电力电子技术第九章

1第九章内容小结2•要求：☺各种变换器工作原理波形分析，变量关系（电流连续，断续两种方式）；•☺常用基本电路特点。•☺磁性元件磁复位：单绕组电感：开关周期内电流上升量=下降量多绕组电感或变压器：磁通增加量=下降量•☺电容：一个开关周期内平均电流为零3•一。基本非隔离DC-DC变换器41.降压式（BUCK）变换器(dc/dcconverter)（1）工作波形5（2）.降压式变换器关系iL连续时：UO=DUi,D=TON/TiL断续时：Uo/Ui=1/(1+IO/(4IGmaxD2))IG=4IGmaxD(1-D)Io=0,Uo=Ui实际电路:电流连续时：UO=DUi-RIo6（3）电路元件参数选择功率管:U,I二极管:U,I电感：L=UiTD(1-D)/(2Iomin)输出滤波电容:C=UiD(1-D)/(8Lf2ΔUC)高频电容7二。升压式变换器（boost）(1)工作波形8(2)外特性iL连续：Uo=Ui/(1-D)临界连续负载电流：IG=4IGmaxD(1-D)，IGmax=UiT/8/LiL断续：Uo=Ui(1+4IGmaxD2/Io)Io=0:Uo=无穷大9(3)实际电路iL连续：Uo=Ui(1-D)/（（1-D）2+R/RL）Uo/Ui10(4)电路元件参数选择功率管:U,I二极管:U,I电感：L=UiTD(1-D)/(2Iomin)（与降压式一样）输出滤波电容:C100DPo/(fγUo2)γ%=ΔUo/Uo11三.升/降压式变换器1.升/降压式变换器电流连续：UinDDU1o12三.升/降压式变换器1.升/降压式变换器IoLfDUiUo222电流断续：1314•二。隔离型DC-DC变换器•应用例：间接直流变流电路变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路15间接直流变流电路采用这种结构的变换原因：输出端与输入端需要隔离。某些应用中需要相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路间接直流变流电路逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中通常采用快恢复二极管、肖特基二极管或MOSFET构成的同步整流电路（SynchronousRectifier）。间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大类。单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流，如正激电路和反激电路。双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。172。1单端反激式变换器(Flyback)•(A)电流连续:波形•变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。182。1单端反激式变换器(Flyback)•(b)电流断续:•波形•Toff’2.1反激电路电流连续模式：输出电压关系：电流断续模式：输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，，因此反激电路不应工作于负载开路状态。offon12iottNNUUUo202.2单端正激式变换器（Forward）(1)磁通复位条件:DN1/(N1+N3)212.2单端正激式变换器（Forward）(2)工作波形：电流连续时222.2单端正激式变换器（Forward）232.2单端正激式变换器（Forward）(2)工作波形：电流断续时242.2正激电路（3）输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，TtNNUUon12ioi12oUNNU25正激电路磁复位的其它电路：•P226题图9-6:Uc2Ttoff=UiTon•双管正激:D0.5•二极管+稳压管：稳压值大于UiD/(1-D)26272.3推挽功率电路调压：PWM调节控制输出电压R负载：2.3推挽电路292.3推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO2.3推挽电路当两个开关都关断时，D3和D4都处于通态，各分担一半的电流。Q1和Q2承受的峰值电压均为2倍Ui。2.3推挽电路输出电压：滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于该计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，TtNNUUon12io2UNNUoi212.4半桥DC-DC电路++S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W22.4半桥电路当两个开关都关断时，变压器绕组N1的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。++S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2342.4半桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO2.4半桥电路由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。输出电压：当滤波电感L的电流连续时：如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，。TtNNUUon12io2i12oUNNU2.5全桥电路++N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W12.5全桥电路当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降.S断态时承受的峰值电压Ui，。如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。382.5全桥电路S1(S4)S2(S3)uS1(uS4)uS2(uS3)iS1(iS4)iS2(iS3)iD1(iD4)iS2(iS3)tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO2.5全桥电路输出电压：滤波电感电流连续时：输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，TtNNUUon12io2UNNUoi21403.单相功率电路比较管子承受电压：全桥=半桥=Ui，推挽=2Ui管子流过电流：全桥=半桥/2=推挽变压器：桥式，半桥可有可无，推挽必须有饱和电压：桥式两个，半桥和推挽均为一个桥式适合于高压输入场合表1各种不同的间接直流变流电路的比较电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源2.6全波整流和全桥整流a）全波整流电路b）全桥整流电路双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。+VD1VD2L+VD1LVD3VD2VD42.6全波整流和全桥整流全波整流电路的特点优点：电感L的电流只流过一个二极管，回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。2.6全波整流和全桥整流全桥电路的特点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组结构较为简单。缺点：电感L的电流流过两个二极管，回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。2.6全波整流和全桥整流同步整流电路：当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。+V1V2L46•一台输出电压为5v，输出电流为20A的开关电源（1）采用全桥整流电路，全波整流电路（快恢复D和肖特基D）及同步整流电路下，整流管的总损耗？元件类型型号电压V电流A通态压降快恢复25CPF10100250.98V肖特基3530CPQ03530300.64VMOSFETIRFP04860700.018欧47问题1•1。buck直直变换器：在某组参数下，设负载电流为10A时工作在临界连续状态。问在同一组参数下，改变负载电流大小为20A和5A时输出电压如何变化？48问题2•2。Buck,BOOST单端反激，单端正激直直变换器：输出能否开路？短路?49•3。如图所示直直变换器：晶体管Q工作在开关状态，设输出电容足够大，电感电流连续，N1:N2:N3=2:1:2(1)电路名称?（2）允许的最大占空比=？（3）若输入电压为28V,D=0.4,变压器原边磁化电感28uH，fs=100khz,L=8.4uH,负载R=0.1欧，忽略其它非理想因素，画出Q,D2,D3管电流波形及电感电流波形，并定量计算各电流的峰值.50题4•4。BUCK直直变换器：输入电压35---75V,输出电压28V,开关频率75KHZ,C=470uf,L=22uH,Po=10w---1000w.•问1）整个工作范围均工作在CCM吗？•2）确定开关管的占空比范围51题5•5。如图直直变换器：Q1Q2同时开通与关断,占空比为D.•1)分析工作在DCM的条件•2）若1）D〉0.5将会发生？52题6•6。DCMBOOST直直变换器要求：•输入电压18V---36V;•输出功率5W—100W；•输出电压=48V;•开关频率：150KHZ•输出电压纹波小于1V•设有反馈控制使D可变保证输出电压恒定•要求整个工作在DCM,设计L使L的尖峰电流最小53•FS=100KHZ,D3=0.1,•(1)设计一个方案，使Q电压小于300V,D电压小于35V,()D,Lm,n1/np—n3/np•(2)在（1）参数下，确定四个绕组的电流有效值54习题1：请画出降压式，升压式，单端反激式电路电感电流连续和断续工作下uQ,uD,iD,iQ波形，原副边绕组电压电流波形。习题2：单端反激式电路，(1)D=0.4,F=100KHz,Ui=100v,N1:N2=2:1,RL=10欧，iL工作在临界连续状态。定量画出uQ,uD,iQ,iD波形,求uo;(2)N1:N2=1:2,D=0.4,L1=100微亨，F=100KHZ,Ui=60v,求临界连续负载电流IG及电阻RLG;(3)推导iL连续及断续下uo/ui关系式55作业P225题9-7补充题1：半桥DC//DC电路。输入电压400v---600V,负载:R=10欧，变压器为理想变压器，变比N2/N1=1/2,要求输出电压为200V不变。（1）设工作在电感电流连续状态，求开关管导通角度变化范围（2）求保证电感电流连续工作的最小电感（3）画出输入电压600V时的各器件的电压电流工作波形。56补充题2：全桥逆变电路。输入电压600v,负载:R=10欧，L=30mH；开关频率500HZ,Q1Q4和Q2Q3互补轮流导通半周期。（1）画出流过Q1和D1的电流波形；（2）求负载电流基波分量有效值（3）近似计算D1的大致导通时间。57•全桥逆变电路。Q1