电力电子技术

5 直流直流变流电路

5.0 简介

直流直流变流电路(DC-DC Converter)的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电。

• 斩波电路：直接直流变流电路，将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，输入与输出之间不隔离
• 间接直流变流电路：在直流变流电路中加入了交流环节。在交流环节中使用变压器实现输入输出之间的隔离。直-交-直。

5.1 基本斩波电路

5.1.1 降压斩波电路 Buck Chopper

降压斩波电路如下图所示，起英文名称为Buck变换器(buck converter)，单相 BUCK 型 DC-DC 变换器原理图

斩波电路主要用于电子电路的供电电源、也可拖动直流电动机或带蓄电池负载。

续流二极管：

• 传统 BUCK 变换器续流管由导通内阻小的肖基特二极管充当。
• 同步整流技术采用 MOSFET 取代传统续流二极管。

当上边管 S1 导通， 下边管 S2 断开时， 电感电容充电储存能量， 负载电流由输入电源$V_{in}$ 提供。

根据基尔霍夫定律以及小纹波近似可得电感两端的电压为:

电感电压与电感电流变化率又存在如下关系

电感电流变化率为

当上边管 S1 断开， 下边管 S2 导通时， 由于电感电流不能突变， 电感会产生反偏电动势， 此时负载电 流由电感和电容提供，电感两端电压为：
电感电流变化率为：

可以得出整个周期内电感电流随着时间变化的波形图

T on 表示开关闭合的时间， T off 表示开关断开的时间， T 为开关的周期。 当开关变换器工作在稳态时， 由伏秒平衡可知， 在一个开关周期内， 平均电感电压为零。
当 BUCK 变换器工作在周期性稳态时， 输出电压 $V_O$为

很容易得出占空比 D 总是小于 1， 因此输出电压总是小于输入电压。

5.1.1.1 小纹波近似

其输出电压波形为：

• 低通滤波器也有少量的高频纹波。
  

小纹波近似即，相对于直流分量 V 来说， $v_{ripple}(t)$ 是远小于的，所以近似认为

• v(t)≈V

5.1.2升压斩波电路

11 DC-DC 变换器数字控制

数字控制是指数字处理器通过控制算法， 将数字量进行运算操作， 输出所需要控制信号如 PWM 信号

• 不需要传统模拟 PWM 比较器。

11.1 基于单片机控制

基于单片机控制的 DC-DC 变换器可以分为两种方式， 直接控制和间接控制。

• 间接控制方法为单片机需要通过外接 ADC 芯片进行采样， 然后对这些采样数据进行运算处理， 再把处理结果通过 DAC 芯片传到 PWM 芯片中， 实现单片机对开关管的间接控制。
• 直接方法为单片机直接输出 PWM 信号， 不经过 PWM 芯片。

11.2 基于 DSP 控制

DSP 芯片一般都集成了 PWM 模块和 ADC 模块

• 采样和数据处理都能在芯片内部完成， DSP 芯片直接输出 PWM 信号。
• DSP 输出的 PWM 信号不足以驱动功率开关管， 只要增加一片驱动芯片即可。

11.3 基于 FPGA 控制

FPGA 不仅容量大， 而且逻辑功能强大。

• 其指令不是一条一条执行的， 而是并发执行的， 它具有高速、 高可靠性。
• 相比 DSP 控制器， 基于 FPGA 实现的 DC-DC变换器输出纹波更低， 鲁棒性更好。
• 由于 FPGA 是并行运算， 因此其计算时间要比 DSP 短很多， 可设计出更高性能的 DC-DC 变换器。

12 多相交错并联拓扑结构

12.1 多相交错并联

同步整流多相交错并联 BUCK 型 DC-DC变换器拓扑结构如图
单相变换器只需要一路驱动信号， 多相交错并联由多路驱动信号驱动多相， 每个驱动信号驱动每一相

• 多相交错并联并不是简单的并联， 而是每一相的驱动信号频率相同， 相位错开360/N， N 为相位数。

12.1 多相交错并联纹波

参数

• 相位数 N
• 每一相的占空比 D
• 设每一相开关频率为 F， 周期为 T， 均为恒定的。

根据 D 与 N 的乘积， 可以分为三种情况

• N ? D 小于 1
• N ? D 为整数
• N ? D 大于 1 且不为整数

当 N ? D<1 时， 每一相上边管的闭合时间总是与其他相上边管闭合时间是错开的
在（0， DT） 时间内 N 相支路电流叠加后总的输出电流变率为：

在（DT， T/N） 时间内， N 相上边管都处于断开状态
在每个周期（0， T/N） 时间内， 总的输出电流变化率为

PCS

pcs是储能变流器，英语Power Conversion System-简称PCS。

• PCS可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

储能电站在充电时需要从电网吸收能量，而在放电时则需要向电网输出能量。