电力电子技术-晶体管功率电路1(BUCK)

1、1 电力电子技术 Power Electronics第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路2第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路 电路分类：电路分类：按开关管数量分：单晶体管电路按开关管数量分：单晶体管电路 多晶体管电路多晶体管电路按是否隔离分：按是否隔离分： 隔离型隔离型 非隔离型非隔离型按功能分：按功能分： DC/DC DC/AC概概 述述3 第一节第一节 单晶体管功率电路单晶体管功率电路 基本电路基本电路-六个：六个： 降压式（降压式（Buck ） 升压式（升压式（Boost） 升升/降压式（降压式（Boost/Buck） 丘克变换器（丘克变换器（Cuk） Zeta变换器变换器

2、 Sepic变换器变换器基本基本n电路特点：电路特点： 单个开关功率管，单个开关功率管，电路简单电路简单，适于中小功率，适于中小功率4 第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路-概述概述 将一种直流电变为另一种直流电 如何实现如何实现?例例 5 第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路-概述概述例：一个例：一个500W dc-dc功率变换器功率变换器三种解决方案：三种解决方案：1.电阻分压电阻分压2.线性稳压电路线性稳压电路3.高频开关电路高频开关电路6例：例：500W dc-dc功率变换器功率变换器 特点举证特点举证n电阻分压器电路电阻分压器电路缺点：低效率缺点：低效率缺点：低效率，缺点

3、：低效率， 不能自动调压不能自动调压n线性调节器线性调节器7例：例：500Wdc-dc功率变换器功率变换器 特点举证特点举证 提高效率？提高效率？开关变换电路开关变换电路8例：例：500Wdc-dc功率变换器功率变换器 特点举证特点举证 高效率的开关变换电路高效率的开关变换电路基本工作原理：基本工作原理：稳压原理稳压原理： 调节占空比调节占空比D=T1/TS特点：特点： 损耗小，效率高损耗小，效率高 开关频率越高开关频率越高LC越小越小9直流斩波器 一种最简单的高频开关电路 电路构成： 功率开关管Q 图 92 斩波器 10直流斩波器（1）工作原理分析 当Q导通时：11直流斩波器 当Q关闭时：1

4、2直流斩波器 输出电压平均值Uo：式中 TON为Q导通时间， TOF为Q截止时间， T为开关周期:T=TONTOF D为斩波占空比: D=TON/T 平均负载电流改变占空比DUoUoUi13 输入功率等于输出功率：（假设损耗为零） 斩波器输入电阻：直流斩波器TON=DT14Buck 在负载端加上LC滤波环节，以减小输出电压纹波直流斩波器如何减小输出电压电流脉动？L15一一.降压式变换器降压式变换器 （Buck Converter）(一)BUCK基本工作原理及模态分析基本工作原理及模态分析(二) 变换器的外特性(三) 电路参数的选择(四) 实际降压式变换电路16（一）（一）Buck变换器原理及模

5、态分析变换器原理及模态分析Q ,D, L, C四个元件四个元件Q为全控型半导体器件为全控型半导体器件假设：假设：Ui为理想直流电压源；为理想直流电压源；C很大；很大；UO为直流电压；为直流电压；器件为理想的；器件为理想的；电路构成电路构成17BUCK电路模态分析当Q导通时：因 Uo临界连续22电流临界连续状态电感电流临界连续: iLmin0, iLmax=i; TOF结束时,iL=iLmin=0; 电感电流临界连续时的负载电流平均值称为临界连续电流IGubuAiLttUiti=2IG23电流临界连续状态 临界电流连续仍满足连续时工作分析，联立求出：ubuAiLttUiti=2IG24电流临界连

6、续状态临界电流与占空比是二次函数关系D0.5时，临界电流达到最大值IG/IGmax25电流断续 当负载减小时 连续-临界连续 当负载进一步减小 临界连续-断续连续临界连续当I0IG时，电流连续当I0IG时，电流断续26连续临界连续UiQ+_ubbALCRLUo+_DUiQ+_ubbALCRLUo+_D电流断续时的工作模态分析UiQ+_ubbALCRLUo+_D断续QONQOF27电流断续时数值分析输出电流的平均值Q导通导通:ONoiONTUULi1UL=UoQ截止（电流下降）截止（电流下降）:UL=Ui-Uo, 1OFoOFTULiTOFuAiLttTOFUoIoUiQ+_ubbALCRLUo

7、+_DUL28 将TOF代入 即有输出电流： 得到输出电压：电流断续时分析D不变，不变，Io 、UO ； IO变化，要稳定变化，要稳定Uo，应，应改变改变D29BUCK变换器的外特性标幺曲线右边为电流连续，输出电压只与占空比相关右边为电流连续，输出电压只与占空比相关左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关当当Io0时，输出电压均为输入电压时，输出电压均为输入电压电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很大，易失控大，易失控 在实际工作中，一般设计在连续工作状态，以最小负载电流作为电感电流临界连续值,作为设计电感依

8、据30（三）电路参数设计 设计条件： 输入直流电压的额定值以及变化范围 输出电压、输出电流最大值和最小值 输出电压的稳定度及纹波电压要求等31（三）电路参数设计设计步骤1 效率估算： 为什么要先估算效率？ 计算电路中处理的全部功率，便于工作电流计算 采用晶体管的开关损耗等于导通损耗 fRs, Ls，电容呈容性 随着工作频率的增高，电容器的1/C 减小，而Rs, Ls 相对的影响逐渐增大 当大于电容谐振频率( )时，甚至呈现电感性，失去滤波性能 对于开关瞬间的高次谐波，电容已无抑制作用39（三）电路参数设计（电容） 由于这些影响，实际的C选取： 对于高频开关电路，应采用ESR，ESL尽可能小的高频电容 在高频应用时，电容量应在计算的基础上适当放大 采用多个电容关联，可减小ESR影响 为抑制尖峰，常用高质量无极性电容与电解电容并联40（四）实际降压式变换电路 由于晶体管、二极管有导通压降，