， 提高学生的综合素质和能力。
36
08
电力电子技术应用案例
2024/2/3
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT） 技术、逆变器并网技术、 孤岛检测与保护技术等。
2024/2/3
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/2/3
30
高效能交流调压和交-交变频系统设计
01
02
03
系统设计要求
高效能、高可靠性、低谐 波污染、良好的动态响应 特性等。
2024/2/3
设计方法
根据实际需求选择合适的 电路拓扑结构和控制策略， 进行参数设计和优化。
实现方式
采用先进的控制算法和电 力电子器件，结合仿真和 实验手段进行验证和优化 设计。
29
软开关技术在交流调压中应用
软开关技术基本原理
通过在电路中引入谐振电感、电容等元件，使得开关器件在零电压 或零电流条件下进行开关转换，从而减小开关损耗和电磁干扰。
在交流调压中应用
将软开关技术应用于交流调压电路中，可以有效减小晶闸管等器件 的开关损耗，提高电路效率和可靠性。
实现方式
采用谐振电路、准谐振电路或零开关PWM电路等方式实现软开关。
2024/2/3
24
直流变换器在新能源领域应用
光伏发电系统
在光伏发电系统中，直流变换器用于将光伏电池板输出的不稳定直流电压转换成稳定的直流 电压，以供后续设备使用。
风力发电系统
在风力发电系统中，直流变换器用于将风力发电机输出的变化较大的直流电压转换成稳定的 直流电压，同时实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，提高风能利用率。
电力电子技术基础课件：DCDC变换——斩波器
Ton
Ton
V0 =
Vs =
Vs = DVs
✓ 负载电压平均值为：
Ton Toff
Ts
✓ 负载电流平均值为：
V0 - Em
I0 =
R
② 当电流断续时
负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
DC/DC变换——斩波器
2、降压斩波电路
iS
_
+ vL
V
iL
例题3-1
L
io
VG
如图所示的降压斩波电路，已知Vs=200V，R=10Ω，
vL
ic
VG
V
解：由于C值、L值极大，故负载电流连续，所以输出电压平均值为：
Ts
40
Vo =
Vs =
50= 133.3 (V )
Toff
40 25
输出电流平均值为：
V0
133.3
Io =
=
= 6.67 (A)
R
20
io
+
C
R
Vo
电力电子技术
DC/DC变换——斩波器
➢ 1. 概述
➢ 2. 基本斩波电路 -- 升压斩波电路的典型应用
升压斩波电路（Boost电路）
✓
升降压斩波电路
✓
Sepic电路
✓
Cuk电路
iS
+
vL
R
C
iVD
_
VD
io
iC
VG
Vo
Buck电路
L
VS
✓
VD
VS
V
+
C
Zeta电路
Boost电路
电力电子技术课件DCDC变换器
I0
I2
2
I1
(3.2.8)
I1I0U2dLTS D(1D)
电力电子技术课件DCDC变换器
4.1.1 Buck变换器
电感电流iL临界连续状态：
变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 I1I0U2dLTSD(1D)
可得维持电流临界连续的电感值L0为：
Lo
UdTS 2I0B
D(1D)
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
对于日本、美国等国家，使用60Hz工频，计取方式只需把上述的50改为 60即可。
纹波电压通常用有效值或电峰力值电子表技术示课。件DCDC变换器
4.1.1 Buck变换器
纹波电压的危害
1、容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害；
2、降低了电源的效率；
3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。
✓
U 0T 1S0 TSu0(t)d TttoST n1S U(d 0 toDu ndUddttT oSn 0d)t
ü 忽略器件功率损耗，即
输入输出电流关系为：
IO
Ud UO
Id
1 DId
电力电子技术课件DCDC变换器
降压电路及其波形图
4.1.1 Buck变换器
Buck变换器的可能运行情况：
实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器
隔离。
电力电子技术课件DCDC变换器
4.1 直流变换电路的工作原理
❖ 工作原理：图中T是可控开关，R为纯阻性负载。在时间 内当开关T接通时，电流经负载电阻R流过， R两端就有 电压；在时间内开关T断开时， R中电流为零，电压也变 为零。
✓ 电路中开关的占空比
现代电力电子技术课件-DC-AC converter
1、PF — Power Factor：
PF P UI1 cos cos
S UI
Υ=I1/I — current harmonic factor cosφ — displacement factor
2、distortion—harmonic evaluate
① DF — Distortion factor
uO
inverter rectifier
Ui /2
O
Ui /2
S1 D1
L
R iS1
iD1
uO
S2 D2
iD2
iO
iS2
no matter what direction of the current
uO
Ui 2 Ui 2
S1 S2
★ operating waves of half-bridge inverter
1 single-phase bridge SPWM inverter
★ bipolar modulate：
S1 D1
S3 D3
L
R
S1 uM u△
S4
uM u△
t
Ui
S2 D2
uO iO
S4 D4
S2 S3
u△ uM
diagonal complementary control
uO
uO
U U
i i
DF Un2
n2
n23
U1
② THF — Total Harmonic factor
THF Un2 n23
U1
③ HF — Harmonic factor
HF Un U1
④ LOH — Lowest-order Harmonic
《现代电力电子技术》课件
交流调制技术
1
原理
用逆变器将直流电压转变为交流电压，再对交流电压进行调制，的信号与高频三角波叠加，得到PWM信号。
3
三角PWM控制
将需要控制的信号与低频三角波叠加，得到PWM信号。
开关电源技术
工作原理
利用功率开关器件的导通和断开， 将高频电源变换成低压稳定直流电 源。
现代电力电子技术
电力电子技术涉及电能的控制、变换和传输等方面，已经成为现代电力工业、 交通运输、通讯、计算机等各个领域中的关键技术。
概述
定义
电力电子技术是控制和变换电 力的一种新兴技术领域。
应用领域
广泛应用于交通运输、轨道交 通、新能源、家电、通讯和计 算机等领域。
发展历程
20世纪50年代发展并日渐成熟， 80年代达到高峰，90年代后进 入了新的发展阶段。
结语
1
电力电子技术的未来
电力电子技术将继续发挥更大的作用，推动新能源发展。
2
相关学科和领域介绍
电机与电器、电力系统、电力电子等学科和领域紧密相连。
3
总结
电力电子技术在现代社会中扮演着重要的角色，将会继续深入发展和应用。
滤波器设计与优化
电源滤波器、信号滤波器、噪声滤波器等滤波器都 可以用来消除共模噪声。
变频技术
基本原理
将恒定电压变为可调电压、可以调 制频率的交流电源。
电机驱动
变频器是电机驱动的核心装置，根 据不同的负载条件可以调整输出频 率和电压。
实际应用案例
应用于风能、太阳能、水能、地热 能等大规模新能源并驱动各种电动 机械设备。
电路设计
4
电路包括逆变电路、滤波电路和输出负载等 部分。
共模噪声抑制技术
现代电力电子技术课件DC-DC Full-Bridge converter
§7.1 PS ZVS FB Converter
Q1
Q4
ip v AB
V in 0
Q3 Q2
V in
Q1 Q4
vrect
sub-side rectified voltage
0
t0 t1 t2 t3 t4 t5
V in / k
t6 t7 t8 t9 t10 t11
Q3
全桥PWM电路的控制方式
Q1 Q2 Q3 Q4
（1）双极性控制方式
Q1 Q2 Q3 Q4
（3）有限双极性控制方式1
Q1 Q2 Q3 Q4
（2）移相控制方式
Q1
Q4
ip v AB
V in 0
Q3 Q2
V in
Q1 Q4
vrect
sub-side rectified voltage
0
t0 t1 t2 t3 t4 t5
V in / k
t6 t7 t8 t9 t10 t11
Q3 t 1.Problem for the Lr flywheel energy which
C1
A
D3
C3
Q2 B
Q4
D2
C2
D4
C4
ip
Lr
DR1 C L f
t
LS1
Cf
RLd
LS 2
D
lead bridge-arm
DR2
lag bridge-arm
t t12 t13
Q1
PS ZVS FB Converter V in
Q3
D1
C1
A D3 C3
Q2 B
ip Q4
D2
C2
现代电力电子技术课件-DC-DC converter
Ui
DT
(D
1 )T
/T
UiT 2L
D(D
1 )
IO
UiT 2L
D1
WM
1 2
LI
LM
2
Input current protect Output voltage protect
2 Output voltage ripple
uL Ui -UO
-UO
iL t
suppose：steady and continue
D
uL
Ui
(1-D)T
t
DT
-UO
Ui
L
C
iL
iO
Uo R
iL
I LM
IL
I Lm
IL
Ui DT UO (1 D)T 0
UO D Ii Ui 1 D IO
I LC
Ui DT 2L
UOT 2L
(1
D)
iOC iL ii IO I L Ii
IOC
UOT 2L
(1
D)2
UO Ui
1 2L
DT
0
uLdt
DTUi 2L
capacitor current increment
TUO D(1 D) 2L
IiC
I LCM
TUO 8L
D0.5
IOC (1 D)IiC
TUO D(1 D)2 2L
IOCM
2TUO 27L
D1 3
iL ii L
D
iD iO
R
Ui
S
Uo
C
S-off
iL 0
C
R Uo
1 Different states of induction current
哈工大课件DC-DC技术-文库
4 I LCM D ( 1 D )
I LCM
TU i 8L
Ui
UO
ton
toff
t
DT
(1-D)T
uL
Ui -UO
-UO
iL
I LM
I Lm
I LC I LCM
0
Io I LC 连续
Io I LC
断续
0.5
D 1
Q1
Vdc1
300V D1
L1
300uH
C1 470uF
I LC I R1 20ohm LCM
稳定状态下：
ULT1
T
0 uLdt0
0 tON (U iU o)d ttT ON U od t0
(U iU o)tON U otOFF
(U i U o )D U T o (1 D )T
Uo tO TNUi DUi
PL / C 0
Pi Po U i I i U o Io
Io 1 Ii D
n 0 1Co0
感性大，对开关电压谐波尖峰无缓冲。
ESR
E SR
ESL
Rc
E SL
Co
Rc漏电阻
很大
选用高频电容
缩短C引线，减小分布电感； 多电容并联，减小ESR。
5 仿真分析
Vdc1
例：计算临界电感； 计算电压纹波；
Q1
300V
D1
L1
300uH
C1 470uF
R1 20ohm
fS 20kHz D 0.5
fC
2
1 LC
0.424kHz
fS
L 300H C 47F
L 250H
Uo 1.66V fC 1.34kHz f S
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iL iO
R
L
Ui
D
C
Uo
S 导通
Ui
C
R
Uo
L
iL 0
电感电流： 连续 (CCM-Continuous Current Mode) 临界 断续(DCM-Discontiuous Current Mode) 电压纹波、谐波、内阻 ……
S 阻断
iL 0
C
R
Uo
C
R
Uo
1 电流的不同状态 ★ 电流连续状态： 稳定状态下：
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
D对UO的调节规律？
Io I L
t
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
∆1T ∆2T
Uo D U i D 1 D D I o / 4 I LCM D D2 2 D I o / 4 I LCM
1
Uo 1T ( D 1 ) 2L U iT D 1 2L TU i I LCM 4 I LCM D 1
t
IL
iL ILm uo
I LM
1 (1 D )T U I L 0 uLdt o (1 D)T L L
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
Q
IO
T/2
UO
UO
fC
1 f S 2 LC
2 2
放电
充电
放电
充电
fC U o (1 D) Uo 2 fS
uC
L1 iO D C1 R UO
D C S Ui iS
uD
uC L iL uD D1 L1 iO C1 R UO
7 Buck 电路的动态性能提升
iS ii
S L
iL iO
R
基本拓扑的组合及优化
Uo
Ui
D
C
拓扑结构
电感电流变通路的电路 滤波电感的耦合
研 究 概 况
I load
负载补偿电路 滞环控制 线性-非线性控制
控制策略
Vo
t
自适应电压定位控制 V2控制及改进 时间最优控制
t
Buck 电路的动态性能提升 --- 基本拓扑的组合及优化
S1 S2 Vin S3 L1 Vo S4 L2 Co
Load
Vbus
L1 Vin
Vo La1 Co
Load
同步Buck变换器
La 2
交错并联电路
S1 S2 D1 Vin Cb Co D2
两级式电路
L
耦合 电感
Vo
Load
L1 g1
2
1
c
L2 g2
g3
三电平电路
利用自身结构改善动态性能
不依靠外部辅助电路
Buck 电路的动态性能提升 --- 电感电流变通路
S a1 S1 Vin S2
L
L
Step down S a 2
Vo CO
Load
Vo Co
Load
Vin
Da
S
Step down
L 300 H U o 1.66V C 47 F f C 1.34kHz f S
I LC
U iT D(1 D) 2L 300 50 10 6 8L 7.5 A
L 250H
< 开关电流 >
< 电感电流 >
CCM
L=450uH
Q1 L1
Vdc1
300V
D1
D=0.5 C1
470uF
300uH
R1
20ohm
< 开关电流 > DCM
< 电感电流 > L=150uH
6
Buck 电路应用实例：
6
S Ui
Buck 的软开关衍生电路
L iS C uC iD D L1 iO C1 R UO
Ui D C
iS ii
S
L
iL iO
R Uo
C S iS Ui L
1 I o I LM ( D 1 )T / T 2 Uo I 1T ( D 1 ) LM 2L Uo R 2L D 1 2 1 RT
1 0 U 0 dt L 1T U o 1T L
D D2 8 L / RT 1 2
Uo 2 Ui 1 1 8 L /( RTD2 )
UL 1 T
iS ii
S L
iL iO
R
0 uLdt 0
(U i U o )dt U odt 0
tON T
T
Ui
D
C
Uo
0
tON
(Ui Uo )tON UotOFF
(Ui Uo ) DT Uo (1 D)T tON Uo U i DU i T
I LC
1 1 ( ~ ) I 0min 5 3
C ?
由输出电压纹波幅值：
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
得
ESR—Equivalent Series Resistance 等效串联电阻 ESL—Equivalent Series Inductance 等效串联电感
Z RES j(LES
输出电压的谐波:
未经滤波的输出电压，即二极管 反压的富氏级数
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
D
C
Uo
2 uD U i ( D sin D cos t sin 2D cos 2t sin nD cos nt ) n
1.0
2
1
U D UO DUi
D
Sa
控制电感电流Buck变换器
S1 S2 Cb Vin Da D1 D2 Sa
改进的Buck电路拓扑
L
Vo
Step down
Co
Load
改进的三电平Buck拓扑
在负载突变时，改变电感电流通路，提高电流变化率
适用于Ui/Uo较大的场合 串联在功率回路中开关器件会引起损耗问题
§1-2 Boost Converter
8L
Uo / Ui
开环输出特性
D = 1.00 D = 0.75
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1 Io / ILCM
2
输出电压的纹波和谐波
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
设：稳态连续 △IO→C、IO→R 而 IL = IO
uL
Ui -UO
D
C
Uo
U o
-UO
Q 1 1 T I L C C 2 2 2
Ui UO
ton
DT Ui -UO
toff
(1-D)T
t
uL
-UO iL ILm ILM
临界电流平均值：
I LC
ILC ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
断 续 0 0.5 1
I LCM
D
Q1
L1
300uH
ILC
C1 R1 20ohm
Vdc1
300V
D1
ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
C安秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为 0。 即：流经电容的平均电流为0。
uL iC
S1 S2
T
t
S1 S2
S1 S2
★ 电流临界状态：
I LM 1 tON uLdt L 0 1 (U i U o )tON L DTUi (1 D) L
1 I LM 2 U iT D(1 D) 2L 4 I LCM D(1 D) TUi 8L
U DnM
2U i sin nD n
An
U DnM 2 sinnD 2U i n 2
0
D
3
电路内阻的影响
(CCM)
iS ii
S Ui
r
L
iL iO
设：S与D的通态电阻相同，为ron 电感寄生电阻为rL
D
C
R
Uo
r ron rL
UO UO U D R Ao D Ui U D Ui R r
Uo Uo / Io D Ui Uo / Io r
1
Uo I r D o Ui Ui
Uo / Ui
D = 1.00 D = 0.75
电源效率：
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1
PO PO R 2 Pi PO I O r Rr
I o / I LCM
4
输出滤波器参数
470uF
?
U:100V/Div. I:5A/Div
断 续 0 0.5 1
D
D=0.1
D=0.5
D=0.9
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
续流时间＝？
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
t
∆1T ∆2T
(U i U o ) DT 1TUo Uo D Ui D 1 D 1 1 Uo
Forward/ Flyback / Royer Converter/…