高等电力电子技术 教学课件 作者 张兴 等 第二章.ppt

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1、AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术第二章电力电子拓扑基础以基本开关变换器为基础，通过对偶设计法、三端开关模型法、开关变换器级联法实现电力电子拓扑结构的设计1234开关变换器拓扑概述开关变换器拓扑的对偶法设计基本内容开关变换器的拓扑叠加设计第二章电力电子拓扑基础开关变换器拓扑的三端开关模型法设计2.1开关变换器拓扑概述2.1.1开关变换器的基本拓扑2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则2.1.1开关变换器的基本拓扑在电力电子技术中，一般将开关变换器按能量变换形式分为四大类，AC-DC变换器,

2、DC-AC变换器,DC-DC变换器,AC-AC变换器。无论是何种变换类型，开关变换器都存在一些基本的拓扑结构。名称电路拓扑优点缺点用途Buck电路简单，动态特性好。输入电流是脉动的，EMI大;功率开关管发射极不接地，驱动电路复杂。降压变换Boost输入电流连续，EMI小；功率开关管发射极接地，驱动电路简单。二极管的电流是脉动的，输出电流纹波较大。升压变换Cuk输入、输出电流都没有脉动，EMI小，输出纹波小；既可升压也可降压；功率开关管发射极接地，驱动电路简单。多了一个滤波电感和一个能量传递电容，输入输出极性相反。升压－降压变换2.1.1开关变换器的基本拓扑

3、由于各种开关变换器基本拓扑结构的不同，使得其各自的用途、特点等都各不相同，以下列出几种相关开关变换器的拓扑及其基本特征。Sepic输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量相对大。既可升压也可降压Zeta输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量大。既可升压也可降压半桥式结构简单，只要两个功率开关管。电压利用率低，功率开关管的电流应力较大。适合低电流输入的场合全桥式电压利用率高，功率开关管的电压应力和电流应力都较小。结构复杂，需要四个功率开关管，成本高。适用于大容量场合2.1.1开关变换器的基本拓扑推挽式驱动不需隔离，变

4、压器双端磁化，只要两个功率开关管。变压器绕组利用率低，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁。适合低压输入的场合二极管钳位式多电平桥不存在动态均压问题。输出波形质量有较大改善，输出电压的也相对减小，动态响应好。需要多个钳位二极管，存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合飞跨电容式多电平桥开关方式灵活，对功率器件保护能力有功功率又能控制无功功率较强，既能控制。需要多个钳位电容，也存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合矩阵式输入电流、输出电压、功率因数均可控，且能量能双向流动。功

5、率器件数量多且结构复杂，控制难度大。适合能量可双向流动的高品质电能转换2.1.1开关变换器的基本拓扑为讨论简便起见,本课程将以BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC、ZETA六种基本开关变换器为基础研究电力电子拓扑结构的相关规律。2.1.1开关变换器的基本拓扑2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元将含有二极管或功率开关管的基本单元称之为“基本开关单元”。根据功率开关器件所在不同开关变换器中的拓扑结构和特点，可将其分为三类。二端开关单元三端开关单元基本变换单元基本开关单元1.二端开关单元二端开关单元是指：由二极管和功率开关管组成的具有

6、二个端口的基本开关单元，主要包括：单向开关单元、准双向开关单元以及双向开关单元三种拓扑结构。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元（1）单向开关单元a)b)图2-1单向开关单元电路拓扑a)单向不可控开关单元b)单向可控开关单元单向开关单元是指电流只能单向流通的基本开关单元。单向开关单元包括可控和不可控单向开关两种基本单元，其中单向不可控开关单元由单个二极管构成；而单向可控开关单元则由单个功率开关管构成。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元（2）准双向开关单元a)b)图2-2准双向开关单元电路拓扑a)准双向电流开关单元b)准双向电压开关单元准双向开关单元是

7、指电流或电压能双向通过，但只有正向可控的基本开关单元。准双向开关单元分为准双向电流开关单元和准双向电压开关单元，它们都同时包括二极管和功率开关管。2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元（3)双向开关单元图2-3双向开关单元电路拓扑双向开关单元是指电流能双向可控的基本开关单元。双向开关单元主要包括四种结构：二极管桥式、共射背靠背式、共集背靠背式、双管反并式。a)二极管桥b）共射背靠背式c）共集背靠背式d）双管反并式2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元2.三端开关单元三端开关单元：由功率开关和二极管构成的具有三端口输出的基本开关单元。那么三端开关单元具有怎样

8、的拓扑结构呢？2.1.2开关变换器拓扑的基本开关单元从上图所示的6