电力电子装置及系统最新章节_肖华锋著

3.1 非隔离变换器

3.1.1 基本非隔离型电路

非隔离变换器主要有6种具有不同工作原理的电路结构，包括Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器和Sepic变换器，考虑到《电力电子技术》教材中已对它们的工作原理进行了详细分析，本节仅列出几种基本非隔离变换器的电路图，如图3.1所示。

图3.1 基本非隔离变换器

3.1.2 高增益电路

由Boost变换器工作原理可知，当变换器工作于电感电流连续模式（Current Continuous Mode, CCM）时，其电压增益为1/(1 -D )。理论上，可以通过增加输入电压 V _in 或者增大占空比 D 来获取更高输出电压 V _o ，但一般情况下很难通过增加输入电压 V _in 来提高其输出电压 V _o ；同时，受电路线路和元器件寄生参数的影响，电压增益甚至会随占空比 D 增大而减小，不能满足高输出电压的应用需求。本节介绍2种典型的实现大升压比的拓扑结构。

3.1.2.1 级联型高增益直流变换器

该类型变换器是最简单、最直接的提升输出电压的方法，其原理是将两个或者多个直流变换器依次前后级联，即上一级变换器的输出为下一级变换器的输入，得到总输出电压增益为各级变换器电压增益之积，进而达到提升变换器升压能力的目的。图3.2所示为两个Boost变换器前后级联构建而成的级联型高增益直流变换器。

图3.2 两级Boost级联型高增益直流变换器

当变换器的两个开关管Q ₁ 和Q ₂ 的占空比相同时，其电压增益为1/(1 -D ) ² 。在前级变换器中，开关器件的电压应力较小，功耗较小；而后级变换器开关器件的电压应力较高，导致其开关损耗较大，且输出侧二极管的反向恢复损耗较大。从输出功率角度考虑，级联型变换器中所有开关器件都工作在硬开关状态，等效导通电阻比较大，增加了变换器损耗，而且能量是通过级联单元层层传递转换，损耗级级递增，导致变换器系统的最终效率较低。因此该级联型高增益直流变换器不适用于高效率应用场合。

上述级联型变换器的构建不改变单个变换器的拓扑结构，使得级联型变换器中至少存在两个开关器件和两套控制系统，导致变换器系统结构复杂、成本高。若图3.2中的开关管Q ₁ 、Q ₂ 工作状态保持一致，则这两个开关管可以集成，得到如图3.3所示拓扑结构。

图3.3 单开关二次升压Boost级联型高增益直流变换器

简化后的变换器只含有一个有源开关管Q，与图3.2相比，降低了系统的控制难度，同时电压增益也可保持为1/(1 -D ) ² 。但为了与图3.2所示变换器工作原理保持一致，图3.3将Q ₁ 、Q ₂ 合并为Q的同时又增加了一个二极管D ₃ ，且开关管和二极管仍处于硬开关状态，电压应力等于输出电压，输出侧二极管的反向恢复问题依旧存在。因此级联型高增益变换器常用于中小功率等级的场合。

3.1.2.2 三电平高增益直流变换器

如图3.4所示，原Boost变换器的有源开关管被两个有源开关管替换。当两个开关管交替导通时，该变换器的电压增益可提升为原Boost变换器电压增益的两倍，且每个开关管和二极管的电压应力减小为输出电压的1/2，在实际设计过程中，可选择电压应力较低的元器件，从而减小电路损耗，提高变换器效率。但三电平Boost变换器也会因为两个开关管占空比不能完全一致而出现中点电位偏移问题，需要增加均衡控制。

图3.4 三电平Boost变换器

3.1.3 PWM控制方法

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。直流-直流变换电路中开关管的通断控制就是采用的PWM技术，它通过功率开关管把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

1.面积等效原理

采样控制理论认为，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有低通滤波特性的环节上时，它们的输出响应波形基本相同。如图3.5所示的4个窄脉冲，它们具有不同的形状，分别为矩形脉冲、三角形脉冲、正弦半波脉冲和单位脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1。

图3.5 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

在图3.6中，假设 e ( t )为电压窄脉冲激励，其形状和面积分别如图3.5a、b、c、d所示，将它们作为输入分别作用在图3.6a所示的 R-L 电路上，电流 i ( t )为输出响应。图3.6b给出了4种窄脉冲下 i ( t )的响应波形，可以看出，在 i ( t )的上升段，脉冲形状不同时 i ( t )的形状略有不同，但它们的下降段则几乎完全相同。采用傅里叶级数分解可发现，各 i ( t )在低频段的特性非常接近，仅在高频段略有差异。

上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

图3.6 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

2.PWM控制的基本原理

将图3.7中的矩形直流电压波形切分为 N 等份，可以将直流电压看成由 N 个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲序列具有“等宽不等幅”特征。

图3.7 用PWM波代替直流电压波形

下一步，基于面积等效原理，可将上述“等宽不等幅”脉冲变换为“等幅不等宽”脉冲，如图3.7所示，这就是PWM波形。特别指出的是，PWM波可以是PWM电压波和PWM电流波。