第4章 直流直流变换器 ppt课件.ppt

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1、第4章直流-直流变换器主要内容:降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系;全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理;影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素;几种不同变换器的开关利用率。4.1简介直流-直流变换器也称为斩波器,通过对电力电子器件的通断控制,将直流电压断续地加到负载上,通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器主要有如下几种基本型式:1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)3.

2、降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)4.丘克直流-直流变换器5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter)4.2直流-直流变换器的控制基本的直流-直流变换器和它的输出波形开关管导通时,输出电压等于输入电压Ud;开关管断开时,输出电压等于0。输出电压波形如上图所示,输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts—开关周期D—开关占空比,改变负载端输出电压有3种调制方法:1.开关周期Ts保持不变,改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。2.开关管导通时间ton保持不变,改变开关周期Ts。3

3、.改变开关管导通时间ton,同时也改变开关周期Ts。方式1的PWM是最常见的调制方式,这主要是因为后2种方式改变了开关频率,而输出级滤波器是根据开关频率设计的,显然,方式1有较好的滤波效果。图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco,该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号,控制开关管的导通和关断,得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。按照控制电压和锯齿波幅值的关系,开关占空比D可以表示成:(4-2)直

4、流-直流变换器有两种不同的工作模式:1.电感电流连续模式2.电感电流断续模式在不同的情况下,变换器可能工作在不同的模式。因此,设计变换器和它的控制器参数时,应该考虑这两种不同的工作模式的特性。4.3降压变换器降压变换器也称为Buck变换器,正如名字所定义的,降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。在实际应用中,有如下问题:1.实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载,也总有线路电感,电感电流不能突变,因此,图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路,则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载;2.在大多数应用中需要的是平

5、稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。图4-3降压变换器电路原理图图(a)所示的输入电压Uoi的波形,可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量,如图(b)所示。采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs,经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大,则输出电压的瞬时值不变,即uo=Uo。在稳态情况下,因为电容电流平均值为0,所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。4.3.1电

6、流连续模式时的工作情况在开关管导通期间ton,输入电源经电感流过电流,二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo,如图4-5(a)所示。这个电压引起电感电流iL的线性增加;当开关管关断时,由于电感中储存电能,产生感应电势,使二极管导通,iL经二极管继续流动,uL=-Uo,电感电流下降,如图4-5(b)所示。输出电压(4-5)因此,在电流连续模式中,当输入电压不变时,输出电压Uo随占空比而线性改变,而与电路其他参数无关。忽略电路所有元件的能量损耗,则因此故有(4-6)因此,在电流连续模式下,降压变换器相当于一个直流变压器,通过控制开关的占

7、空比,可以得到要求的直流电压。由式(4-6)有,输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系,但当开关管断开时,瞬时输入电流从峰值跳变到0,这样对输入电源会有较大的谐波存在,因此,在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。4.3.4输出电压纹波在前面的分析中,假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而,实际上,输出电容值是有限的,因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。电压纹波的峰-峰值△Uo为:(4-24)式(4-24)表明:通过选择输出端低通滤波器的角频率fc,使fc<

8、当变换器工作在电流连续模式时,电压脉动与输出负载功率无关。对电流断续模式的情况也可做类似的分析。在开关模式的

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