電力電子技術(shù)課件：第九章 晶體管功率電路

第九章晶體管功率電路

引—關(guān)于晶體管功率電路

在全控器件的基礎(chǔ)之上，晶體管功率電路通過控制基極或柵極信號高速地開關(guān)，常用于DC-DC、DC-AC以及DC和AC調(diào)速。（根據(jù)輸入信號和器件符號判斷晶體管電路還是SCR電路）重點掌握：電路拓撲、工作原理和波形及基本公式推導(dǎo)、數(shù)量關(guān)系和參數(shù)設(shè)計。

第一節(jié)單晶體管功率電路簡介非隔離式單管變換器（基礎(chǔ)）BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepic隔離式單管變換器（衍生來）(Buck

)單端正激(Buck-Boost

)單端反激單晶體管功率電路是各種電路拓撲的基礎(chǔ)，按照是否隔離Pg171圖9-1基礎(chǔ)！1.直流斬波器2.BUCK電路（理想電路）

（1）電路工作原理★

（2）電路理想時的外特性

★ （3）元件選擇△

（4）實際Buck變換器一、降壓式變換器（BUCK）1.直流斬波器2.BUCK電路

（1）電路工作原理★

（2）電路理想時的外特性★ （3）元件選擇（4）實際Buck變換器1.直流斬波器(1)斬波器介紹（pg172上）(3)輸出平均電壓等(式(9-1)更正:uo→Ui）

(2)占空比（度）定義★

：輸出電壓總是低于輸入電壓：所以稱之”降壓式，stepdown”(4)改變輸出電壓的方法△—改變D改變D的方法—恒頻、改變脈寬-PWM；脈寬固定、變頻-PFM，頻率、脈寬都變(5)斬波器的缺點—輸出脈動太大→加入濾波器BUCK續(xù)流二極管為電感電流提供續(xù)流通路濾除高頻成分Buck變換器的推導(dǎo)D一、降壓式變換器（BUCK）斬波管Q＋續(xù)流D＋LC低通濾波器降壓變換器(Buck)課程提綱1.直流斬波器2.BUCK電路

（1）電路工作原理★

（2）電路理想時的外特性★ （3）元件選擇（4）實際Buck變換器2.BUCK變換器（1）工作原理（電流連續(xù)模式，CCM）忽略Uo脈動，注意波形★

Qon，Doff：uA＝Ui，

電感電流線性

Qoff：電感電流不能突變，Don，uA＝0，電感電流線性

（1）工作原理QON：QOff：

輸出電壓（★掌握推導(dǎo)方法）：穩(wěn)態(tài)時—起點與終點值相等，故電感電流上升量等于電流下降量理解：低通濾波

uA的直流分量等于Uo

電感電流的直流分量（平均值）等于輸出電流△電感電流的交流分量（平均值）等于？？變換器理想條件(理想器件)下外特性定義在恒定占空比下，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對于Buck變換器:Io=IL電感電流有:連續(xù),臨界連續(xù),斷續(xù)三種情況

（2）變換器理想時的外特性Io↓

iL下移但iL≥0，斜率不變，所以必有輕載時iL變?yōu)榕R界連續(xù)、斷續(xù)（2）變換器理想時的外特性uAiLt（2）變換器理想時的外特性當(dāng)IO＝Δi/2＝IG

臨界連續(xù)臨界連續(xù)電流:IG＝2IG式9－9臨界連續(xù)模式(CRM)：（2）變換器理想時的外特性D＝0.5時有IG（max）:式9－9（2）變換器理想時的外特性斷續(xù)模式(DCM)：(0~DT)0~DT：（2）變換器理想時的外特性(DT~DT+Tof’)DT~DT+T'oF:（2）變換器理想時的外特性DT+T'oF~T

：iL=0（2）變換器理想時的外特性(0~DT)(DT~DT+T'oF)(9-15)(9-12)斷續(xù)時外特性：式中標(biāo)幺曲線可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)的曲線：標(biāo)幺外特性：圖中虛線為臨界連續(xù)

曲線，即為分界線右邊為電流連續(xù)，

輸出電壓只與占空

比相關(guān)左邊為電流斷續(xù)，

輸出電壓與負載

電流也有關(guān)1.0（2）變換器理想時的外特性斷續(xù)時△：D不變，Io

、UO

相同負載、D，L

、IGmax

UO

斷續(xù)區(qū)，IO變化，要穩(wěn)定Uo，應(yīng)改變D

（2）變換器理想時的外特性Q、D電流電壓波形；電流電壓應(yīng)力CCM

DCM

UO=DUi,D=TON/TiL連續(xù)時：Uo與負載大小無關(guān)iL斷續(xù)時：1）iL斷續(xù)時：D不變、Io減小，則Uo會增大，物理解釋？換言之，Io減小、Uo不變、則D應(yīng)減小2）滿載到空載，Uo不變，而D？思考：降壓式變換器小結(jié)1.0電路參數(shù)選擇設(shè)計條件：輸入直流電壓的額定值以及變化范圍輸出電壓、輸出電流最大值和最小值輸出電壓的穩(wěn)定度及紋波電壓要求等效率電路參數(shù)選擇（功率管）選型：MOSFET？IGBT？GTR？依據(jù)：電流、電壓和功率等級，開關(guān)頻率電路參數(shù)選擇（功率管）設(shè)變換效率為η功率管平均電流功率管最大電流式中Iomax和IGmax為最大輸出電流與最大臨界電流電路參數(shù)選擇（功率管）一般取功率晶體管的最大電流ICM功率管的電壓滿足：電路參數(shù)選擇（二極管）選型：在低壓場合優(yōu)先選肖特基二極管；電壓較高(>200V)選超快恢復(fù)或快恢復(fù)二極管二極管的平均電流和有效電流為二極管的電壓滿足（2倍裕量）：UDR>=2Umax電路參數(shù)選擇（電感）為保證電感在給定負載條件下電感電流連續(xù)，有Iomin=IG將Iomin代入IG表達式(式9-9)，即得到電感L：（L也可以按照Δi的表達式計算）如果臨界連續(xù)電流取得過小，則電感過大；電感小、則電流紋波大經(jīng)驗取值:IG=(1/5~1/3)Iomax輕載時必定工作在斷續(xù)模式iL=Io+ΔiIoΔi(9-23)交流分量電路參數(shù)選擇（電容）itToffonIoΔicT/2i電路參數(shù)選擇（電容）根據(jù)輸出紋波大小即可以確定輸出電容大?。嚎紤]到等效電阻和串聯(lián)電感，實際的電容特性略….

器件參數(shù)的工程化設(shè)計方法和過程Sepc.:Ui，Uo，η，?uop-p（紋波和噪聲）散熱方式；體積、重量設(shè)計過程：f；L（根據(jù)?i計算）；Q、D-類型、定額C？？？

分析方法小結(jié)：分析方法要點：

1)CCM（輸出電壓和輸入電壓關(guān)系式）電感電流上升量=電感電流下降量TON期間磁通變化量=TOFF期間磁通變化量

2)DCM（外特性）流過輸出濾波電容前元件的電流平均值=Io穩(wěn)態(tài)工作特點

穩(wěn)態(tài)時儲能元件一個開關(guān)周期具有以下特點：

電感L：電流變化量/伏秒面積為零

電容C：電壓變化量/安秒面積為零

變壓器：磁通變換量/伏秒面積為0

能量守恒原則：儲能能量=釋放能量輸入輸出有功功率相等實際降壓式變換電路由于晶體管、二極管有導(dǎo)通壓降，電感有寄生電阻，可簡化成串聯(lián)電阻（線圈電阻與半導(dǎo)體器件導(dǎo)通電阻之和）：所以有輸出電壓表達式：實際降壓式變換電路輸出電壓隨著電流的上升有一定的下降對應(yīng)特性的虛線部分討論與思考題LC濾波－－L和C的作用？只用L可否？只用C可否？Buck變換器，在某組參數(shù)和占空比下，當(dāng)負載電流為20A時工作在電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)。其它參數(shù)不變，（1）改變負載電流大小為40A輸出電壓如何變化？；（2）負載電流變?yōu)?A時輸出電壓如何變化？（3）開關(guān)頻率升高，輸出電壓如何變化？△

考慮電感等效電阻R和續(xù)流二極管壓降UD，推導(dǎo)Buck變換器輸入輸出關(guān)系?！鶐讉€公式：

Uo=DUi

(9-6)(9-27)，同（9－9）(9-32)參數(shù)計算：（最小值）Buck變換器小結(jié)

電路拓撲，理想電路的分析CCM的分析方法、要點、過程和結(jié)果：Uo，ΔiLDCM的分析方法、要點、過程和結(jié)果：Uo，ΔiL關(guān)鍵點電流電壓波形，器件應(yīng)力，器件選取和設(shè)計工作原理分析：(iL連續(xù))on/off期間的回路方程+邊界條件----

Uo=DUi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＝IoBuck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+-作業(yè):9-1(1)~(4)忽略Rsat和關(guān)斷時間補充（思考）：(1)中，畫出minD時iL、uA波形(4)中，最小輸出（10W）時的iL、uA波形Backup即有輸出電流：得到輸出電壓：

變換器的實際應(yīng)用？

CPU電源—VRM馬達驅(qū)動車載電源一、降壓式變換器（BUCK）電路參數(shù)選擇（電容）電容電流的脈動量近似即為電感電流的脈動量電容電流在1/2周期內(nèi)充

電，在1/2周期內(nèi)放電所以，電容電流：所以電容紋波電壓：itToffonIoΔic電路參數(shù)選擇（電容）低頻時，1/ωC>>Rs,ωLs，電容呈容性隨