哈工大现代电力电子技术课件1-DC-DC
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iL ii
L D
iD io
R
L
Ui
S
C
UO
S 导通
Ui
C
R
UO
L
iL 0
Ui
电感电流： 连续 临界 断续 电压纹波
C
R
UO
S 阻断
iL 0
C R UO
1
电流的不同状态
Ui
iL ii
L
D
iD io
R
★ 电流连续状态： 稳定状态下：
U i DT (U i U o )(1 D)T 0 UO 1 Ui 1 D
t
IL
iL ILm uo
I LM
1 (1 D )T U I L 0 uLdt o (1 D)T L L
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
Q
IO
T/2
UO
UO
fC
1 f S 2 LC
2 2
放电
充电
放电
充电
fC U o (1 D) Uo 2 fS
D
Sa
控制电感电流Buck变换器
S1 S2 Cb Vin Da D1 D2 Sa
改进的Buck电路拓扑
L
Vo
Step down
Co
Load
改进的三电平Buck拓扑
在负载突变时，改变电感电流通路，提高电流变化率
适用于Ui/Uo较大的场合 串联在功率回路中开关器件会引起损耗问题
§1-2 Boost Converter
n 0
1பைடு நூலகம்
nCo 0
ESR ESL Co Rc
感性大，对开关电压谐波尖峰无缓冲。
ESR ESL
选用高频电容
Rc漏电阻 很大
缩短C引线，减小分布电感； 多电容并联，减小ESR。
5 仿真分析 例：计算临界电感； 计算电压纹波；
f S 20kHz D 0.5
D 0.5
I O 150 / 20 7.5 A
或
U iT 2 C 8 LU O
(1 D) DUiT 2 C 8 LU O
D(1 D) Max 1 / 4
1 ) C
0
1 LES C
0
uO iC RES 1 Co
LES 0
t
0
C很大 iC dt uR uC uR
高频时电容的等效电路： 注意！
A0
A1
U D1M
2U i
sin D
U D2M
Ui
sin 2 D
U D1M 2 sinD 2U i 2 U 1 A2 D 2 M sin2D 2U i 2
DUi D Ui
A0
0.8
Io / ILCM
0.6
Uo / Ui
A1
0.4
0.2
A2 A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
第一章 DC-DC Converter
多元多重结构：
元－－从电源侧看，差T/n分时的基本电路（n个）； 重－－从负载侧看，差T/n分时的基本电路（m个）
基本电路1 负载 基本电路n
基本电路1
负载1
基本电路n
负载n
n元n重结构
n元单重结构
本章内容：
§1-1 Buck Converter §1-2 Boost Converter §1-3 Buck-Boost Converter §1-4 Cuk Converter §1-5 Sepic & Zeta Converter §1-6 多象限变换器 §1-7 变压器隔离DC-DC变换器
U DnM
2U i sin nD n
An
U DnM 2 sinnD 2U i n 2
0
D
3
电路内阻的影响
(CCM)
iS ii
S Ui
r
L
iL iO
设：S与D的通态电阻相同，为ron 电感寄生电阻为rL
D
C
R
Uo
r ron rL
UO UO U D R Ao D Ui U D Ui R r
Forward/ Flyback / Royer Converter/…
§1-8 常用PWM集成控制芯片*
条 件 假 设
1
2 3 4
理想开关器件 L、C 无损耗，无寄生参数
电源 Ui 内阻为零，无分布参数 开关频率 fs 远大于截止频率 fc
§1-1 Buck Converter
iS ii
S L
PL / C 0 Pi Po U i I i U o I o Io 1 Ii D
Ui UO
ton
DT Ui -UO
toff
(1-D)T
t
uL
-UO iL ILm ILM
——直流变压器
iS ii
S
L
iL iO
R
L伏秒平衡原则：
Ui
D
C
Uo
在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为 0。 即：电感两端的平均电压为0。
Uo Uo / Io D Ui Uo / Io r
1
Uo I r D o Ui Ui
Uo / Ui
D = 1.00 D = 0.75
电源效率：
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1
PO PO R 2 Pi PO I O r Rr
I o / I LCM
4
输出滤波器参数
300V
D1
D=0.5 C1
470uF
300uH
R1
20ohm
< 开关电流 > DCM
< 电感电流 > L=150uH
6
Buck 电路应用实例：
6
S Ui
Buck 的软开关衍生电路
L iS C uC iD D L1 iO C1 R UO
Ui D C
iS ii
S
L
iL iO
R Uo
C S iS Ui L
uC
L1 iO D C1 R UO
D C S Ui iS
uD
uC L iL uD D1 L1 iO C1 R UO
7 Buck 电路的动态性能提升
iS ii
S L
iL iO
R
基本拓扑的组合及优化
Uo
Ui
D
C
拓扑结构
电感电流变通路的电路 滤波电感的耦合
研 究 概 况
I load
负载补偿电路 滞环控制 线性-非线性控制
I LC
1 1 ( ~ ) I 0min 5 3
C ?
由输出电压纹波幅值：
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
得
ESR—Equivalent Series Resistance 等效串联电阻 ESL—Equivalent Series Inductance 等效串联电感
Z RES j(LES
iL iO
R
L
Ui
D
C
Uo
S 导通
Ui
C
R
Uo
L
iL 0
电感电流： 连续 (CCM-Continuous Current Mode) 临界 断续(DCM-Discontiuous Current Mode) 电压纹波、谐波、内阻 ……
S 阻断
iL 0
C
R
Uo
C
R
Uo
1 电流的不同状态 ★ 电流连续状态： 稳定状态下：
C安秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为 0。 即：流经电容的平均电流为0。
uL iC
S1 S2
T
t
S1 S2
S1 S2
★ 电流临界状态：
I LM 1 tON uLdt L 0 1 (U i U o )tON L DTUi (1 D) L
1 I LM 2 U iT D(1 D) 2L 4 I LCM D(1 D) TUi 8L
控制策略
Vo
t
自适应电压定位控制 V2控制及改进 时间最优控制
t
Buck 电路的动态性能提升 --- 基本拓扑的组合及优化
S1 S2 Vin S3 L1 Vo S4 L2 Co
Load
Vbus
L1 Vin
Vo La1 Co
Load
同步Buck变换器
La 2
交错并联电路
S1 S2 D1 Vin Cb Co D2
Vdc1
Q1
L1
300uH
300V
D1
C1 470uF
R1
20ohm
(1 D)T 2 U o Uo 8 LC L 300H C 470F (1 0.5) (50 106 ) 2 U o 300 6 6 8 300 10 470 10 0.166V 1 fC 0.424kHz f S 2 LC
470uF
?
U:100V/Div. I:5A/Div
断 续 0 0.5 1
D
D=0.1
D=0.5
D=0.9
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
续流时间＝？
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
t
∆1T ∆2T
(U i U o ) DT 1TUo Uo D Ui D 1 D 1 1 Uo
8L
Uo / Ui
开环输出特性
D = 1.00 D = 0.75
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1 Io / ILCM
2
输出电压的纹波和谐波
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
设：稳态连续 △IO→C、IO→R 而 IL = IO
uL
Ui -UO
D
C
Uo
U o
-UO
Q 1 1 T I L C C 2 2 2
两级式电路
L
耦合 电感
Vo
Load
L1 g1
2
1
c
L2 g2
g3
三电平电路
利用自身结构改善动态性能
不依靠外部辅助电路
Buck 电路的动态性能提升 --- 电感电流变通路
S a1 S1 Vin S2
L
L
Step down S a 2
Vo CO
Load
Vo Co
Load
Vin
Da
S
Step down
第一章 DC-DC Converter (直流变换器)
直流变换器的分类：
按主电路器件：半控型 / 全控型 按输入输出电压：降压式 / 升压式 / 升－降压式 按工作范围：单象限 / 双象限 / 四象限 按输入输出电隔离：非隔离 / 隔离 (正激、反激、自激） 按输入滤波结构：电流源 / 电压源 按器件开关方式：硬开关电路 / 软开关电路 按电路结构：单元电路 / 多元电路（单重、多重）
1 I o I LM ( D 1 )T / T 2 Uo I 1T ( D 1 ) LM 2L Uo R 2L D 1 2 1 RT
1 0 U 0 dt L 1T U o 1T L
D D2 8 L / RT 1 2
Uo 2 Ui 1 1 8 L /( RTD2 )
输出电压的谐波:
未经滤波的输出电压，即二极管 反压的富氏级数
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
D
C
Uo
2 uD U i ( D sin D cos t sin 2D cos 2t sin nD cos nt ) n
1.0
2
1
U D UO DUi
CCM
iS ii
L?
S L
由电感临界电流平均值：
iL iO
R
I LC
DTU i (1 D ) 2L
Ui
D
C
Uo
得 L DTUi (1 D) DTUi (1 U O ) 2 I LC 2 I O min Ui 其中： I LC I 0min 若IO-min过小，所需L过大，可加假负载，但η低； 若负载稳定，此L较小，使IS-on-Max和△UO较大，故一般取：
UL 1 T
iS ii
S L
iL iO
R
0 uLdt 0
(U i U o )dt U odt 0
tON T
T
Ui
D
C
Uo
0
tON
(Ui Uo )tON UotOFF
(Ui Uo ) DT Uo (1 D)T tON Uo U i DU i T
Ui UO
ton
DT Ui -UO
toff
(1-D)T
t
uL
-UO iL ILm ILM
临界电流平均值：
I LC
ILC ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
断 续 0 0.5 1
I LCM
D
Q1
L1
300uH
ILC
C1 R1 20ohm
Vdc1
300V
D1
ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
D对UO的调节规律？
Io I L
t
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
∆1T ∆2T
Uo D U i D 1 D D I o / 4 I LCM D D2 2 D I o / 4 I LCM
1
Uo 1T ( D 1 ) 2L U iT D 1 2L TU i I LCM 4 I LCM D 1
L 300 H U o 1.66V C 47 F f C 1.34kHz f S
I LC
U iT D(1 D) 2L 300 50 10 6 8L 7.5 A
L 250H
< 开关电流 >
< 电感电流 >
CCM
L=450uH
Q1 L1
Vdc1
L D
iD io
R
L
Ui
S
C
UO
S 导通
Ui
C
R
UO
L
iL 0
Ui
电感电流： 连续 临界 断续 电压纹波
C
R
UO
S 阻断
iL 0
C R UO
1
电流的不同状态
Ui
iL ii
L
D
iD io
R
★ 电流连续状态： 稳定状态下：
U i DT (U i U o )(1 D)T 0 UO 1 Ui 1 D
t
IL
iL ILm uo
I LM
1 (1 D )T U I L 0 uLdt o (1 D)T L L
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
Q
IO
T/2
UO
UO
fC
1 f S 2 LC
2 2
放电
充电
放电
充电
fC U o (1 D) Uo 2 fS
D
Sa
控制电感电流Buck变换器
S1 S2 Cb Vin Da D1 D2 Sa
改进的Buck电路拓扑
L
Vo
Step down
Co
Load
改进的三电平Buck拓扑
在负载突变时，改变电感电流通路，提高电流变化率
适用于Ui/Uo较大的场合 串联在功率回路中开关器件会引起损耗问题
§1-2 Boost Converter
n 0
1பைடு நூலகம்
nCo 0
ESR ESL Co Rc
感性大，对开关电压谐波尖峰无缓冲。
ESR ESL
选用高频电容
Rc漏电阻 很大
缩短C引线，减小分布电感； 多电容并联，减小ESR。
5 仿真分析 例：计算临界电感； 计算电压纹波；
f S 20kHz D 0.5
D 0.5
I O 150 / 20 7.5 A
或
U iT 2 C 8 LU O
(1 D) DUiT 2 C 8 LU O
D(1 D) Max 1 / 4
1 ) C
0
1 LES C
0
uO iC RES 1 Co
LES 0
t
0
C很大 iC dt uR uC uR
高频时电容的等效电路： 注意！
A0
A1
U D1M
2U i
sin D
U D2M
Ui
sin 2 D
U D1M 2 sinD 2U i 2 U 1 A2 D 2 M sin2D 2U i 2
DUi D Ui
A0
0.8
Io / ILCM
0.6
Uo / Ui
A1
0.4
0.2
A2 A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
第一章 DC-DC Converter
多元多重结构：
元－－从电源侧看，差T/n分时的基本电路（n个）； 重－－从负载侧看，差T/n分时的基本电路（m个）
基本电路1 负载 基本电路n
基本电路1
负载1
基本电路n
负载n
n元n重结构
n元单重结构
本章内容：
§1-1 Buck Converter §1-2 Boost Converter §1-3 Buck-Boost Converter §1-4 Cuk Converter §1-5 Sepic & Zeta Converter §1-6 多象限变换器 §1-7 变压器隔离DC-DC变换器
U DnM
2U i sin nD n
An
U DnM 2 sinnD 2U i n 2
0
D
3
电路内阻的影响
(CCM)
iS ii
S Ui
r
L
iL iO
设：S与D的通态电阻相同，为ron 电感寄生电阻为rL
D
C
R
Uo
r ron rL
UO UO U D R Ao D Ui U D Ui R r
Forward/ Flyback / Royer Converter/…
§1-8 常用PWM集成控制芯片*
条 件 假 设
1
2 3 4
理想开关器件 L、C 无损耗，无寄生参数
电源 Ui 内阻为零，无分布参数 开关频率 fs 远大于截止频率 fc
§1-1 Buck Converter
iS ii
S L
PL / C 0 Pi Po U i I i U o I o Io 1 Ii D
Ui UO
ton
DT Ui -UO
toff
(1-D)T
t
uL
-UO iL ILm ILM
——直流变压器
iS ii
S
L
iL iO
R
L伏秒平衡原则：
Ui
D
C
Uo
在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为 0。 即：电感两端的平均电压为0。
Uo Uo / Io D Ui Uo / Io r
1
Uo I r D o Ui Ui
Uo / Ui
D = 1.00 D = 0.75
电源效率：
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1
PO PO R 2 Pi PO I O r Rr
I o / I LCM
4
输出滤波器参数
300V
D1
D=0.5 C1
470uF
300uH
R1
20ohm
< 开关电流 > DCM
< 电感电流 > L=150uH
6
Buck 电路应用实例：
6
S Ui
Buck 的软开关衍生电路
L iS C uC iD D L1 iO C1 R UO
Ui D C
iS ii
S
L
iL iO
R Uo
C S iS Ui L
uC
L1 iO D C1 R UO
D C S Ui iS
uD
uC L iL uD D1 L1 iO C1 R UO
7 Buck 电路的动态性能提升
iS ii
S L
iL iO
R
基本拓扑的组合及优化
Uo
Ui
D
C
拓扑结构
电感电流变通路的电路 滤波电感的耦合
研 究 概 况
I load
负载补偿电路 滞环控制 线性-非线性控制
I LC
1 1 ( ~ ) I 0min 5 3
C ?
由输出电压纹波幅值：
(1 D )T 2 U o Uo 8 LC
得
ESR—Equivalent Series Resistance 等效串联电阻 ESL—Equivalent Series Inductance 等效串联电感
Z RES j(LES
iL iO
R
L
Ui
D
C
Uo
S 导通
Ui
C
R
Uo
L
iL 0
电感电流： 连续 (CCM-Continuous Current Mode) 临界 断续(DCM-Discontiuous Current Mode) 电压纹波、谐波、内阻 ……
S 阻断
iL 0
C
R
Uo
C
R
Uo
1 电流的不同状态 ★ 电流连续状态： 稳定状态下：
C安秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为 0。 即：流经电容的平均电流为0。
uL iC
S1 S2
T
t
S1 S2
S1 S2
★ 电流临界状态：
I LM 1 tON uLdt L 0 1 (U i U o )tON L DTUi (1 D) L
1 I LM 2 U iT D(1 D) 2L 4 I LCM D(1 D) TUi 8L
控制策略
Vo
t
自适应电压定位控制 V2控制及改进 时间最优控制
t
Buck 电路的动态性能提升 --- 基本拓扑的组合及优化
S1 S2 Vin S3 L1 Vo S4 L2 Co
Load
Vbus
L1 Vin
Vo La1 Co
Load
同步Buck变换器
La 2
交错并联电路
S1 S2 D1 Vin Cb Co D2
Vdc1
Q1
L1
300uH
300V
D1
C1 470uF
R1
20ohm
(1 D)T 2 U o Uo 8 LC L 300H C 470F (1 0.5) (50 106 ) 2 U o 300 6 6 8 300 10 470 10 0.166V 1 fC 0.424kHz f S 2 LC
470uF
?
U:100V/Div. I:5A/Div
断 续 0 0.5 1
D
D=0.1
D=0.5
D=0.9
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
续流时间＝？
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
t
∆1T ∆2T
(U i U o ) DT 1TUo Uo D Ui D 1 D 1 1 Uo
8L
Uo / Ui
开环输出特性
D = 1.00 D = 0.75
0.5
D = 0.50 D = 0.25 0 1 Io / ILCM
2
输出电压的纹波和谐波
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
设：稳态连续 △IO→C、IO→R 而 IL = IO
uL
Ui -UO
D
C
Uo
U o
-UO
Q 1 1 T I L C C 2 2 2
两级式电路
L
耦合 电感
Vo
Load
L1 g1
2
1
c
L2 g2
g3
三电平电路
利用自身结构改善动态性能
不依靠外部辅助电路
Buck 电路的动态性能提升 --- 电感电流变通路
S a1 S1 Vin S2
L
L
Step down S a 2
Vo CO
Load
Vo Co
Load
Vin
Da
S
Step down
第一章 DC-DC Converter (直流变换器)
直流变换器的分类：
按主电路器件：半控型 / 全控型 按输入输出电压：降压式 / 升压式 / 升－降压式 按工作范围：单象限 / 双象限 / 四象限 按输入输出电隔离：非隔离 / 隔离 (正激、反激、自激） 按输入滤波结构：电流源 / 电压源 按器件开关方式：硬开关电路 / 软开关电路 按电路结构：单元电路 / 多元电路（单重、多重）
1 I o I LM ( D 1 )T / T 2 Uo I 1T ( D 1 ) LM 2L Uo R 2L D 1 2 1 RT
1 0 U 0 dt L 1T U o 1T L
D D2 8 L / RT 1 2
Uo 2 Ui 1 1 8 L /( RTD2 )
输出电压的谐波:
未经滤波的输出电压，即二极管 反压的富氏级数
Ui
iS ii
S
L
iL iO
R
D
C
Uo
2 uD U i ( D sin D cos t sin 2D cos 2t sin nD cos nt ) n
1.0
2
1
U D UO DUi
CCM
iS ii
L?
S L
由电感临界电流平均值：
iL iO
R
I LC
DTU i (1 D ) 2L
Ui
D
C
Uo
得 L DTUi (1 D) DTUi (1 U O ) 2 I LC 2 I O min Ui 其中： I LC I 0min 若IO-min过小，所需L过大，可加假负载，但η低； 若负载稳定，此L较小，使IS-on-Max和△UO较大，故一般取：
UL 1 T
iS ii
S L
iL iO
R
0 uLdt 0
(U i U o )dt U odt 0
tON T
T
Ui
D
C
Uo
0
tON
(Ui Uo )tON UotOFF
(Ui Uo ) DT Uo (1 D)T tON Uo U i DU i T
Ui UO
ton
DT Ui -UO
toff
(1-D)T
t
uL
-UO iL ILm ILM
临界电流平均值：
I LC
ILC ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
断 续 0 0.5 1
I LCM
D
Q1
L1
300uH
ILC
C1 R1 20ohm
Vdc1
300V
D1
ILCM
IO >ILC 连续 IO <ILC
iS ii
S
L
iL iO
R
★ 电流断续状态：
uL
(1-D)T
D对UO的调节规律？
Io I L
t
Ui
D
C
Uo
Ui -UO DT -UO
∆1T ∆2T
Uo D U i D 1 D D I o / 4 I LCM D D2 2 D I o / 4 I LCM
1
Uo 1T ( D 1 ) 2L U iT D 1 2L TU i I LCM 4 I LCM D 1
L 300 H U o 1.66V C 47 F f C 1.34kHz f S
I LC
U iT D(1 D) 2L 300 50 10 6 8L 7.5 A
L 250H
< 开关电流 >
< 电感电流 >
CCM
L=450uH
Q1 L1
Vdc1