第十二次課 電力半導體

1、第十二次課 電力半導體課件第1頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一電感中的電流iL是否連續(xù)，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。圖3.2.2 電感電流波形圖 Buck變換器的可能運行情況：電感電流連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)電感電流斷流模式第2頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一 (3.2.4) 1）電感電流iL連續(xù)模式 ：在ton期間:電感上的電壓為 由于電感L和電容C無損耗，因此iL從I1線性增長至I2，上式可以寫成式中IL=I2I1為電感上電流的變化量，UO為輸出電壓的平均值。第3頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一

2、 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) 1）電感電流iL連續(xù)模式 ：在toff期間:假設電感中的電流iL從I2線性下降到I1，則有根據(jù)式(3.2.4)、(3.2.5)可求出開關周期S為 上式中IL為流過電感電流的峰峰值，最大為I2，最小為I1。電感電流一周期內(nèi)的平均值與負載電流IO相等，即將式(3.2.7)、(3.2.8)同時代入關系式IL= I2I1可得第4頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一2）電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有I1=0，由可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為： 即電感電流臨界連續(xù)時的負

3、載電流平均值為 ： 式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值。 總結：臨界負載電流Iok與輸入電壓Ud、電感L、開關頻率f以及開關管T的占空比D都有關。 當實際負載電流Io Iok時，電感電流連續(xù)； 當實際負載電流Io = Iok時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點）; 當實際負載電流Io Iok時，電感電流斷流；(3.2.10)(3.2.11)第5頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一輸出紋波電壓： 在Buck電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓U0為常數(shù)。然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為 其中f為buck

4、電路的開關頻率， fc為電路的截止頻率。 它表明通過選擇合適的L、C值，當滿足fcf 時，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負載無關。（） 第6頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一 3.1 直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路 3.3 升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的PWM控制技術 第7頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一1) 定義：直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路稱為升壓變換電路，又叫Boost電路。全控型電力器件開關儲能保持輸出電壓

5、2）原理圖第8頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一3）工作原理：ton工作期間：二極管反偏 截止，電感L儲能，電容C 給負載R提供能量。toff工作期間：二極管 導通，電感L經(jīng)二極管給 電容充電，并向負載RL提 供能量。可得： 式中占空比D=ton/TS，當D=0時，U0=Ud，但D不能為1，因此在0D1的變化范圍內(nèi) UoUin圖3.3.1 升壓變換電路及其波形第9頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一4）Buck變換器的可能運行情況： 根據(jù)在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，參考降壓變換電路的計算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為：

6、 當實際負載電流IoIck時，電感電流連續(xù)。 當實際負載電流Io = Ick時,電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點)。 當實際負載電流IoIck時，電感電流斷流。 (2.3.11)第10頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一 T導通時為電感L儲能階段，此時電源不向負載提供能量，負載靠儲于電容C的能量維待工作。 T阻斷時，電源和電感共同向負載供電，同時給電容 C充電。 圖3.3.1 升壓變換電路及其波形 總結：電感電流連續(xù)時Boost變換器的工作分為兩個階段: 第11頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一 沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路

7、情況下工作：因為穩(wěn)態(tài)運行時，開關管T導通期間 ( )電源輸入到電感L中的磁能，在T截止期間通過二極管D轉移到輸出端，如果負載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流情況。如果負載電阻變得很大，負載電流太小，這時若占空比D仍不減小、ton不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加?？?結： Boost電路對電源的輸人電流（也即通過二極管D的電流）就是升壓電感L電流，電流平均值為：I0=(I2-I1)/2。 實際中，選擇電感電流的增量IL時，應使電感的峰值電流Id+IL不大于最大平均直流輸入電流Id的20%，以防止電感L飽和失效。 Boost變換器的效率很高，一般可達92%以上。第12頁，共21頁，2022

8、年，5月20日，17點44分，星期一 3.1 直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路 3.3 升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的PWM控制技術 第13頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一1) 概述： 升降壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其電路原理圖如圖3.4.1(a)所示。 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源。圖升降壓變換電路原理圖第14頁，共21頁，2022年，5月

9、20日，17點44分，星期一2）工作原理： ton期間，二極管D反偏而關斷，電感儲能，濾波電容C向負載提供能量。 toff期間，當感應電動勢大小超過輸出電壓U0時，二極管D導通，電感經(jīng)D向C和RL反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。 圖3.4.1 升降壓變換電路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)第15頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一2）工作原理：（續(xù)）在ton期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，得： 由 , 的關系，求出輸出電壓的平均值為： 上式中，D為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反相；當D=0.5時，U0=Ud；當0.5DUd，為升壓變換；當

10、0D0.5時，U0Ud，為降壓變換。(3.4.5)第16頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一3）工作原理：（續(xù)）采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為：變換器的可能運行情況： 實際負載電流IoIck時，電感電流連續(xù)。 實際負載電流Io = Ick時，電感電流處于臨界連 續(xù)(有斷流臨界點)。 實際負載電流IoIck時，電感電流斷流。(3.4.5)第17頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一 3.1 直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路 3.3 升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓

11、器的直流變換器 3.7 直流變換電路的PWM控制技術 第18頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一1）庫克(Cuk)變換電路屬升降壓型直流變換電路。2）電路的特點：輸出電壓極性與輸入電壓相反，出入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。L1、L2儲能電感耦合電容快速恢復續(xù)流二極管濾波電容圖（a）庫克(Cuk)變換電路原理圖第19頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一圖3.5.1 庫克電路及其等效電路和工作波形 晶閘管關斷晶閘管開通第20頁，共21頁，2022年，5月20日，17點44分，星期一1） Cuk變換電路也有電流連續(xù)和斷流兩種工作情況，但這