Buck型变换器电路结构及其演化过程
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2 0 1 0年 3月 2 5日第 2 7 卷 第 2期 通 往 电 潦 术 Te l e c o m P o we r Te c h n o l o g y 文章 编号:1 0 0 9 3 6 6 4(2 0 1 O)0 2 0 0 0 5 0 4 B u c k型变换器 电路结构及 其演 化过程:研制:开 一 林真,陈道 炼(福州大 学电力 电子与 电力 传动研究所,福 建 福州 3 5(t l O 8)摘要:文 中论述 了基 于 B u c k型 变换 器的 I X:一 I X:、I X;A C、AC-D C和 A(二-AC变换 器电路 结构及其 演化过 程,给 出了 各 类变换 器的电路拓扑 实例和原理试验 结果。理论分析和 原理试 验结果表 明,B u c k型 变换 器在 中大容量 的 D C F X;、I)C A C、A C-I X;和 A A C电能变换 中具有 重要 的应用价值。关键词:变换 器;拓 扑;电路 结构 中图分类号:TM4 6 文献 标识码:A Ci r c u i t Co n f i gu r a t i 0 n a n d Ev ol ut i o n o f t he Buc k Co nv e r t e r I I N Zh e n CHEN Da o-l i a n (P b we r El e c t r o n i c s a n d Dr i v e s Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Fu z h o u Un i v e r s i t y,Fu z h o u 3 5()1 0 8,Ch i n a)Ab s t r a c t:Th e c i r c u i t c o n f 波u r a t i o n s a n d e v o l u t i o n o f t h e I)(2-DC、I X;AC、AC I x a n d AC AC c o n v e r t e r s b a s e d o n Bu c k c o n v e r t e r a r e d i s c u s s e d Th e c i r c u i t t o p o l o g y e x a m p l e s a n d p r i n c i p l e t e s t r e s u l t s a r e g i v e n Th e t h e o r y a n a l y s i s a n d p r i n c i p l e t e s l r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h e Bu c k c o n v e r t e r h a s t h e i mp o r t a n t a p p l i c a t i o n v a l u e i n t h e mi d d l e a n d l a r g e c a p a c i t a n c e o f 1 7 1 2-、I x AC、AC-IX a n d AC-AC c o n v e r t e r Ke y wo r d s:c o n v e r t e r;t o p o l o g y;c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n 0 引 言 众所周知,基本 的非 隔离和 隔离 B u c k型变换 器 具有电路结构 简洁、输 出电压纹波 小、输 出电流易 控 制、输 出容量大等优点,广泛应用于中大功率 D CD C 变换场合。然而,非隔离和隔 离 B u c k型变换 器用 于 D C-AC、AC-I X;、AC _ AC电能变换及其 电路结构的演 化过程并不为大家所熟悉。从基本的非隔离和隔离 B u c k型变换器 电路拓 扑 出发,论述了 B u c k型变换器 电路结构及其演化过程。该演化过程思路对电力电子学电路拓扑的研究将具有 重要 的启发作用。1 单 向 B u c k型 D C-D C变换 器 1 1 非隔 离型 非隔离单 向 B u c k型 D C-D C变换器 电路结构 与 拓扑实例,如图 1所示。该 电路结构 由输入 I C滤波 器、逆变器、整流器、输 出 I C滤波器依序级联 构成,是 研究其他 B u c k型变换器的基础。1 2隔离 型 在图 1 电路结构 中的逆变器和整流器之间插入高 频变压器,可派生 出图2 所示 的隔离单 向B u c k 型D C 基金项 目:教 育部 高校博 士 学科 点基金 项 lg(2 0 0 6 0 3 8 6 0 0 2);福 建省 自然科 学基金重点项 目(E 0 6 2 0 0 0 2);福建 省教 育厅科 技项 目(J H)6 0 4 6)。收稿 日期:2 0 0 9 1 2 1 5 作者简 介:林 真(1 9 8 5 一),女,福 建宁德 人,硕 士研 究 生,研 究 方 向 为 电 力 电子 变流 技 术。HFA C Y m l 三 1 J 一 T I(a)电路结构 三 Ci LfD l _ (b)拓 扑实例 图 1 单向 B u c k非隔离型电路结构与拓扑 实例 r r m I l JI -J l一 +上 一 厂 一 I(a)电路结构 i-i hC f 牛 I D N2 Df (b)拓扑实例 图 2 单 向 B u c k隔离型 电路结构与拓扑实例 2 0 1 0年 3月 2 5日第 2 7 卷第 2期 通 镌 电 潦 术 Te l e c o m P o we r Te c h n o l o g y Ma r 2 5,2 0 1 0,Vo l 2 7 0 D C变换器。与 图 1电路结构相 比,该 电路结构适 用于输出与输入电气隔离,多路输出的中大功率直流 变换场合。2 双 向 B u c k型 D C-D C变换器 2 1 非 隔离型 在图 1电路结构中用有源功率开关代替整流二极 管,可派生出图3所示的双向B u c k型 DC D C变换器。该电路结构适用于功率双向流动的直流变换场合。(a)电路结构(b)拓 扑 买例 图 3双向 B u c k非隔离型电路结构与拓扑实例 2 2 隔 离型 用有源功率开关代替图 2电路结构 中的整流二极 管,或在图 3电路结构 中的逆变器 和整流器之 间插入 高频变压器,都可以派生出图 4所示的隔离双向 B u c k 型 DC-D C变换器。该 电路结构适用于输 出与输入电 气隔离、双向功率流的中大功率直流变换场合。I J I(a)电路结 构(b)拓 扑实例 图 4 双向 B u c k隔离型电路结构 与拓扑实例 3 B u c k型 D C-A C变换器 3 1 非 隔离型 把图 1电路结构 中的整流器去掉,就得到非隔离 B u c k型 D C-AC变换器,如 图 5所示。该 电路结构 具有电路结构简洁、单级功率变换、双向功 率流、变换 效率高等优点。L,:广 r r n l 广Y Y n E 工 I _ _ l J 牛 z L【I(a)电路结构(b)拓扑买例、图 5 B u c k型 I)C-A C变换器非 隔离型 电路结构与拓扑实例 设 计 实 例:i 态 P WM 电流 滞 环 控 制,Ui=1 9 0 VD C,U。=1 1 5 V 4()()Hz AC,S=1 k VA,图 6所 示为额定容性负载时的输 出电压、滤波 电感电流试验 波形。试验结果证实该变换器有优 良的综合性能。,、:,。:!i i 一。:一 一 :;图 6 输出电压、滤波 电感 电流试验波形 3 2隔离 型 在图 5电路结构中的逆变器与输 出滤波器之间插 入工频变压器,可派生出 B u c k型低频环节 D C _ AC变 换 器,如网7 所示。南于采用工频变压器,具有体积和:r r f I J(a)电路结构(b)拓扑实例 图 7 B u c k型 D C-A C变换器隔离型电路结构与拓扑实例 )犟 3 2术7 第 2 期 林真 等:B u ck 型 变 换 器 电 路 结 构 及 其 演 化 过 程 M W e1e2c5o m,2P()1o。w,erv 0T Iech2n7olNog。y 2 重量大、音频噪声大等缺点。用周波变换器代替图 4电路结构中副边的有源功 率开关,可派生得 到图 8所示 的双 向 B u c k型高频环 节 D C AC变换 器=3 。该 电路结构 具有双 向功率 流、两级功率变换(DC-HF AC-I F AC)、变换效 率和 可靠 性高等特点。但存在采用传统 P WM 技术的周波变换 器换流时漏感能量引起的 电压过冲现象等缺点,通常 需要采用缓 冲电路或有源箝位电路来吸收存储在漏感 中的能量 斗 Li J l -0-l (a)电路 结构(b)拓 扑实例 图 8 双 向 B u c k型 D C-A C变换器电路图 设计实例:单极性 移相控 制,Ui=2 7 0 V1 0 D C,=1 1 5 V 4 0 0 Hz AC,S=1 k VA,=5 0 k Hz,N ,=2 5 2 0。图 9所示为逆变器额定阻性 负载时 的输 出电压试验波形。t 、一 一,一 一 J I ,I 。,一 一 ,一 :t(5 0 0 ms d i v)图 9 额 定阻性负载时 的输 出电压试 验波形 4 B u c k型 AC-D C变换器 将图 3电路结 构 中的逆 变器去掉,可得 到 B u c k 型 AC-DC变换器l 4 j,如图 1 0所示。5 B u c k型 A C A C变换 器 5 1 非 隔离 型 将 图 3电路结构中的有源功率开关换成周波变换 器,可派生得到非隔离 B u c k型 AC AC变换 器,如 图 1 1 所示。该电路拓扑具有结构简单、网侧功率因数 高、网侧 电流谐波含量小、变换效率高、滤波器体积和 重量小、动态性能好、可靠性高等优点。:r r n I 1(a)电路结构(b)拓扑实例 图 1 0 B u c k型 A C-D C型变换器 电路 结构 与拓扑实例 、rV 一 爝 皿 爝 母 丰 l(a)电路结构【b)拓 扑 实 例 图 1 1 非隔离 B u c k型 A C-A C变换器 电路结构与拓 扑实例 5 2隔 离型 用周波变换器代替图 7电路结构 中的逆变器,可 派生得 到 B u c k型低频 环节 AC-AC变换 器 4 ,如 图 1 2 所示。该电路结构具有低频 电气隔离、电路结构简单、单级功率变换 L F AC _ L F AC、双向功率流、网侧功率 因 数高、变换效率高、变压器体积和重量 大、音频 噪声大 和同频变换等特点。用周波变换器代替图 4电路结构 中的有源功率开 关,可派生 出图 1 3所示 的 B u c k型高频环节 AGA C 变换器 5 。该电路拓扑能够将一种不稳定的劣质交流 电变换成另一种同频稳定或可调的优质正弦交流 电,7。2 0 1 0年 3月2 5日第 2 7卷第 2 期 通 往 电 海 技 术 Te l e c o m P o we r Te c h n o l o g y Ma r 2 5,2 0 1 0,Vo 1 2 7 No 2 具有高频 电气 隔 离、电路 拓扑 简 洁、两 级 功率 变 换(L F AC _ HF AC _ L F AC)、双向功率流、网侧功率因数得 到了改善、功率密度高、变换效率高、负载适应能力强、输出容量大、音频噪声低、成本低等优点。奉 瓣(a)电路结构(b)拓扑实例 图 1 2 B u c k型低频环节 A C-A C变换器 电路结构与拓扑实例(a)电路结构(b)拓 扑 买例 图 1 3 B u c k型高频环节 A C-A C变换器 电路结构与拓扑实例 设计 实例:单极 性移相 控制,U。=2 2 0 v s o Hz AC,Uo=1 1 0 V S 0 Hz AC,S=1 k VA,S s=4 0 k Hz,负载为感性满载时输出电压和输出电流试验波形如图 1 4所示。6 结论 非隔离、隔离 B u c k型变换器不仅可用以实现 D C-D C电能变换,而且还可用 以实现 I)C-AC、AC-D C和 AC AC电能变换。从基本的非隔离和隔离B u c k 型变 8 7 I?。I。|一 弛 :。:l :-t(5 ms d i v)图 1 4 感性满载 时输 出电压和输 出电流试验波形 换器电路拓扑可以演化、派生出一 系列用 于不 同电能 变换的电路结构和拓扑,给出了部分试验结果,对于电 力 电子学拓扑的研究具有参考价值。参考文献:1 陈道炼静止变流器(国防科工委“十五”重点规划专 著)M 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2 0 0 4 2 曾春保,陈道炼 性能优良的电流型控制逆变电源 J 电 力电子技术2 0 1)8,4 2(2):3 8 3 9,6 4 3 陈道炼,张友军 单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变 器研究 J 中国电机工程学报,2 0 0 3,2 3(4):2 7-3 0,3 7 4 陈道炼A C AC变换技术 M 北京:科学出版社,20 08 5 D a o l i a n C h e n,J i a n L i u T h e Un i-P o l a r i t y P h a s e-S h i f t e d C o n t r o l l e d Vo l t a g e M o d e AC-AC Co n v e r t e r s wi t h Hi g h F r e q u e n c y AC l A n k J o n P E,2 0 0 6,2 1(4):8 9 9-9 0 5 】,】,】,】,lb ,】,-】,】,】,-霉 鳓 太阳能产业走向专业分工,品牌 与技术为致胜关键 根据 D I GI T I ME S Re s e a r c h 对全球 太 阳能产业 的观察,表 示 2 0 1 0年该市场发展将持续延续 2 0 0 9年趋势,在各国规划大 幅调降收购 电价后,太阳能系统价格将持 续下跌 以维持基本报 酬率,太阳能制造版图将持续朝低生产成本地区转移。DI G I T I ME S R e s e a r c h分析师梁智恒指出,在制造业务转 移至亚洲后,欧系太阳能厂将专注于下游模块 与系统开发的品 牌经营,在各国陆续推出新的补助方案后,新兴太阳光电市场 将增加,在欧 日成熟太阳光电市场 13益竞争下,新市场提供新 进业 者切人 系统 开发 机会。因此,当市场规模扩大,专业分工合作趋势成形后,将加速 产业策略合作与整并进行。梁智恒分析,短期台湾太阳能电池 产业 以技术优势,与大陆太 阳能产业 形成 互补,然 台湾 太阳能 产业须在技术与品牌经营两大方面持续努力,才能在两岸太阳 能产业竞合关系中占有不可或缺的地位。(摘 自:世 纪电源网)
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Buck
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