第二章化學電源和特種電源

1、要求 建立拓撲之間的連接關系 掌握高頻開關變換器的結構和工作原理,第四部分：直流/直流變換技術,講授思路,DC/DC變換器電路拓撲分析,直接式DC/DC變換器,,間接式DC/DC變換器,輸入輸出濾波器設計,,隔離式DC/DC,,第四部分：直流/直流變換技術,,DC/DC控制,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器 3 間接式DC/DC變換器 4 直流

2、變換器的輸入輸出濾波器設計 5 隔離式DC/DC變換器,一、直流/直流變換電路,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器 3 間接式DC/DC變換器 4 直流變換器的輸入輸出濾波器設計 5 隔離式DC/DC變換器,一、直流/直流變換電路,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 1.1 基本的直直變換器 （1）連接一個電源和負載

3、 （2）連接兩個電源 （3）構成dc/dc變換器電路的基本原則 （4）最基本的dc/dc變換器 （5） 低通濾波器的選擇 1.2 基本開關單元 直接式變換器 間接式變換器,,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 1.1 基本的直直變換器 （1）連接一個電源和負載 （

4、2）連接兩個電源 （3）構成dc/dc變換器電路的基本原則 （4）最基本的dc/dc變換器 （5） 低通濾波器的選擇 1.2 基本開關單元 直接式變換器 間接式變換器,,（1）連接一個電源和負載,可實現(xiàn)電壓的變換（平均值）,無論是電源側電流或負載側電壓均脈動 很大，產(chǎn)生電磁干擾,series：有串聯(lián)支路承擔兩個電源電壓

5、差 V1－V2,（2）連接兩個電源,lossless：串聯(lián)和并聯(lián)應該是無損的,shunt：有并聯(lián)支路承擔兩個電源電流和 I1＋I2,Switch：無損耗，但能承擔非0平均電流或非0 平均電壓 ，且開關的平均值可控。,Filter：為減少I1、V2的脈動，串、并聯(lián)開關應附加 低通濾波器,（3）構成dc/dc變換器電路的基本原則,應有低通濾波元件以保證電路性能,串聯(lián)開關S1和并聯(lián)開關

6、S2應互補工作，以保證能一直 提供電流和不短路電源,（4）最基本的dc/dc變換器,C流過S1產(chǎn)生的高頻電流，使i1平滑 L平滑S2產(chǎn)生的高頻電壓，使V2無脈動,（5） 低通濾波器的選擇,V1恒定，有一定的內阻R，S1、S2互補；假設1： L＝?，?i2＝0， 電感電流恒定i2＝I2，分析?i1,問題1：并聯(lián)C能否使i1的脈動電流滿足要求？,,（5） 低通濾波器的選擇,問題1：并聯(lián)C能否使i1的脈動電流滿足要求？,假設2：C

7、很大，所有紋波電流流過C,,（5） 低通濾波器的選擇,問題1：并聯(lián)C能否使i1的脈動電流滿足要求？,分析： 1）當電源阻抗R有一定值，選擇適當?shù)腃即可使 得?i1較小，C濾波有效,,,2）當電源V1內阻很小時（如蓄電池、直流電機） ， C應很大,3）改進：在V1端串接上L，以加大其高f阻抗，減少對 C的要求,（5） 低通濾波器的選擇,假設1：C無窮大，電容電壓恒定為V1，分析?v2,問題2：

8、串聯(lián)L，能否保證V2的脈動電壓滿足要求？,,（5） 低通濾波器的選擇,假設2：L很大，脈動電壓加在L上,問題2：串聯(lián)L，能否保證V2的脈動電壓滿足要求？,V2端的脈動電壓為：,,,（5） 低通濾波器的選擇,,,結論： 1）v2為低阻抗源時，只用L 濾波器即可,問題2：串聯(lián)L，能否保證V2的脈動電壓滿足要求？,視具體V1、V2阻抗，選擇適當?shù)牡屯V波器,2）v2為高阻抗源時（R有一定值），需要很大的L才能保證?v2較小 ·,3

9、）L有限時，需要在V2端并聯(lián)電容，以減小其高f阻抗，使?v2滿足要求。,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 1.1 基本的直直變換器 （1）連接一個電源和負載 （2）連接兩個電源 （3）構成dc/dc變換器電路的基本原則 （4）最基本的dc/dc變換器 （5） 低通濾波器的選擇 1.2 基本開關單元

10、 直接式變換器 間接式變換器,,1.2 基本開關單元,直接式變換器: V1、V2以A或B為公共點，（輸入/輸出）（B/C） 或（A/C）有通過開關的直接連接通道。,,,間接式變換器： 以C為公共點，A、B不存在直接連接通道，必須借助儲能元件實現(xiàn)能量交換。,重點,1.2 基本開關單元直接式變換器間接式變換器,DC/DC變換器的電路拓撲分析小結,1.1開關電路電源側電流或負載

11、側電 壓均脈動很大。濾波電路消除諧波,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器 3 間接式DC/DC變換器 4 直流變換器的輸入輸出濾波器設計 5 隔離式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 

12、;電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器 3 間接式DC/DC變換器 4 直流變換器的輸入輸出濾波器設計 5 隔離式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限d

13、c/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,直接式變換器: V1、V2以A或B為公共點，（輸入/輸出）（B/C） 或（A/C）有通過開關的直接連接通道。,2.1 直流變化比,,功率平衡 P1＋P2＝0 V1I1＋V2I2＝0,直接變換器，輸入、輸出電壓極性相同， 電流極性相反,第四部分：直流/直流變換技術,1 D

14、C/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.2 以AB作為輸入， CB作為輸出的變換器,,,V2<V1 :降壓型變換器,Syx：因為

15、V1>V2>0, 所以Vyx>0 （當Sxy斷開） 因為I1>0，I20 （當Sxy導通）,Syx晶體管,Sxz：因為V1>V2>0，Vxz>0 （當Sxz斷開） 因為I2<0，iz<0 （當Sxz導通 ),Sxz二極管,2.2 以AB作為輸入，CB作為輸出的變換器,,,V2<V1 : 降壓型變換器,Syx晶體管,Sxz二極管,由于

16、負載有一定阻抗，所以V2端必須有濾波電容,Buck變換器,Off:,降壓式（Buck）變換器,,,On:,電流連續(xù)時波形:,（c）臨界電流連續(xù)時的電感電流波形,說明：直流特性以L、C足夠大給出，實際L、C有限，I2可能由于L的有限而出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)。斷續(xù)時，二個開關均不導通。,（d）電流不連續(xù)時的電感電流波形,說明：直流特性以L、C足夠大給出，實際L、C有限，I2可能由于L的有限而出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)。斷續(xù)時，二個開關均不導通。,第四部分

17、：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.4 電流斷續(xù)時的特性,,,,出現(xiàn)斷續(xù)時的L值,Buck：二個開關斷開時，輸出電

18、壓變大、??？,Vxz＝V2>0，導致V2?,,,,出現(xiàn)斷續(xù)時的L值,臨界連續(xù)負載電流：,,iL連續(xù)時 ：V2=DV1iL斷續(xù)時：V2/V1=1/(1+IO/(4IGmaxD2)),Characteristics of Buck:step-down ;simple, requiring only one transistor;with the di/dt of the load current limited by in

19、ductor L, however the input current discontinuous and a smoothing input filter normally required;providing only polarity of output voltage and unidirectional output current;,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/D

20、C變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.3 以CB為輸入、AB為輸出,,,,說明：占空比：基本開關單元，定義串聯(lián)開關的導通 時間占整個開關周期的比例 一般應用時，以可

21、控開關的導通時間為占空比Buck: 串聯(lián)開關為可控開關，二者是一致的Boost: 并聯(lián)開關為可控開關，直流變化比中應以 1－ D?代替D雙向功率流通變換器: 視能量的流通方向確定占空比,Boost升壓式直流變換器,On:,Off:,,,（b）電流連續(xù)時的電感電流波形,Characteristics of Boost:step-up;simple, requiring only one device;

22、input current continuous;,BOOST,（c）臨界電流連續(xù)時的電感電流波形,（d）電流不連續(xù)時的電感電流波形,BOOST,BUCK,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6&#

23、160;電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.5 電壓二象限dc/dc變換器,,,I1>0 （I2<0）但V1、V2可能為正，負,,,電流單方向，電壓雙方向,I1>0 （I20 Syx可能為正，負iz>0 Sxz可能為正，負,電機控制，勵磁控制,不能反轉電動。,正轉，電動。 不能制動。,反轉，制動。發(fā)電機工作,因為I單向。,電壓兩象限DC/DC應用舉例

24、 （航空航天供電系統(tǒng)－嚴仰光）,控制：單極性、雙極性,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2

25、.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.6    電流二象限dc/dc變換器,V1(V2)>0，I1(I2)可能為正、負iy可能為正、負，但uyx>0iz可能為正、負，但uxz>0,----蓄電池充放電電路,Q1、D2、L，降壓；充電,Q2、D1、L，升壓；放電。,電流兩象限DC/DC應用舉例 （航空航天供電系統(tǒng)－嚴仰光）,（b）充電電流大時的電感

26、電流波形,（c）充電電流小時的電感電流波形,（d）蓄電池放電電流波形,第四部分：直流/直流變換技術,1 DC/DC變換器的電路拓撲分析 2 直接式DC/DC變換器,2.1 直流變化比2.2 以AB作為輸入，CB為輸出?Buck2.3 以CB為輸入、AB為輸出?Boost2.4 電流斷續(xù)時的特性2.5 電壓二象限dc/dc變換器2.6 電流二象限dc/dc變換器2.7 四象限變換器,一、直流/直流變換電路,2.