电力电子-课件09晶体管功率电路

1南京航空航天大学航空电源重点实验室第九章晶体管功率电路反馈控制调D/稳压原理2南京航空航天大学航空电源重点实验室第九章晶体管功率电路单晶体管功率电路多晶体管功率电路DC/DC，DC/AC和AC/DC输入输出不隔离输入输出隔离单端正激单端反激降压升压升降压3学习要点：电路拓扑工作原理外特性参数计算南京航空航天大学航空电源重点实验室第九章晶体管功率电路4一、降压(Buck)式变换器1.直流斩波器Q:onoff南京航空航天大学航空电源重点实验室第一节单晶体管功率电路5式中

T=1/f f---开关频率

D---占空比，

D=TON/T南京航空航天大学航空电源重点实验室第一节单晶体管功率电路62.Buck变换器Q－主开关管D－续流二极管L，C－输出滤波元件i南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器7（1）工作原理：电感电流连续模式Qon（导通）期间：Qoff（关断）期间：稳态时

-ΔiOF=ΔiON=ΔiUo=DUi,Io=（9－4）（9－5）（9－6）（9－7）南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器8(2)变换器理想条件(理想器件)下外特性在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流(这里实际上是平均电流)的关系称为变换器的外特性

电感电流有:连续,临界连续,断续三种情况

对于Buck变换器:Io=IL南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器9电感电流断续时(9-18)南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器10综合式(9-6)和(9-18),得外特性:南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器11电感电流临界连续时:(平均)输出电流IG:

(负载电流)IGi02IGt可导出：(9-9)南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器12iD=0.5时IG=max的解释南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器13(3)元件参数选择

A.晶体管Q参数：峰值电流IQP=Io+Δi/2=Io+IGmax

电流定额

ICM>2IQP

电压定额U(BR)ceo>=1.5Uimax南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器14B.二极管D参数：电流有效值:

电压定额UDR≥2Uimax南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器15C.电感L

按临界连续电流值IG设计(最小)电感值由式(9-9):

(9-27)南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器16D.电容(理想元件)iL=Io+ΔiIoΔiitToffonIoΔic(9-23)交流分量南京航空航天大学航空电源重点实验室Buck变换器17NUAABuck变换器—小结工作原理分析：(iL连续)on/off期间的回路方程+边界条件----Uo=?×Ui外特性------连续,临界连续,断续三种情况的汇总;临界连续点参数计算:Q----电压（稳态承受电压：Ui）,峰值电流

D---电压（稳态承受电压:Ui),电流有效值/平均电流定额

L-----按临界连续电流设计

C----按输出电压纹波设计Buck变换器基本特点:

降压,ii纹波大、而io纹波小,IL＝Io18NUAABuck变换器—小结几个公式：

Uo=DUi

(9-6)(9-9)(9-27)，同（9－9）(9-32)参数计算：（最小值）19NUAABuck变换器—小结另一种分析方法:

L伏-秒面积平衡(Ui-Uo)*DT-Uo*(1-D)T=0Uo=DUiuLt-UoUi-UoDT(1-D)TTUiUo+-20NUAABuck变换器作业:9-1(1)~(4)忽略Rsat和关断时间21NUAABoost变换器二、升压(Boost)式变换器onoff22NUAABoost变换器等效电路

onoffiLQDonoff23NUAABoost变换器1.工作原理：电感电流连续模式Qon（导通）期间：Qoff（关断）期间：稳态时

-ΔiLOF=ΔiLON（9－47）（9－48）（9－51）24NUAABoost变换器(9-52)iLtiDΔi

0D=0.5时IG=max(2)变换器理想条件(理想器件)下外特性电感临界连续时平均输出电流IG:

Io＝ID

TonTTonT25NUAABoost变换器电感电流断续时(9-18)26NUAABoost变换器外特性:273.元件参数选择(1)开关管

A.晶体管Q类型：GTR,MOSFET,IGBT参数：峰值电流IQP=Ii+Δi/2=?

电流定额

ICM>2IQP

电压定额U(BR)ceo>=1.5UoNUAABoost变换器28B.二极管D类型：高压---快恢复二极管或超快恢复二极管低压---肖特基二极管参数：电流有效值:

电压定额UDR>=2UoNUAABoost变换器29(2)电感L参数：按临界连续电流值Iomin设计电感值由式(9-52):(9-61)NUAABoost变换器30(3)电容NUAABoost变换器(9-63)31NUAA有源功率因数校正:APFC4.有源功率因数校正功率因数的定义:其中：即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数32NUAA有源功率因数校正:APFC整流桥AC输入负载tuiniin整流桥AC输入负载PFC变换器tuiniin比较33NUAA有源功率因数校正:APFC平均电流控制BoostPFC基本原理框图稳压控制输入电流形状控制34NUAA有源功率因数校正:APFC35内容:

拓扑

工作原理分析特性:on/off等效电路状态方程

参数设计几个特点:

1.iin=iL;Io=ID

2.峰值电流:iQ

、iD

和

iL相同

3.输入电流纹波小而输出电流纹波大.NUAABoost变换器:小结36几个公式:

(9-51):

(9-52)(同Buck):

,IGmax

(9-61):

(9-63):

IPQ＝

IDrms＝

Q、D电压应力：UoNUAABoost变换器:小结P18337NUAABoost变换器作业：9－3补充：图9－10理想Boost变换器，画出uL、uce、uD及iL、iQ、iD波形：a）iL连续；b）iL断续。38NUAABuck-Boost变换器三、升/降压（Buck-Boost）变换器和丘克(Cuk)变换器1。Buck-Boost变换器39NUAABuck-Boost变换器工作原理：电感电流连续模式Qon（导通）期间：Qoff（关断）期间：稳态时

-ΔiLOF=ΔiLON（9－64）40NUAA2。Cuk变换器

(自学)41NUAAFlyback变换器四、具有输入与输出隔离的单管变换器1.单端反激(Flyback)变换器-Isolatedbuck-boostconverter原边副边N1:N2offon

ceuceb42NUAAFlyback变换器iL1iL2

等效电路:onoff电感:储能释放能量(原边等效L1)(副边等效L2)L1/L2=N12/N22－＋43NUAAFlyback变换器工作原理：电感电流连续模式Qon（导通）期间：Qoff（关断）期间：于是（9－87a）升降压式变换器又:on--off--on转换前后瞬间:L中的储能不变或(9-85)(n=N2/N1)1:n或N1:N2iL1

iL244NUAAFlyback变换器电路外特性

45NUAAFlyback变换器(2)电路参数设计(iL连续时):Q,D,L,C稳态时Q电压应力(正):Ui+UO/n(9-104)D电压应力(反):nUi+UO(9-105)解释:offonUo1:nUo/nnUi1:nUi46NUAAFlyback变换器原边副边N1:N2offon

ceucebu1u2Ui+Uo/nn=N2/N1u1UiUo/nuDUiUo+Uinu2=nu1onoff图9-19(b)补充47NUAAFlyback变换器Flyback特点:

简单(T兼作L)，输入电压范围宽，输入输出电流纹波都大，Q电压应力高

适于小功率应用48NUAAFlyback变换器作业:9-2(a)(2004未做)

说明:同名端;下节课给提示

9-5(只做”反激变换器”部分)49NUAAForward变换器2.单端正激(Forward)变换器-Isolatedbuckconverteron

offTR50NUAAForward变换器

工作原理分析(iL连续时):on---1)变压器正向磁化;off---1)变压器反向去磁;

2)D1通2)D3续流

UinUi1:n51NUAAForward变换器on

offTRΔФTOFF1)

变压器:磁化与去磁回零TR<TOFF含义52NUAAForward变换器TOFF否则变压器饱和153NUAAForward变换器2)副边相当于Buck:Uo=D*(Ui*N2/N1)其它:外特性;器件应力,器件选择(自行分析)54NUAAForward变换器作业补充题:

正激变换器如图9-22,电感电流连续。分析Q,D1和D3的电压应力(画出uce、uD1、

uD3和ub波形);设临界连续负载电流In,允许输出电压纹波ΔU,计算L,C值思考题:2004未做

9-6(提示:Q2的驱动;附加部分与已学拓扑比较)55NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小结Buck-Boost（9－64）图9－656NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小结Flyback图9－19（9－87a）(n=N2/N1)57NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小结Forward图9－22(n=N2/N1)Uo=DnUi

（9－106）58NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小结作业提示:9-2(a)：on/off转换时安匝不能突变

9-5:分别画出on/off等效电路，分析Uo/Ui，应力等

9-659NUAA第二节多晶体管功率变换电路1.推挽变换器(Push-PullConverter)60NUAA推挽变换器Q1、Q2交替导通、带阻性负载时:ub1ub2Bu2Q1通Q2通图9－23（b）Q1导通：Q2导通：UiN2/N1161NUAA推挽变换器Q1、Q2交替导通、带纯感性负载时:D1续流：Q2导通：Q1导通：D2续流：+-+--+-+62ub1＝“1”ub2＝“1”控制信号导通管D1Q1D2Q2NUAA推挽变换器63NUAA推挽变换器64Ui/22.半桥变换器NUAA半桥变换器(Half-BridgeConverter)65☆

D1、D2作用－－续流☆

Q1、Q2和D1、D2的电压应力：Ui

电流应力：Io*nNUAA半桥变换器uN1Ui/2-Ui/20uN10☆C值大小的影响:C足够大C较小时66+-3。(1)单相全桥变换器NUAA全桥变换器(Full-BridgeConverter)图9-27(a)桥式功率电路67移相控制(PhaseShiftingControl)全桥变换器的工作原理NUAA全桥变换器T导通管Q？:4,11,22,33,4

图9-27(c)Ui－Ui68全桥变换器逆变输出:互补导通、带电感负载时NUAATub1,4ub2,3

uoio

导通管:D4,1Q1,4D2,3Q3,4

69全桥变换器---在输入输出相同的条件下

N1/N2是半桥的2倍

Q1~Q4的电压应力：Ui(同半桥)

电流应力IO*N2/N1,是半桥的一半NUAA全桥变换器70NUAA

Secondaryrectifiertopologiesforpush-pull,half-bridgeandfull-bridgeconvertersu20Center-TappedFull-BridgeCurrent-DoublerRectificationRectificationRectification+++71NUAA

作业：9－92004年未做

提示:忽略开关损耗;Q1或Q2导通时分别等效为Rsat，并作出等效电路72NUAA第三节：第10章之后讲73NUAA第四节输出波形的控制和电压调节逆变器的输出电压有效值和波形调节1.单脉宽调制－－半个输出电压周期内只有一个调制脉冲原理：74NUAA1.单脉宽调制载波(调制波)频率=输出基波频率*2定义调制度M＝Ar/Ac改变调制度,则输出电压有效值和失真度等随之改变75NUAA2.正弦脉冲宽度调制SPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)Q1,/Q3Q2,/Q4图9-55(a)调制原理(单极性调制):最低次谐波：2p-1次，p：半周期调制脉冲个数,p=3.576NUAA2.正弦脉冲宽度调制SPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)调制原理(双极性调制)u1tE-E单极性调制—正半波由0,1组合而成、正半波由0,-1组合而成;双极性调制—正负半波均由1,-1组合而成77NUAA2.正弦脉宽调制

SPWM的闭环控制

类似DC-DCPWM闭环控制，只是:1)基准（系统给定）为正弦波

2）载波一般为三角波78NUAA第四节输出波形的控制和电压调节本节其余内容不作要求注意:以上各种调制方式,调制输出波形奇对称,

所以输