單晶體管功率電路

1、單晶體管功率電路第1頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二第九章 晶體管功率電路-概述概述概述晶體管晶體管開關(guān)變換開關(guān)變換功率電路功率電路電路應(yīng)用：電能變換裝置 -開關(guān)電源 （switching mode power supply） -各種功率開關(guān)變換器電路特點(diǎn)： -高頻開關(guān)工作，效率高，體積小第2頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二第九章 晶體管功率電路-概述特點(diǎn)：以一直流/直流變換為例來說明例：一個(gè)500W dc-dc功率變換器第3頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二例：500Wdc-dc功率變換器電阻分壓器電路缺點(diǎn)：低效率，不能自

2、動調(diào)壓線性調(diào)節(jié)器缺點(diǎn)：低效率第4頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二例：500Wdc-dc功率變換器基本工作原理：穩(wěn)壓原理：調(diào)節(jié)占空比D=T1/TS特點(diǎn)：損耗小，效率高開關(guān)頻率越高LC越小第5頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二第九章 晶體管功率電路概述電路特點(diǎn)小結(jié)構(gòu)成特點(diǎn)：-無損耗器件（損耗?。?儲能元件：電容，電感-隔離變壓元件：高頻變壓器-開關(guān)元件：半導(dǎo)體器件（全控器件和二極管）工作特點(diǎn)：開關(guān)工作方式，高頻化電路特點(diǎn)：半導(dǎo)體器件高頻開關(guān)工作 電路小型化，高效率第6頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二第九章 晶體管功率電路概述電路

3、分類：按開關(guān)管數(shù)量分：-單晶體管電路-多晶體管電路按是否隔離分：-隔離型-非隔離型按功能分：-DC/DC-DC/AC第7頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二第一節(jié) 單晶體管功率電路電路特點(diǎn)：單個(gè)開關(guān)功率管，電路簡單，適于中小功率基本電路-六個(gè)：降壓式（Buck ）升壓式（Boost）升/降壓式（Boost/Buck）丘克變換器（Cuk）Zeta變換器Sepic變換器第8頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二-dc/dc變換基本電路拓?fù)涞?頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波電路直流斬波電路（DC Chopper）-將直流電變?yōu)榱?/p>

4、一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電-也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）-一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流交流直流直流斬波電路的種類-6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，-其中前兩種是最基本的電路復(fù)合斬波電路 不同基本斬波電路組合多相多重?cái)夭娐?相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合第10頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器圖中所示電路，即為直流斬波器（Chopper）第11頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，工作狀態(tài)第12頁，共

5、54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器當(dāng)Q關(guān)閉時(shí)，工作狀態(tài)：第13頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器輸出電壓平均值： 式中T為開關(guān)周期，TON為導(dǎo)通時(shí)間，D為為斬波占空比平均負(fù)載電流 io=Uo/Ro第14頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器改變占空比，就可以改變輸出電壓輸入功率等于輸出功率：斬波器輸入電阻：第15頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二直流斬波器盡管能實(shí)現(xiàn)電壓的幅值控制但是輸出紋波過大負(fù)載上電壓和電流脈動大通常在負(fù)載端加上LC濾波環(huán)節(jié)，以減小輸出電壓紋波經(jīng)過電路變換，就有BUC

6、K降壓變換器第16頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二一.降壓式變換器（Buck Converter）(1)電路構(gòu)成Q ,D, L, C四個(gè)元件Q為全控型半導(dǎo)體器件假設(shè)：Ui為理想直流電壓源；C很大,UO為直流電壓；器件為理想的第17頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二一.降壓式變換器(2)基本工作原理Q管導(dǎo)通期間(Ton)狀態(tài)1:Uce=0UA=Ui，D OFF,L儲能，iL增大Q管OFF期間(Toff)（狀態(tài)2）:UD=0，UA=0，Uce=Ui，L釋能，iL減小第18頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二一.降壓式變換器 (2)基

7、本工作原理 工作方式定義： iL連續(xù)模式（CCM）（continuous conduction mode）在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流大均于零。iL斷續(xù)模式（DCM）（discontinuousconductionmode）在Q管OFF期間(Toff)電感電流下降到零，故增加一個(gè)iL =0的工作狀態(tài)3第19頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二BUCK電路模態(tài)分析當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)：電感電流線性上升第20頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二BUCK電路模態(tài)分析當(dāng)Q截止時(shí)，有：電感電流線性下降：第21頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二BUCK電路模

8、態(tài)分析因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)時(shí)（電流不能突變）：聯(lián)立以上各式：輸出電流平均值：第22頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二降壓斬波電路工作原理t=0時(shí)刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源向電感充電，同時(shí)向負(fù)載供電t=t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，電感放電電感電流的交流分量為電容電流電感電流的直流分量為負(fù)載直流電流大小第23頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二變換器外特性變換器的外特性：在D恒定時(shí)，變換器的輸在出電壓與輸出電流的關(guān)系電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)，僅和輸入電壓和占空比有關(guān)第24頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二臨界電流連續(xù)狀態(tài)

9、當(dāng)負(fù)截電流減少到iomin0時(shí)iomax=i，定義這種狀態(tài)為臨界電流連續(xù)對應(yīng)臨界電流連續(xù)時(shí)的輸出負(fù)載電流平均值為對應(yīng)臨界電流連續(xù)時(shí)的電感臨界連續(xù)電流IG第25頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二臨界電流連續(xù)狀態(tài)由于臨界電流連續(xù)仍滿足連續(xù)時(shí)工作分析，所以有：聯(lián)立求出：第26頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二臨界電流連續(xù)狀態(tài)當(dāng)D0.5時(shí)，臨界電流達(dá)到最大值：代入上式，有第27頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二臨界電流與占空比關(guān)系IG與IGMAX的關(guān)系如圖當(dāng)I0大于IG時(shí)，電流連續(xù)，輸出電壓僅與占空比相關(guān)當(dāng)I0小于IG時(shí)，電流斷續(xù)第28

10、頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電流斷續(xù)時(shí)波形分析Q導(dǎo)通時(shí)，工作狀態(tài)同前，電流從零上升Q關(guān)斷時(shí)，電感釋放電能，電流下降當(dāng)電感電流下降到零時(shí)，電感上壓降為零設(shè)關(guān)斷時(shí)間為TOF，電流下降到零的時(shí)間TOF第29頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電流斷續(xù)時(shí)分析斷續(xù)時(shí)，輸出電流的平均值：式中TOF為晶體管關(guān)斷后電流持續(xù)時(shí)第30頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電流斷續(xù)時(shí)分析斷續(xù)時(shí)電流的增量與減量同樣是平衡的：代入，化簡，有：第31頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電流斷續(xù)時(shí)分析將TOF代入式9-12即有輸出電流：得

11、到輸出電壓：第32頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二標(biāo)幺曲線可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)曲線：標(biāo)幺可以作出外特性：圖中紅線為臨界連續(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(fù)載電流也有關(guān)第33頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二標(biāo)幺曲線在電流斷續(xù)時(shí)特性當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻電流斷續(xù)時(shí)，維持同一輸出電壓，占空比變化很大(以UO/Ui為0.6為例)，易失控當(dāng)I0時(shí)，輸出電壓均為輸入電壓在實(shí)際工作中，應(yīng)保證連續(xù)工作，以最小電流作為電感電流臨界連續(xù)設(shè)計(jì)電感第34頁，共54頁，2022年，5

12、月20日，2點(diǎn)23分，星期二降壓式變換器小結(jié)(4)輸出輸入電壓關(guān)系式 -CCM工作模式第35頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二降壓式變換器小結(jié) -iL臨界連續(xù)時(shí)： UO=DUiiL臨界連續(xù)時(shí)輸出電流：IG=iL/2=UiTD(1-D)/2/LD=0.5時(shí)，IG= IGmax IGmax=Ui T/8/L IG= 4IGmax D(1-D)第36頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二降壓式變換器小結(jié)-DCM工作模式第37頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二降壓式變換器小結(jié)iL連續(xù)時(shí)：Uo與負(fù)載大小無關(guān) UO=DUi , D=TON/T

13、iL斷續(xù)時(shí)：第38頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇設(shè)計(jì)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估算假定晶體管的開關(guān)損耗等于導(dǎo)通損耗（f2Icp功率管的電壓滿足：第41頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二功率管選擇 根據(jù)工作頻率選功率管的類型在20kHz以下，可選擇普通低頻功率管；20一50kHz可選開關(guān)功率管；50kHz以上應(yīng)選擇功率MOSFET；大功率應(yīng)用，可選擇IGBT第42頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（二極管）二極管一般選開關(guān)二

14、極管，快恢復(fù)二極管， 在低壓場合最好選肖特基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第43頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（電感）為保證電感在所有工作條件下電感電流連續(xù)，有： Iomin=IG將Iomin代入IG表達(dá)式(式9-9)，即得到電感L：如果電流過小，會造成電感量過大，所以有時(shí)可加入假負(fù)載以提高最小電流; 或局部工作在斷續(xù)模式若輸出負(fù)載恒定，為減小紋波，在進(jìn)行電感量計(jì)算時(shí)，將IG進(jìn)行減小處理: IG=(1/51/3)Iomax 第44頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（電容）電容電流的脈動量近似即為電感電流

15、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：第45頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（電容）根據(jù)輸出紋波大小即可以確定輸出電容大小：考慮到等效電阻和串聯(lián)電感，實(shí)際的電容特性第46頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（電容）低頻時(shí)，1/CRs, Ls，電容呈容性隨著工作頻率的增高，電容器的1/C 小，而Rs, Ls 相對的影響逐漸增大對于開關(guān)瞬間的高次諧波電容已無抑制作用第47頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二電路參數(shù)選擇（電容）由于這些影響，實(shí)際的C選?。簩τ诟哳l

16、開關(guān)電路，應(yīng)采用ESR，ESL盡可能小的高頻電容在高頻應(yīng)用時(shí)，電容量應(yīng)在計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大采用多個(gè)電容關(guān)聯(lián)，可減小ESR影響為抑制尖峰，常用高質(zhì)量無極性電容與電解電容并聯(lián)第48頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二2.降壓式變換器(5)參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)開關(guān)功率管:U(BR)ceo , ICM2IQP二極管:電感：第49頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二2.降壓式變換器 (5)參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)電容開關(guān)頻率與LC大小的關(guān)系：f大LC小對電容的要求：高頻性能好第50頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二分析方法小結(jié)：推導(dǎo)輸出電壓和輸入電壓關(guān)系式方法： CCM方式： 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 DCM方式流過輸出濾波電容前元件的電流平均值=Io第51頁，共54頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)23分，星期二穩(wěn)態(tài)工作特點(diǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)儲能元件一個(gè)開關(guān)周期具有以下特點(diǎn)：電感L：電流變化量/伏秒面