第十二次课 电力半导体

1、第十二次课 电力半导体课件第1页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。图3.2.2 电感电流波形图 Buck变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流临界连续状态电感电流断流模式第2页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一 (3.2.4) 1）电感电流iL连续模式 ：在ton期间:电感上的电压为 由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成式中IL=I2I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。第3页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一

2、 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) 1）电感电流iL连续模式 ：在toff期间:假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期S为 上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL= I2I1可得第4页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一2）电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为： 即电感电流临界连续时的负

3、载电流平均值为 ： 式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。 当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续； 当实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；(3.2.10)(3.2.11)第5页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一输出纹波电压： 在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为 其中f为buck

4、电路的开关频率， fc为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。（） 第6页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第7页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一1) 定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压

5、2）原理图第8页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。toff工作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载RL提 供能量。可得： 式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在0D1的变化范围内 UoUin图3.3.1 升压变换电路及其波形第9页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一4）Buck变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：

6、 当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。 当实际负载电流Io = Ick时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流。 (2.3.11)第10页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一 T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。 T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C充电。 图3.3.1 升压变换电路及其波形 总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段: 第11页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一 没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路

7、情况下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间 ( )电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。总 结： Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。 实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。 Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。第12页，共21页，2022

8、年，5月20日，17点44分，星期一 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第13页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一1) 概述： 升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。图升降压变换电路原理图第14页，共21页，2022年，5月

9、20日，17点44分，星期一2）工作原理： ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。 toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。 图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)第15页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一2）工作原理：（续）在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得： 由 , 的关系，求出输出电压的平均值为： 上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5DUd，为升压变换；当

10、0D0.5时，U0Ud，为降压变换。(3.4.5)第16页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一3）工作原理：（续）采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIck时，电感电流连续。 实际负载电流Io = Ick时，电感电流处于临界连 续(有断流临界点)。 实际负载电流IoIck时，电感电流断流。(3.4.5)第17页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一 3.1 直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压

11、器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第18页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容图（a）库克(Cuk)变换电路原理图第19页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形 晶闸管关断晶闸管开通第20页，共21页，2022年，5月20日，17点44分，星期一1） Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这