陈坚--电力电子学(第三章----直流直流变换器)

电力电子学

——电力电子变换和控制技术（第二版）

第3 章

直流/直流变换器

3 直流/直流变换器

3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）

3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器）

3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4 两象限、四象限直流/直流变换器

*3.5 多相、多重直流/直流变换器

3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器

小结

3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）

3.1.1 电路结构和降压原理

3.1.2 电感电流连续时工作特性

3.1.3 电感电流断流时工作特性

如何实现降压变换？

R L

s

V V i R

O

O S

V CE

R R L

g

I V i O

O S

V R L

g

I T

O V i O

O

R

i

V +T

E

G D

i

i g

V i o

i C

C

i buck 电路图

-

+

-

L L

i l

v EO

v C

o o

V O

3.1.1 电路结构和降压原理

1.理想的电力电子变换器

2.降压原理

3.控制方式

4.输出电压LC滤波

全控型开关管

续流二极管

LC输出滤波

负载Buck变换器电路

1. 理想的电力电子变换器

为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：

（1）开关管T 和二极管D 从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；

（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；

（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；

（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。

O

O S S I V I V

2. 降压原理

对开关管T 加驱动信号V G ,开关周期为T S

S

S

off

on S O DV V T T V V ===πθ

2

S

L D S

EO i i i V ===0

υS

on DT T =

L

D EO i i ==0

υS

on S off T D T T T )1(-=-

=

输出电压

1)

-(3 )cos()(1

0∑∞

=+=n n EO t n a C t ωωυ2)

-(3 221

21)(21

20

s S S EO o O DV D V V t d v C V ====

=?

ππ

θπωπ

π

变压比为M

3)

-(3 2/πθ?===S S S O V DV MV V n 次谐波幅值4)-(3 )sin(2)2sin(2ππ

θ

πnD n V n n V a S S n ==5)

-(3 )cos()sin(2)(1∑∞

=?+=n S

S EO t n nD n V DV t V ωππ

ω输出电压的直流平均值

将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中

3.控制方式

改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，

。

即可改变变压比M, 调节或控制输出电压V

O

(1) 脉冲宽度调制方式PWM (Pulse Width Modulation)

开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度θ

(2) 脉冲频率调制方式PFM（Pulse Frequency Modulation）

脉宽θ不变，改变开关频率或周期。

Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？

全控型开关管续流二极管

LC 输出滤波

负载

Buck 变换器电路

4.输出电压LC 滤波

滤波电感的作用：

对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：

对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。

Q ：如何选取LC ？

直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck 开关电路的输出

端与负载之间加接一个LC 滤波电路，减少负载上的谐波电压。

3.1.2 电感电流连续时工作特性

Buck变换器有两种可能的运行工况：

（1）电感电流连续模式CCM(Continuous Current Mode)：

指电感电流在整个开关周期中都不为零；

（2）电感电流断流模式DCM（Discontinuous Current Mode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。

二者的临界：

称为电感电流临界连续状态：

指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。

1.电流连续时只有两种开关状态

6)

-(3 O S L S V V dt di L dt di L -=?=?7)

-(3 D Lf V V T D L V V T L V V i S

O

S S O S on O S L ?-=??-=?-=?+9)

-(3 )1()1(D Lf V T D L V T L V i S

O

S O off O L -=-=?=?-8)

-(3 O S V dt di L -=?(2) 开关状态2：T 管阻断, D 管导通

(1) 开关状态1：T 管导通,D 管阻断

Q: 电流连续模式跟哪些因素有关?

2. 变压比、导通比的定义

S

on T T D /=0/S

M V V =s

on DT T =s

off T D T )1(-=变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法

导通比（占空比）：

变压比：

用波形积分的方法求变压比

v EO 的直流分量V 0为:

2

02

2

2

11s s on on T EO T s T S T S

S on s S

V v dt

T V dt

T V T T D V -=

==?=??

?

周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：

[]

∑∞

=++=1

0)sin()cos()(n n n t n b t n a a t F ωωω?

?

?=

=

=π

π

ωωπ

ωωω20

20

00)

()(21

)()(1)(1t d t F t d t F T

dt t F T a T )

()cos()(1)cos()(220

0t d t n t F dt t n t F T a T n ωωωπ

ωπ

?

?=

=)

()sin()(1)sin()(220

0t d t n t F dt t n t F T b T n ωωωπωπ

??==

周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：

[]

∑∞

=++=1

0)sin()cos()(n n n t n b t n a a t F ωωωF(ωt)也可表达为：

∑∞

=++=1

0)

cos()(n n n t n C C t F θωω?

?=

==π

ωωπ

20

000)

()(21

)(1t d t F dt t F T a C T 22n

n n b a C +=

1

2sin()cos S EO S n S

v DV nD n t

n V T πω∞

==+∑

在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。

?偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；?半波对称(镜对称) 函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；

Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波?

滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL

滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC 如果：

C

L ωω1>>?各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。?直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。

滤波