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chapter05 DC to DC Converters 《电力电子技术(第5版)》英文版本课件

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电力电子技术双语课件第5-8章

电力电子技术双语课件第5-8章
5.2.1 A current-reversible chopper
5.2.2 Bridge chopper (H-bridge DC/DC converter)
5.2.3 Multi-phase multi-channel DC/DC converters
30
Power
5.2.1 A current reversible chopper
V1
E
VD2
L
V2
VD1
uo
R io M EM
Power
Can be considered as a combination of a Buck and a Boost
Can realize two-quadrant ( I & II) operation of DC motor: forward motoring, forward braking
Single-ended converters • Forward converter • Flyback converter
Double-ended converters • Half bridge • Push-pull • Full bridge
Power
35
5.3.1 Forward converter
5.3.2 Flyback converter
Power
S ton
toff
O
t
N1
N2 VD +
uS
Ui + W1
W2
Uo Ui
t
S
O iS
t
U o N 2 ton
iVOD
Realization using power MOSFET and diode

电力电子技术基础课件：DCDC变换——斩波器

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

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

现代电力电子技术之DC-DC Converter

现代电力电子技术之DC-DC Converter

iL = ii L
D
iD = iO
R
Ui
S
Uo
C
Ii = IL
泵升电压！
=
1 2

1 L
U
i DT
( D 1 )T / T
=
U iT 2L
D(D

1)
IO
=
U iT 2L
D1
EM =12LILM2
输入电流保护 输出电压保护
2 输出电压纹波
uL Ui -UO
-UO
iD
S2
S1
uO
△UO

300
= 0.166V
fC
=
2
1 LC
= 0.424kHz
fS
L = 300H
Uo = 1.66V
C = 47F
fC = 1.34kHz f S
§2-2 Boost Converter
iL = ii L
D
iD = iO
R
Ui
S
Uo
C
电感电流： 连续 临界 断续
电压纹波
S 导通 Ui
ILC=(15~13)I0min
C =?
由输出电压纹波幅值：
Uo =(18LD)CT2Uo
得 C=(1D)DUiT2
8LUO
或
C=UiT2 8LUO
D(1D)Ma=x1/4
注意！高频时电容的等效电路：
ESR—Equivalent Series Resistance 等效串联电阻
ESL—Equivalent Series Inductance 等效串联电感
临界 (CCM-Critical Current Mode)

电力电子技术-5.1直流斩波

电力电子技术-5.1直流斩波

z EM E e ( 1 T1/ E M T TR ) (1 ) T / I 20 e e ) , (1z z R R e 1 R L
上式代入
[t 1,T]
I I 20 I10
E R

1 e
di 1 E EM t / t / L (1 / 0 t t1 i1 EIM10 eRi 1) T E E ME , T(1 Me E M) (1 ) T / E E E M I 10 e e e e dt I R d R R R R 0 T 0 . 5 T I I max R T di 2 ) i 1 ( 0 ) t / I 10 , M ( Ed ( 1 ) T / E L / RE ( t t 1 ) / t 1 E L Ri 2 Ee(1 e0M, (te1 ),) 20 i1 ( t 1 ) M t I T e e e 1 + Ii10 (1 I 20 ) 2 R R dt RR EM T RT T T
输出电压平均值为： ton E (T ton t x ) EM Uo T 负载电流平均值为：
1 (1 m)e t x ln m
电流断续时的波形
t2
t

tx<toff
e 1 m e 1
ton t x 1 m E T
1
t1
5.1.1 降压斩波的工作原理 输出电压平均值 Ua u 0 dt
T
0
t1 T
E ft 1 E E

北京交通大学 电力电子技术 第05章 直流斩波器(DC-DC变换器)

北京交通大学 电力电子技术 第05章 直流斩波器(DC-DC变换器)

ton 不变，调节 T
toff 不变，调节 ton 和 T • 调频调宽混合控制
Beijing Jiaotong University (BJTU)
反馈控制方式： 瞬时值控制（边带控制、 bang-bang控制） 当 i < Imin时，S 开通 当 i > Imax时，S 关断 特点： 输出电流(电压)纹波恒定
Uo Ts 1 U d toff 1 D
Io 1 D Id
Beijing Jiaotong University (BJTU)
5. 3 升降压变换器（BUCK--BOOST变换器）
一、电路结构与工作原理 1、电路结构 2、工作原理 S闭合，Ud向L充电，iL 增大，负载由C供电 S断开， iL通过D向C和 R供电， iL下降 Uo=0~∞
响应速度快
开关频率变化较大
Beijing Jiaotong University (BJTU)
平均值控制 电压反馈控制或电流反馈控制 当 Uf < Ur 时，增加 ton ，U0 上升 当 Uf > Ur 时，减小ton ， U0 下降 特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢
Beijing Jiaotong University (BJTU)
Beijing Jiaotong University (BJTU)
一、正激式（Forward）变换器
A
id
+
（一）理想单端正激式变换器
不考虑变压器激磁电抗和漏抗 1、电路结构 2、工作原理 S闭合 ：D1正偏导通， D2 反偏截止，uL>0 ，iL线性增 大； S断开：D2续流，uL<0 ，iL 线性减小。
5. 1 降压变换器（BUCK变换器） 一、电路与工作原理 续流二极管 1、电路结构 2、工作原理

电力电子技术-第五章 AC-DC变换器2 共95页

电力电子技术
Power Electronic Technology
杨淑英 合肥工业大学电气与自动化工程学院
第5章 AC－DC变换器
基本内容
1 概述 2 不控整流电路 3 相控整流电路 4 相控有源逆变电路 5 PWM整流电路 6 同步整流电路
5.3 相控整流电路
u1
可控整 流电路
VD1
单
u2
相 交
T
i2 a
a)
u1
u2 b
VT2
ud
ud(id)
id
b)
0

uVT
1,4
c) 0 i2
d) 0
VT4
id
ud
R
t t t
VT1
VT3
数量关系
IVT
1

(
2
2U2 sint)2d(t)
R
U2 1 sin2
2R 2

I I2
1

(

2U2 sint)2d(t)
件承受的最大正向电压等于 2U 2 / 2 变压器二次侧电流波形正负半周方向
相反，波形对称，平均值为0，则直流 分量为0。不存在变压器直流磁化。
5.3.1 移相控制技术
T
i2 a
a)
u1
u2 b
VT2
ud
ud(id)
id
b)
0

uVT
1,4
c) 0 i2
d) 0
VT1
VT4
VT3
数量关系
id
0
t
u1
u2
ud R
uba
t
b

电力电子技术课件05直流-交流(DC-AC)变换

第五章直流-交流（DC-AC）变换一、概述DC-AC变换器（无源逆变器)V1、V4和V2、V3轮流切换导通，u o为交变电压（1）电网换流 利用电网电压换流，只适合可控整流、有源逆变电路、交—交变频器（2）负载谐振式换流 利用负载回路中形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载 电流超前于电压时间大于t q ，即能实现换流，分串，并联。

VT 2、VT 3通后，u 0经VT 2、VT 3反向加在VT 1、VT 4上1. 晶闸管逆变电路的换流方式换流概念：直流供电时，如何使已通元件关断VT 1导通，C 充电左（-）右（+），为换流做准备； VT 2导通，C 上电压反向加至VT 1，换流，C 反向充电。

（3）强迫换流附加换流环节，任何时刻都能换流直接耦合式强迫换流2. 逆变电路的类型（1）电压源型逆变器电流源型逆变器电流源型逆变器功率流向控制（3）两类逆变器的比较比较点电流型电压型直流回路滤波环节电抗器电容器输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦波矩形输出电流波形矩形近似正弦波，有较大谐波分量输出动态阻抗大小续流二极管不需要需要过流及短路保护容易困难线路结构较简单较复杂适用范围适用于单机拖动，频繁加减速下运行，需经常反向的场合适用于多机供电不可逆拖动，稳速工作，快速性不高的场合二、强迫换流式逆变电路1.串联二极管式电流源型逆变器结构VT1～VT6为晶闸管C1～C6为换流电容VD1～VD6为隔离二极管2.工作过程（换流机理）（1）换流前运行阶段（2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段（3）二极管换流阶段（4）换流后运行阶段diL dt引起三、逆变器的多重化技术及多电平化1. 多重化技术改善方波逆变的输出波形：中小容量：SPWM大容量：多重化技术思路：用阶梯波逼近正弦波（1）串联多重化特点：适合于电压源型逆变器二重化三相电压源逆变器单个三相逆变电路输出电压波形桥Ⅱ输出电压相位比桥Ⅰ滞后30º桥Ⅰ输出变压器△/Y,桥Ⅱ输出变压器△/Z变比为1变比为13二重化逆变电路输出电压比单个逆变电路输出电压台阶更多、更接近正弦。

第五章电力电子技术(DCDC)


总结：
受限单极性方式无论电动机正转还是 反转，都只有一只开关管处于PWM控制方 式，既减小了开关损耗又降低了上下桥臂 同时导通的机会，运行最可靠，应用最多。 缺点：负载较轻时，电动机电流小，出 现断续情况，负载平均电压提高，电动机转 速升高，机械特性变软。
5.5 带隔离变压器的DC/DC变换电路
2、双极性斩波控制
使K1、K4和K2、K3成对按照PWM控制方 式交替导通，并且使K1、K2和K3、K4的导通 状态互补，避免电源短路。 四种工作模式： ① 斩波电路输出正向电压，负载电流为正 ② 斩波电路输出反向电压，负载电流为正 ③ 斩波电路输出反向电压，负载电流为负 ④ 斩波电路输出正向电压，负载电流为负
5.4.1 电流可逆斩波电路 斩波电路的电压极性保持不变，电流既可正 又可负。——以斩波电路为直流电动机供电 为例介绍(半桥电路)。
电流可逆斩波电路可等效为降压斩波电路和 升压斩波电路的互补叠加
电路的三种工作方式：
电路总是运行于降压斩波状态，直流电动机 工作于第一象限的电动运行状态。 ——参见降压斩波电路 电路总是运行于升压斩波状态，直流电动机 工作于第二象限的再升制动状态。 ——参见升压斩波电路 在一个周期内，电路在降压斩波和升压斩波 两种状态之间交替工作。
DC/DC变换电路 1、基本DC/DC变换电路—— 降压、升压、升降压斩波电路和可逆斩波 电路； 2、带隔离变压器的DC/DC变换电路； 3、输出低电压的同步整流电路； 4、分布式电源。 DC/DC变换电路的特点： 1、负载侧并联电容或电势负载——稳定电压； 2、转换电路特别是升压电路中需要利用电感储 能。 3、对电阻性负载串联电感（恒流源）稳定电压。
51直流降压斩波电路buck电路负载电流连续vt导通与关断时的等效电路负载电流断续52直流升压斩波电路boost电路vt导通与关断时的等效电路53直流升降压斩波电路531升降压斩波电路buckboostchopper升降压斩波电路输入输出波形vt导通与关断时的等效电路532cuk斩波电路vt导通与关断时的等效电路及电流通路533sepic斩波电路和zeta斩波电路sepic斩波电路vt导通与关断时的等效电路及电流通路zeta斩波电路vt导通与关断时的等效电路及电流通路54可逆斩波电路几个概念

电力电子技术：第五章 直流-交流(DC-AC)变换


并联谐振式逆变器工作过程
tμ 换流时间（期间4阀同时导通）； tβ（=K β tq ）恢复阻断时间（ K β >1，tq 晶闸管关断时间）； tδ 越前触发时间 tδ = tμ + tβ --> 相当于i0 超前u0 一个tφ= tμ /2+ tβ tφ > tq 时，能保证可靠换流。
5.2 负载谐振式逆变电路
5.1 逆变电路概述
逆变电路的类型
两类逆变器的比较：
1）电压源型逆变器采用大电容作储能元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大 小和极性不能改变，能将负载电压钳在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合 稳频稳压电源、不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的 应用场合。电流源型逆变器直流电流方向不变，可通过改变变流器的工作状态 (逆变器整流器)，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行, 故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。
w 5ic
w 3iR31
w i4 R11
并 联 多 重 化
反Z/∆连接组及其电流波形
ir11
ia
ic
w3 w5
i i R11
R 31
w4 w5
i i R21
R11
ir12
ib
ia
w1 w2
i i R12
R 32
1
3
i i R12
R 32
5.5 逆变电路的多重化及多电平化
一般来说，如使m个三相桥式逆变电路依次错开 /(3m) 相位，
并采用输出变压器作m重化串联且抵消上述相位差，就可以构成（电压） 脉波数为6m的电压源型逆变电路。
串联多重化
图示为二重化三相电压源逆 变器主电路。电路共用一直 流电源E，输出电压通过变 压器T1、T2串联合成。
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6
Power Electronics
Basic operation principle of buck converter
Buck converter with ideal switch
Realization using power MOSFET and diode
7
Power Electronics
SPDT switch changes dc component
Switch output voltage waveform
Duty cycle D: 0 D 1 complement D’: D’ = 1 - D
4
Power Electronics
Dc component of switch output voltage
8
Power Electronics
Actual output voltage waveform of buck converter
Buck converter containing practical low-pass filter
Actual output voltage waveform
v(t) = V + vripple(t)
Power Electronics
Chapter 5 DC to DC Converters
(Choppers)
Power Electronics
2
Power Electronics
3
Power Electronics
5.1 Basic DC to DC converters
Introduction—Buck converter
23
Power Electronics
Inductor voltage and capacitor current waveforms
24
Power Electronics
Inductor volt-second balance
25
Power Electronics
Conversion ratio M(D) of the boost converter
Determination of inductor current ripple magnitude
15
Power Electronics
Inductor current waveform during start-up transient
16
Power Electronics
The principle of inductor volt-second balance: Derivation
26
Power Electronics
Determination of inductor current dc component
12
Power Electronics
Inductor voltage and current subintБайду номын сангаасrval 2: switch in position 2
13
Power Electronics
Inductor voltage and current waveforms
14
Power Electronics
Thought process in analyzing basic DC/DC converters
Basic operation principle (qualitative analysis)
– How does current flow during different switching states – How is energy transferred during different switching states
Verification of small ripple approximation Derivation of inductor voltage waveform during different switching states Quantitative analysis according to inductor volt-second balance or capacitor charge balance
Boost converter example
20
Power Electronics
Boost converter analysis
21
Power Electronics
Subinterval 1: switch in position 1
22
Power Electronics
Subinterval 2: switch in position 2
Fourier analysis: Dc component = average value
5
Power Electronics
Insertion of low-pass filter to remove switching harmonics and pass only dc component
17
Power Electronics
Inductor volt-second balance: Buck converter example
18
Power Electronics
The principle of capacitor charge balance: Derivation
19
Power Electronics
9
Power Electronics
The small ripple approximation
v(t) = V + vripple(t)
In a well-designed converter, the output voltage ripple is small. Hence, the waveforms can be easily determined by ignoring the ripple:
10
Power Electronics
Buck converter analysis: inductor current waveform
11
Power Electronics
Inductor voltage and current subinterval 1: switch in position 1