电力电子技术课件：第九章 晶体管功率电路

第九章晶体管功率电路

引—关于晶体管功率电路

在全控器件的基础之上，晶体管功率电路通过控制基极或栅极信号高速地开关，常用于DC-DC、DC-AC以及DC和AC调速。（根据输入信号和器件符号判断晶体管电路还是SCR电路）重点掌握：电路拓扑、工作原理和波形及基本公式推导、数量关系和参数设计。

第一节单晶体管功率电路简介非隔离式单管变换器（基础）BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepic隔离式单管变换器（衍生来）(Buck

)单端正激(Buck-Boost

)单端反激单晶体管功率电路是各种电路拓扑的基础，按照是否隔离Pg171图9-1基础！1.直流斩波器2.BUCK电路（理想电路）

（1）电路工作原理★

（2）电路理想时的外特性

★ （3）元件选择△

（4）实际Buck变换器一、降压式变换器（BUCK）1.直流斩波器2.BUCK电路

（1）电路工作原理★

（2）电路理想时的外特性★ （3）元件选择（4）实际Buck变换器1.直流斩波器(1)斩波器介绍（pg172上）(3)输出平均电压等(式(9-1)更正:uo→Ui）

(2)占空比（度）定义★

：输出电压总是低于输入电压：所以称之”降压式，stepdown”(4)改变输出电压的方法△—改变D改变D的方法—恒频、改变脉宽-PWM；脉宽固定、变频-PFM，频率、脉宽都变(5)斩波器的缺点—输出脉动太大→加入滤波器BUCK续流二极管为电感电流提供续流通路滤除高频成分Buck变换器的推导D一、降压式变换器（BUCK）斩波管Q＋续流D＋LC低通滤波器降压变换器(Buck)课程提纲1.直流斩波器2.BUCK电路

（1）电路工作原理★

（2）电路理想时的外特性★ （3）元件选择（4）实际Buck变换器2.BUCK变换器（1）工作原理（电流连续模式，CCM）忽略Uo脉动，注意波形★

Qon，Doff：uA＝Ui，

电感电流线性

Qoff：电感电流不能突变，Don，uA＝0，电感电流线性

（1）工作原理QON：QOff：

输出电压（★掌握推导方法）：稳态时—起点与终点值相等，故电感电流上升量等于电流下降量理解：低通滤波

uA的直流分量等于Uo

电感电流的直流分量（平均值）等于输出电流△电感电流的交流分量（平均值）等于？？变换器理想条件(理想器件)下外特性定义在恒定占空比下，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对于Buck变换器:Io=IL电感电流有:连续,临界连续,断续三种情况

（2）变换器理想时的外特性Io↓

iL下移但iL≥0，斜率不变，所以必有轻载时iL变为临界连续、断续（2）变换器理想时的外特性uAiLt（2）变换器理想时的外特性当IO＝Δi/2＝IG

临界连续临界连续电流:IG＝2IG式9－9临界连续模式(CRM)：（2）变换器理想时的外特性D＝0.5时有IG（max）:式9－9（2）变换器理想时的外特性断续模式(DCM)：(0~DT)0~DT：（2）变换器理想时的外特性(DT~DT+Tof’)DT~DT+T'oF:（2）变换器理想时的外特性DT+T'oF~T

：iL=0（2）变换器理想时的外特性(0~DT)(DT~DT+T'oF)(9-15)(9-12)断续时外特性：式中标幺曲线可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)的曲线：标幺外特性：图中虚线为临界连续

曲线，即为分界线右边为电流连续，

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1.0（2）变换器理想时的外特性断续时△：D不变，Io

、UO

相同负载、D，L

、IGmax

UO

断续区，IO变化，要稳定Uo，应改变D

（2）变换器理想时的外特性Q、D电流电压波形；电流电压应力CCM

DCM

UO=DUi,D=TON/TiL连续时：Uo与负载大小无关iL断续时：1）iL断续时：D不变、Io减小，则Uo会增大，物理解释？换言之，Io减小、Uo不变、则D应减小2）满载到空载，Uo不变，而D？思考：降压式变换器小结1.0电路参数选择设计条件：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效率电路参数选择（功率管）选型：MOSFET？IGBT？GTR？依据：电流、电压和功率等级，开关频率电路参数选择（功率管）设变换效率为η功率管平均电流功率管最大电流式中Iomax和IGmax为最大输出电流与最大临界电流电路参数选择（功率管）一般取功率晶体管的最大电流ICM功率管的电压满足：电路参数选择（二极管）选型：在低压场合优先选肖特基二极管；电压较高(>200V)选超快恢复或快恢复二极管二极管的平均电流和有效电流为二极管的电压满足（2倍裕量）：UDR>=2Umax电路参数选择（电感）为保证电感在给定负载条件下电感电流连续，有Iomin=IG将Iomin代入IG表达式(式9-9)，即得到电感L：（L也可以按照Δi的表达式计算）如果临界连续电流取得过小，则电感过大；电感小、则电流纹波大经验取值:IG=(1/5~1/3)Iomax轻载时必定工作在断续模式iL=Io+ΔiIoΔi(9-23)交流分量电路参数选择（电容）itToffonIoΔicT/2i电路参数选择（电容）根据输出纹波大小即可以确定输出电容大小：考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性略….

器件参数的工程化设计方法和过程Sepc.:Ui，Uo，η，∆uop-p（纹波和噪声）散热方式；体积、重量设计过程：f；L（根据∆i计算）；Q、D-类型、定额C？？？

分析方法小结：分析方法要点：

1)CCM（输出电压和输入电压关系式）电感电流上升量=电感电流下降量TON期间磁通变化量=TOFF期间磁通变化量

2)DCM（外特性）流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io稳态工作特点

稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点：

电感L：电流变化量/伏秒面积为零

电容C：电压变化量/安秒面积为零

变压器：磁通变换量/伏秒面积为0

能量守恒原则：储能能量=释放能量输入输出有功功率相等实际降压式变换电路由于晶体管、二极管有导通压降，电感有寄生电阻，可简化成串联电阻（线圈电阻与半导体器件导通电阻之和）：所以有输出电压表达式：实际降压式变换电路输出电压随着电流的上升有一定的下降对应特性的虚线部分讨论与思考题LC滤波－－L和C的作用？只用L可否？只用C可否？Buck变换器，在某组参数和占空比下，当负载电流为20A时工作在电感电流临界连续状态。其它参数不变，（1）改变负载电流大小为40A输出电压如何变化？；（2）负载电流变为5A时输出电压如何变化？（3）开关频率升高，输出电压如何变化？△

考虑电感等效电阻R和续流二极管压降UD，推导Buck变换器输入输出关系。※几个公式：

Uo=DUi

(9-6)(9-27)，同（9－9）(9-32)参数计算：（最小值）Buck变换器小结

电路拓扑，理想电路的分析CCM的分析方法、要点、过程和结果：Uo，ΔiLDCM的分析方法、要点、过程和结果：Uo，ΔiL关键点电流电压波形，器件应力，器件选取和设计工作原理分析：(iL连续)on/off期间的回路方程+边界条件----

Uo=DUi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＝IoBuck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+-作业:9-1(1)~(4)忽略Rsat和关断时间补充（思考）：(1)中，画出minD时iL、uA波形(4)中，最小输出（10W）时的iL、uA波形Backup即有输出电流：得到输出电压：

变换器的实际应用？

CPU电源—VRM马达驱动车载电源一、降压式变换器（BUCK）电路参数选择（电容）电容电流的脉动量近似即为电感电流的脉动量电容电流在1/2周期内充

电，在1/2周期内放电所以，电容电流：所以电容纹波电压：itToffonIoΔic电路参数选择（电容）低频时，1/ωC>>Rs,ωLs，电容呈容性随