直流直流(DCC)变换

直流直流(DCC)变换

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第四章直流—直流（DC-DC）变换

将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。

DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。

4.1 DC-DC变换的基本控制方式

DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，

这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。如果开关K导通时间为，关

断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。

斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。

图4-1 DC-DC变换器原理电路及工作波形

(a)原理电路；(b)工作波形

4.1.1 时间比控制

这是DC-DC变换中采用最多的控制方式，它是通过改变斩波器的通、断时间而连续控

制输出电压的大小。即

（4-1）

式中为斩波周期；为斩波频率；为导通比。可以看出，改变导通比即可改变输出电压平均值U0，而的变化又是通过对T、t on控制实现的。时间比控制又有以下几种实现方式：

（1）脉宽控制

斩波频率固定（即T不变），改变导通时间实现变化、控制输出电压U0大小，常称定频调宽，或脉宽调制（直流PWM）。

实现脉宽控制的原理性电路及斩波器开关控制信号波形如图4-2所示。图（a）为一电压比较器，U T为频率固定的锯齿波或三角波电压，为直流电平控制信号，其大小代表期望的斩波器输出电压平均值。当，比较器输出（高）；当，（低），从而获得斩波器功率开关控制信号。改变大小，改变斩波器开关导通时间，在U T固定条件下，斩波器开关频率固定，实现了定频调宽。

图4-2 脉宽控制方式

（a）原理电路；（b）控制波形

由于斩波器开关频率固定，这种控制方式下为消除开关频率谐波的滤波器设计提供了方便。

2．频率控制固定斩波器导通时间，改变斩波周期T来改变导通比的控制方式。这种方式的实现电路比较简单，但由于斩波频率变化，消除开关谐波的滤波电路较难设计。

3．混合控制。这是一种既改变斩波频率（即周期T）、又改变导通时间的控制方式，其优点是可较大幅地改变输出电压平均值，但也由于斩波频率变化，滤波困难。

4.1.2 瞬时值控制

在恒值（恒压或恒流）控制或波形控制中，常采用瞬时值控制的斩波方式。此时将期望值或波形作为参考值，规定一个控制误差ε，当斩波器实际输出瞬时值达指令值上限时，关断斩波器；当斩波器实际输出瞬时值达指令值下限时，导通斩波器，从而获得围绕参考值在误差带2范围内的斩波输出。图4-3为实现恒流瞬时值控制原理性框图及斩波器输出波形。

采用瞬时值控制时斩波器功率器件的开关频率较高，非恒值波形控制中开关频率也不恒定，此时要注意功率器件的开关损耗、最大开关频率的限制等实际应用因素，确保斩波电路的安全、可靠工作。

图4-3 瞬时值控制原理图

（a）控制框图；（b）输出电流波形

4.2 基本DC-DC变换器

4.2.1 Buck（降压型）变换器

Buck变换电路如图4-4所示，它是一种降压型DC-DC变换器，即其输出电压平均值

恒小于输入电压E，主要应用于开关稳压电源，直流电机速度控制，以及需要直流降压变换的环节。为获得平直的输出直流电压，输出端采用了L-C形式的低通滤波电路。根据功率

器件VT的开关频率、L、C的数值，电感电流可能连续或断续，影响变换器的输出特性，须分别讨论。

图4-4 Buck变换器

1、电流连续时

图4-5给出了电感电流连续时的有关波形及VT导通、关断两工作模式下的等效电路。

Buck变换器的输入、输出电压关系为：

（4-2）

因，故为降压变换关系。

变换器的输入、输出电流关系为

（4-3）因此电流连续时Buck变换器完全相当于一个“直流”变压器。

图4-5 Buck变换器工作模式及电流连续时各点波形

(a)导通（t on）模式；（b）关断（t off）模式；（c）各点波形

2、电流断续时

电流连续与否的临界状态是VT关断结束时（或导通开始时）电感电流，如图4-6所示。

图4-6 电流临界连续波形

Buck变换器电流断续运行状态时的波形如图4-7所示。