第九章-晶体管功率电路3ppt课件

1、第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路(3)反激变换器反激变换器南航南航电力电子电力电子课程组课程组 引言引言n已学过的非隔离变换器是否已经能够满足已学过的非隔离变换器是否已经能够满足实际应用的需要了呢？实际应用的需要了呢？n参考电位的不同、安全的需要等要求参考电位的不同、安全的需要等要求输输入输出电气绝缘入输出电气绝缘n重点掌握重点掌握：变压器的工作特点、有变压器：变压器的工作特点、有变压器电路的分析方法电路的分析方法具有输入和输出具有输入和输出隔离隔离的单管变换器的单管变换器n特点特点: : 输入输出隔离输入输出隔离; ;可以多路输出可以多路输出; ; 可以可以升降压升降压. .n常用

2、电路常用电路有有: :单端反激式和单端正激式两种单端反激式和单端正激式两种n适合中小功率输出适合中小功率输出n反激变换器 由由电感变压器电感变压器T，晶体管晶体管Q，二极二极管管D和和滤波电容滤波电容C组成，与组成，与Buck等单管电路元等单管电路元件数相同件数相同单端反激式变换器单端反激式变换器-Q导通时导通时Q ON时时: n晶体管导通时，晶体管导通时，D截止截止n电感变压器作电感运行电感变压器作电感运行n电感储能电感储能n输出负载由电容提供能量输出负载由电容提供能量dtdiLUi11122/ NNUuiONiTLUiii1min1max11)(D管承受电压？管承受电压？-UiN2/N1-

3、UoUi+ +_ _Uo+ +_ _DCubLRQ2i1imax22max11iNiN单端反激单端反激flyback关断瞬时关断瞬时单端反激式变换器单端反激式变换器-Q截止时截止时Q OFF时时: n晶体管截止晶体管截止n感应电动势决定感应电动势决定D导通导通n电感储存能量向电容和电感储存能量向电容和负载提供负载提供u2dtdiLUo22oUu 2bu1i2uONTOFTmax1imin1itttt2imax2imin2iOFoTLUiii2min2max22)(Q管承受电压？管承受电压？UON1/N2+Ui单端反激式变换器状态分析单端反激式变换器状态分析n在稳态时，转换瞬间在稳态时，转换瞬间

4、磁势连续磁势连续：n即即n此外，电感与匝数的平方成正比此外，电感与匝数的平方成正比(P306)(P306)n代入前式代入前式min22min11max22max11iNiNiNiN和2211iNiN22211LNNLiiOFONUDDnUNNTTU1120 121NNDUDUoi及应用及应用单端反激电路组成和工作原理单端反激电路组成和工作原理 u u2 2max2imin2i 11/LDTUii22/)1 (LTDUio单端反激电路组成和工作原理单端反激电路组成和工作原理 ()2()D avavoiiI隔离变压器与铁芯磁通隔离变压器与铁芯磁通n如图的变压器工作情况：n变压器的工作情况： u1

5、u2n电压和磁通满足：n当电压为正时，磁通增长当电压为负时，磁通减小n变压器的设计保证一周期内磁通变化量为零！duNdt单端反激式变换器状态分析单端反激式变换器状态分析n在在Q导通时（承受正向电压）：导通时（承受正向电压）：n在在Q关断时：关断时：（承受反向电压）（承受反向电压）nQ导通时磁通增量等于导通时磁通增量等于Q关断时关断时磁通减量：磁通减量：n即在一个周期内，磁通变化量为零，即在一个周期内，磁通变化量为零，可以完成磁复位。可以完成磁复位。1101111onTiu dtU DTNN2202211(1)offTou dtUD TNN01iDnUUD单端反激式变换器的同名端变化单端反激式变

6、换器的同名端变化n对于反激式变换器，在一个周期对于反激式变换器，在一个周期内，可以自动完成磁复位。内，可以自动完成磁复位。n如果将反激式变换器的变压器同如果将反激式变换器的变压器同名端改为相同端，则不能完成磁名端改为相同端，则不能完成磁复位！复位！单端反激式变换器单端反激式变换器n反激式变换器中的电反激式变换器中的电感变压器起着电感和感变压器起着电感和变压器的双重作用变压器的双重作用n具有电感电流连续、具有电感电流连续、临界连续和断续临界连续和断续3 3种种工作模式工作模式n电流连续时电压关系电流连续时电压关系121NNDUDUoin断续模态分析u21i2it00ONTOFTmin1imin2

7、imax1imax2it1i2itt00（图图920）单端反激式变换器电路外特性单端反激式变换器电路外特性 nQon:nQoff, 电流下降（电流下降（Tr）nQoff, 电流为零电流为零dtdiLUi11dtdiLUo220LU单端反激式变换器电路外特性单端反激式变换器电路外特性 在三种电路状态下，Q和D上的电压波形？12ioNUUN21oiNUUN电流断续时工作分析电流断续时工作分析n输出平均电流输出平均电流 n晶体管关断电流下降时电路关系式：晶体管关断电流下降时电路关系式：代入化简代入化简222222222221121122(/)22OOoooi LiLiITUTULiNNLiTUTUR

8、oTiTI2122222iULTTiLUoRRo式中式中TR为电流下降时间为电流下降时间电流断续时工作分析电流断续时工作分析n在在Q Q导通时有导通时有i i1 1的电路方程的电路方程n所以输出平均电流所以输出平均电流n如果以输出电压作为变量：如果以输出电压作为变量：222211111(/)222iONiOoooL U TLU D TLiITUTULU11/LDTUiioioiofILDUILTDUU12212222电流断续时工作分析电流断续时工作分析n电流断续时，输出电压：电流断续时，输出电压：n当负载电阻加大，当负载电阻加大，I Io o减小时，输出电压升高减小时，输出电压升高n当输出开路

9、时，输出无穷大，将损坏电路当输出开路时，输出无穷大，将损坏电路n所以，所以，反激电路不能开路输出反激电路不能开路输出oiofILDUU1222n 临界连续模态分析1i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt001i2itt002(1)2GoiIID21(2/1)iU DTinNNLn1(1)2iGU TIDDLn单端反激式变换器电路外特性单端反激式变换器电路外特性 电流临界连续时工作分析电流临界连续时工作分析n临界电流临界电流n当当D=0.5D=0.5时，有最大临界电流时，有最大临界电流n所以，临界电流也等于所以，临界电流也等于1(1)2iGU TIDDLn

10、max18iGU TILnmax4(1)GGIIDD121NNDUDUoioioiofILDUILTDUU122122221(1)2iGU TIDDLn单端反激式变换器电路外特性 参数选择参数选择n(3)参数选择参数选择n功率管功率管Q,Dn电感电感L:由临界连续负载电流定由临界连续负载电流定1122(ioiQPipiIPU TiIIDDDUL连 续 ）DUUDDUnUUUiiioice1122iOQPipiIPIIDDU（断续）1i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt00DUUnUUooiDR/222(1)1212(oooDPpIIU TiIIDDDL

11、连续）122popIIPInn DU（断续）1i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt00C. 变压器原边电感值（根据变压器原边电感值（根据IG设计）设计）1(1)2iGU TIDDLn连续模式连续模式断续模式断续模式22(1)(1)22ioooU TDLDDUI nn fI2min2min(1)2ooDLUn fI2max2max(1)2ooDLUn fIminoGIImaxoGII作业：作业：nP225页， 9-2第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路(4)正激变换器正激变换器南航南航电力电子电力电子课程组课程组 引言引言n输入输出要求电气绝缘带隔

12、离的直流变换器输入输出要求电气绝缘带隔离的直流变换器n重点掌握重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的：变压器的工作特点、有变压器电路的分析方法分析方法n特点特点: : 输入输出隔离输入输出隔离; ;可以多路输出可以多路输出; ; 可以可以升降压升降压. .n常用电路常用电路有有: :单端反激式和单端正激式两种单端反激式和单端正激式两种隔离变压器与铁芯磁通隔离变压器与铁芯磁通n如图的变压器工作情况：如图的变压器工作情况：n当电压为正时，磁通增长当电压为正时，磁通增长当电压为负时，磁通减小当电压为负时，磁通减小n变压器的设计保证一周期变压器的设计保证一周期内内磁通变化量为零！磁通变化量为零！n

13、当满足磁通变化量为零条件，当满足磁通变化量为零条件，称之磁复位称之磁复位n即要求变压器正负伏秒平衡！即要求变压器正负伏秒平衡！10Ldu dtN单端反激式变换器的同名端变化单端反激式变换器的同名端变化n对于反激式变换器，在一个周期对于反激式变换器，在一个周期内，可以自动完成磁复位。内，可以自动完成磁复位。n如果将反激式变换器的变压器同如果将反激式变换器的变压器同名端改为相同端，则不能完成磁名端改为相同端，则不能完成磁复位！复位！变压器的磁复位的必要性变压器的磁复位的必要性n在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射分在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射分量量i2和磁化电流分量和磁化电流分量i

14、mn磁化电流将能量储存在变压器磁芯中磁化电流将能量储存在变压器磁芯中n问题：问题：q当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会造成当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会造成过大的电压应力，危害功率器件过大的电压应力，危害功率器件; q仅有单方向磁通变化，无法去磁，磁通会饱和仅有单方向磁通变化，无法去磁，磁通会饱和n解决方法：变压器额外加上复位绕组解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极管和二极管2正激式变换器的电路变化正激式变换器的电路变化nBUCK变换器变换器n带变压器隔离带变压器隔离BUCK变换器变换器n带磁复位正激式变换器带磁复位正激式变换器输入输出间无法隔离变压器的无法实现磁复位正激式变换器

15、正激式变换器(1)电路构成及工作原理电路构成及工作原理n它是由变压器它是由变压器T，晶体管，晶体管Q，二极管，二极管D1，滤波，滤波电感，滤波电容电感，滤波电容C，电感续流二极管，电感续流二极管D3组成组成n此外还有磁复位绕组，磁复位二极管此外还有磁复位绕组，磁复位二极管D2稳态工作状态分析稳态工作状态分析1n当当Q导通时：导通时：q变压器星号为正端，副边形成功率通路变压器星号为正端，副边形成功率通路qu2=n*ui (n=N2/N1为变比为变比)qD2反压截止反压截止qD3反压截止反压截止稳态工作状态分析稳态工作状态分析2n当当Q截止时：截止时：q变压器星号为负端变压器星号为负端qD2导通，

16、完成磁复位导通，完成磁复位qD3导通，为电感电流续流导通，为电感电流续流正激式变换器的输出电压（伏秒平衡）正激式变换器的输出电压（伏秒平衡）nT ON时时: D1导通，电源向副边提供能量，电导通，电源向副边提供能量，电感感L磁通增长：磁通增长：nT OFF时时: D1截止，电感截止，电感L磁通减小：磁通减小：n单周期磁通平衡：单周期磁通平衡：n即：即：2001()onTLiNU dtUUDTN(1)onoffonTTLoTU dtUD T 201()(1)ioNUUDTUD TN21oiNUU DN正激式变换器的输出电压正激式变换器的输出电压nT ON时时: D1导通，传递能量导通，传递能量n

17、T OFF时时: D1截止，磁复位，截止，磁复位，D3续流续流n实际上和降压变压器工作方式类似实际上和降压变压器工作方式类似n设设n那么输出电压：那么输出电压：2oiUDUDnU2121UnUNnN式 中复位绕组工作分析复位绕组工作分析n当当Q导通时，导通时，D2截止，截止，N3不参与能量传输不参与能量传输n当当Q截止时，截止时，N3上感应电势反号，迫使二极管上感应电势反号，迫使二极管D2导通。将存储在铁心中的能量返回电源，导通。将存储在铁心中的能量返回电源，使铁心复位，使铁心复位，n磁复位时，磁复位时，N上的感应电势箝位于上的感应电势箝位于正激式变换器正激式变换器on-1) 变压器正向磁化变

18、压器正向磁化; 2) D1通通1iONONU TN3iROFU TN磁通状态分析磁通状态分析 off-1)变压器反向去变压器反向去磁磁; 2) D3续流续流 Ui1) 变压器变压器:磁化与去磁磁化与去磁要求单周期磁通变化回零：要求单周期磁通变化回零：即：即：TRTOFF磁通状态分析磁通状态分析1iONONU TN3iROFU TN3iROFU TN1iONONU TN(1)RTD TTOFF113NDNN否则变压器饱和否则变压器饱和磁通状态分析磁通状态分析3311RONNNTTDTNN若若N1N3，TR=?若若N1N3，TR=Ton=DT3绕组的工程设计绕组的工程设计n由于：n所以：q当N3N

19、1时，D可以大于0.5，但晶体管耐压提高q通常N3N1时，D0.5，以保证磁心复位q为了使从将导通期间存储于磁场中的能量全部返回电源，N1必须与N3紧密耦合，通常采用并绕113NDNN电应力分析（电应力分析（Q）nQ管何时出现最大电压？n晶体管关断磁复位时，Q上承受最大电压为113QiiiUUUNUUN电应力分析（电应力分析（D1）nD1何时出现最大反压？n晶体管关断磁复位时，D1上承受最大反压：213DiNUUN电应力分析（电应力分析（D2）nD2何时出现最大反压？n晶体管导通时，D2上承受最大反压：321DiiNUUUN电应力分析（电应力分析（D3）nD3何时出现最大反压？n晶体管导通时，

20、D3承受最大电反压221DiNUUN课堂习题：课堂习题：n工作条件：电流连续n根据Q的开关控制波形做出磁通, uQ,uD1,uD2,uD3波形n设Ui=100V, N1:N2:N3=10:1:10,标注各数值大小课堂习题答案：课堂习题答案：n工作条件：电流连续n根据Q的开关控制波形做出磁通, uQ,uD1,uD2,uD3, uN1 波形n设Ui=100V, N1:N2:N3=10:1:10,标注各的数值大小uN1 工作波形与应力分析工作波形与应力分析(3)工作波形：工作波形：电流连续时电流连续时工作波形与工作应力工作波形与工作应力(3)工作波形：工作波形：电流断续时电流断续时变压器磁复位电路变

21、压器磁复位电路1 利用利用DW进行变压器磁复位进行变压器磁复位 工作最大工作最大D与稳压值有关与稳压值有关变压器磁复位电路变压器磁复位电路2双管正激变换器双管正激变换器nQ1和Q2分别串接于变压器初级端的顶端和底端，两个开关管同时导通和关断n当它们导通时，所有初级和次级的同名端为正，功率传递给负载变压器磁复位电路变压器磁复位电路2双管正激变换器双管正激变换器n当它们关断时，存储于变压器励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向。nN1激磁电流经D1-Vdc-D2向电源返回磁能，完成磁复位变压器磁复位电路变压器磁复位电路2双管正激变换器双管正激变换器nN1的同名端电位被二极管D1箝位至地电位，N1的异名端电位被二极管D2箝位于Vi。nQ1的发射极电压不会低于0V，Q2的集电极电压也不会超过Vdc，漏感尖峰被箝位，使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。课程总结课程总结n正激电路结构和工作原理n正激电路的波形分析n正激电路的磁复位原理n正激电路的磁复位限制条件（最大占空比）n正激电路的器件电压应力分析n几种衍生正激型变换电路n如图所示为单端正激DC/DC变换电路，开关管工作在开关状态，设输出电容足够大输出电压为一平直的直流电压，N1：N2：N3=14：1：14。（1）在图中画出原边开关管