文档介绍：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。
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
 
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、ton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,UT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UT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。
,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。
。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。
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
基本DC-DC变换器
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,