電力電子-課件09晶體管功率電路

1南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室第九章晶體管功率電路反饋控制調(diào)D/穩(wěn)壓原理2南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室第九章晶體管功率電路單晶體管功率電路多晶體管功率電路DC/DC，DC/AC和AC/DC輸入輸出不隔離輸入輸出隔離單端正激單端反激降壓升壓升降壓3學(xué)習(xí)要點：電路拓?fù)涔ぷ髟硗馓匦詤?shù)計算南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室第九章晶體管功率電路4一、降壓(Buck)式變換器1.直流斬波器Q:onoff南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室第一節(jié)單晶體管功率電路5式中

T=1/f f---開關(guān)頻率

D---占空比，

D=TON/T南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室第一節(jié)單晶體管功率電路62.Buck變換器Q－主開關(guān)管D－續(xù)流二極管L，C－輸出濾波元件i南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器7（1）工作原理：電感電流連續(xù)模式Qon（導(dǎo)通）期間：Qoff（關(guān)斷）期間：穩(wěn)態(tài)時

-ΔiOF=ΔiON=ΔiUo=DUi,Io=（9－4）（9－5）（9－6）（9－7）南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器8(2)變換器理想條件(理想器件)下外特性在恒定占空比下，變換器的輸出電壓與輸出電流(這里實際上是平均電流)的關(guān)系稱為變換器的外特性

電感電流有:連續(xù),臨界連續(xù),斷續(xù)三種情況

對于Buck變換器:Io=IL南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器9電感電流斷續(xù)時(9-18)南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器10綜合式(9-6)和(9-18),得外特性:南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器11電感電流臨界連續(xù)時:(平均)輸出電流IG:

(負(fù)載電流)IGi02IGt可導(dǎo)出：(9-9)南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器12iD=0.5時IG=max的解釋南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器13(3)元件參數(shù)選擇

A.晶體管Q參數(shù)：峰值電流IQP=Io+Δi/2=Io+IGmax

電流定額

ICM>2IQP

電壓定額U(BR)ceo>=1.5Uimax南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器14B.二極管D參數(shù)：電流有效值:

電壓定額UDR≥2Uimax南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器15C.電感L

按臨界連續(xù)電流值IG設(shè)計(最小)電感值由式(9-9):

(9-27)南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器16D.電容(理想元件)iL=Io+ΔiIoΔiitToffonIoΔic(9-23)交流分量南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室Buck變換器17NUAABuck變換器—小結(jié)工作原理分析：(iL連續(xù))on/off期間的回路方程+邊界條件----Uo=?×Ui外特性------連續(xù),臨界連續(xù),斷續(xù)三種情況的匯總;臨界連續(xù)點參數(shù)計算:Q----電壓（穩(wěn)態(tài)承受電壓：Ui）,峰值電流

D---電壓（穩(wěn)態(tài)承受電壓:Ui),電流有效值/平均電流定額

L-----按臨界連續(xù)電流設(shè)計

C----按輸出電壓紋波設(shè)計Buck變換器基本特點:

降壓,ii紋波大、而io紋波小,IL＝Io18NUAABuck變換器—小結(jié)幾個公式：

Uo=DUi

(9-6)(9-9)(9-27)，同（9－9）(9-32)參數(shù)計算：（最小值）19NUAABuck變換器—小結(jié)另一種分析方法:

L伏-秒面積平衡(Ui-Uo)*DT-Uo*(1-D)T=0Uo=DUiuLt-UoUi-UoDT(1-D)TTUiUo+-20NUAABuck變換器作業(yè):9-1(1)~(4)忽略Rsat和關(guān)斷時間21NUAABoost變換器二、升壓(Boost)式變換器onoff22NUAABoost變換器等效電路

onoffiLQDonoff23NUAABoost變換器1.工作原理：電感電流連續(xù)模式Qon（導(dǎo)通）期間：Qoff（關(guān)斷）期間：穩(wěn)態(tài)時

-ΔiLOF=ΔiLON（9－47）（9－48）（9－51）24NUAABoost變換器(9-52)iLtiDΔi

0D=0.5時IG=max(2)變換器理想條件(理想器件)下外特性電感臨界連續(xù)時平均輸出電流IG:

Io＝ID

TonTTonT25NUAABoost變換器電感電流斷續(xù)時(9-18)26NUAABoost變換器外特性:273.元件參數(shù)選擇(1)開關(guān)管

A.晶體管Q類型：GTR,MOSFET,IGBT參數(shù)：峰值電流IQP=Ii+Δi/2=?

電流定額

ICM>2IQP

電壓定額U(BR)ceo>=1.5UoNUAABoost變換器28B.二極管D類型：高壓---快恢復(fù)二極管或超快恢復(fù)二極管低壓---肖特基二極管參數(shù)：電流有效值:

電壓定額UDR>=2UoNUAABoost變換器29(2)電感L參數(shù)：按臨界連續(xù)電流值Iomin設(shè)計電感值由式(9-52):(9-61)NUAABoost變換器30(3)電容NUAABoost變換器(9-63)31NUAA有源功率因數(shù)校正:APFC4.有源功率因數(shù)校正功率因數(shù)的定義:其中：即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)32NUAA有源功率因數(shù)校正:APFC整流橋AC輸入負(fù)載tuiniin整流橋AC輸入負(fù)載PFC變換器tuiniin比較33NUAA有源功率因數(shù)校正:APFC平均電流控制BoostPFC基本原理框圖穩(wěn)壓控制輸入電流形狀控制34NUAA有源功率因數(shù)校正:APFC35內(nèi)容:

拓?fù)?/p>

工作原理分析特性:on/off等效電路狀態(tài)方程

參數(shù)設(shè)計幾個特點:

1.iin=iL;Io=ID

2.峰值電流:iQ

、iD

和

iL相同

3.輸入電流紋波小而輸出電流紋波大.NUAABoost變換器:小結(jié)36幾個公式:

(9-51):

(9-52)(同Buck):

,IGmax

(9-61):

(9-63):

IPQ＝

IDrms＝

Q、D電壓應(yīng)力：UoNUAABoost變換器:小結(jié)P18337NUAABoost變換器作業(yè)：9－3補(bǔ)充：圖9－10理想Boost變換器，畫出uL、uce、uD及iL、iQ、iD波形：a）iL連續(xù)；b）iL斷續(xù)。38NUAABuck-Boost變換器三、升/降壓（Buck-Boost）變換器和丘克(Cuk)變換器1。Buck-Boost變換器39NUAABuck-Boost變換器工作原理：電感電流連續(xù)模式Qon（導(dǎo)通）期間：Qoff（關(guān)斷）期間：穩(wěn)態(tài)時

-ΔiLOF=ΔiLON（9－64）40NUAA2。Cuk變換器

(自學(xué))41NUAAFlyback變換器四、具有輸入與輸出隔離的單管變換器1.單端反激(Flyback)變換器-Isolatedbuck-boostconverter原邊副邊N1:N2offon

ceuceb42NUAAFlyback變換器iL1iL2

等效電路:onoff電感:儲能釋放能量(原邊等效L1)(副邊等效L2)L1/L2=N12/N22－＋43NUAAFlyback變換器工作原理：電感電流連續(xù)模式Qon（導(dǎo)通）期間：Qoff（關(guān)斷）期間：于是（9－87a）升降壓式變換器又:on--off--on轉(zhuǎn)換前后瞬間:L中的儲能不變或(9-85)(n=N2/N1)1:n或N1:N2iL1

iL244NUAAFlyback變換器電路外特性

45NUAAFlyback變換器(2)電路參數(shù)設(shè)計(iL連續(xù)時):Q,D,L,C穩(wěn)態(tài)時Q電壓應(yīng)力(正):Ui+UO/n(9-104)D電壓應(yīng)力(反):nUi+UO(9-105)解釋:offonUo1:nUo/nnUi1:nUi46NUAAFlyback變換器原邊副邊N1:N2offon

ceucebu1u2Ui+Uo/nn=N2/N1u1UiUo/nuDUiUo+Uinu2=nu1onoff圖9-19(b)補(bǔ)充47NUAAFlyback變換器Flyback特點:

簡單(T兼作L)，輸入電壓范圍寬，輸入輸出電流紋波都大，Q電壓應(yīng)力高

適于小功率應(yīng)用48NUAAFlyback變換器作業(yè):9-2(a)(2004未做)

說明:同名端;下節(jié)課給提示

9-5(只做”反激變換器”部分)49NUAAForward變換器2.單端正激(Forward)變換器-Isolatedbuckconverteron

offTR50NUAAForward變換器

工作原理分析(iL連續(xù)時):on---1)變壓器正向磁化;off---1)變壓器反向去磁;

2)D1通2)D3續(xù)流

UinUi1:n51NUAAForward變換器on

offTRΔФTOFF1)

變壓器:磁化與去磁回零TR<TOFF含義52NUAAForward變換器TOFF否則變壓器飽和153NUAAForward變換器2)副邊相當(dāng)于Buck:Uo=D*(Ui*N2/N1)其它:外特性;器件應(yīng)力,器件選擇(自行分析)54NUAAForward變換器作業(yè)補(bǔ)充題:

正激變換器如圖9-22,電感電流連續(xù)。分析Q,D1和D3的電壓應(yīng)力(畫出uce、uD1、

uD3和ub波形);設(shè)臨界連續(xù)負(fù)載電流In,允許輸出電壓紋波ΔU,計算L,C值思考題:2004未做

9-6(提示:Q2的驅(qū)動;附加部分與已學(xué)拓?fù)浔容^)55NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小結(jié)Buck-Boost（9－64）圖9－656NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小結(jié)Flyback圖9－19（9－87a）(n=N2/N1)57NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小結(jié)Forward圖9－22(n=N2/N1)Uo=DnUi

（9－106）58NUAABuck-Boost,Flyback和Forward小結(jié)作業(yè)提示:9-2(a)：on/off轉(zhuǎn)換時安匝不能突變

9-5:分別畫出on/off等效電路，分析Uo/Ui，應(yīng)力等

9-659NUAA第二節(jié)多晶體管功率變換電路1.推挽變換器(Push-PullConverter)60NUAA推挽變換器Q1、Q2交替導(dǎo)通、帶阻性負(fù)載時:ub1ub2Bu2Q1通Q2通圖9－23（b）Q1導(dǎo)通：Q2導(dǎo)通：UiN2/N1161NUAA推挽變換器Q1、Q2交替導(dǎo)通、帶純感性負(fù)載時:D1續(xù)流：Q2導(dǎo)通：Q1導(dǎo)通：D2續(xù)流：+-+--+-+62ub1＝“1”ub2＝“1”控制信號導(dǎo)通管D1Q1D2Q2NUAA推挽變換器63NUAA推挽變換器64Ui/22.半橋變換器NUAA半橋變換器(Half-BridgeConverter)65☆

D1、D2作用－－續(xù)流☆

Q1、Q2和D1、D2的電壓應(yīng)力：Ui

電流應(yīng)力：Io*nNUAA半橋變換器uN1Ui/2-Ui/20uN10☆C值大小的影響:C足夠大C較小時66+-3。(1)單相全橋變換器NUAA全橋變換器(Full-BridgeConverter)圖9-27(a)橋式功率電路67移相控制(PhaseShiftingControl)全橋變換器的工作原理NUAA全橋變換器T導(dǎo)通管Q？:4,11,22,33,4

圖9-27(c)Ui－Ui68全橋變換器逆變輸出:互補(bǔ)導(dǎo)通、帶電感負(fù)載時NUAATub1,4ub2,3

uoio

導(dǎo)通管:D4,1Q1,4D2,3Q3,4

69全橋變換器---在輸入輸出相同的條件下

N1/N2是半橋的2倍

Q1~Q4的電壓應(yīng)力：Ui(同半橋)

電流應(yīng)力IO*N2/N1,是半橋的一半NUAA全橋變換器70NUAA

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

作業(yè)：9－92004年未做

提示:忽略開關(guān)損耗;Q1或Q2導(dǎo)通時分別等效為Rsat，并作出等效電路72NUAA第三節(jié)：第10章之后講73NUAA第四節(jié)輸出波形的控制和電壓調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓有效值和波形調(diào)節(jié)1.單脈寬調(diào)制－－半個輸出電壓周期內(nèi)只有一個調(diào)制脈沖原理：74NUAA1.單脈寬調(diào)制載波(調(diào)制波)頻率=輸出基波頻率*2定義調(diào)制度M＝Ar/Ac改變調(diào)制度,則輸出電壓有效值和失真度等隨之改變75NUAA2.正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)Q1,/Q3Q2,/Q4圖9-55(a)調(diào)制原理(單極性調(diào)制):最低次諧波：2p-1次，p：半周期調(diào)制脈沖個數(shù),p=3.576NUAA2.正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)調(diào)制原理(雙極性調(diào)制)u1tE-E單極性調(diào)制—正半波由0,1組合而成、正半波由0,-1組合而成;雙極性調(diào)制—正負(fù)半波均由1,-1組合而成77NUAA2.正弦脈寬調(diào)制

SPWM的閉環(huán)控制

類似DC-DCPWM閉環(huán)控制，只是:1)基準(zhǔn)（系統(tǒng)給定）為正弦波

2）載波一般為三角波78NUAA第四節(jié)輸出波形的控制和電壓調(diào)節(jié)本節(jié)其余內(nèi)容不作要求注意:以上各種調(diào)制方式,調(diào)制輸出波形奇對稱,

所以輸