電力電子學(xué)第三章課件

電力電子學(xué)第三章課件第一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器第四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器第五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器第六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：電阻分壓=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=5010=500(W)UR=100-50=50(V)效率太低!!!無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!第七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：線性模式=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%UQ=100-50=50(V)效率太低!!!無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!PQ=UQ

IQ=5010=500(W)可以自動(dòng)穩(wěn)壓!第八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：開關(guān)模式Ton：導(dǎo)通時(shí)間Ts：開關(guān)周期D：占空比50V第九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流變換器：開關(guān)模式可以自動(dòng)穩(wěn)壓!

效率很高！第十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日濾波器續(xù)流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCf第十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器第十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QON工作原理：電感電流連續(xù)AB第十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QOFF工作原理：電感電流連續(xù)AB第十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系工作原理：電感電流連續(xù)占空比脈沖寬度調(diào)制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調(diào)制Pulse-FrequencyModulation第十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸出電流平均值濾波電感電流脈動(dòng)值Q：當(dāng)Ui和Uo一定時(shí)，如果負(fù)載

電流變化，電感電流脈動(dòng)是否變化？工作原理：電感電流連續(xù)A：不變！第十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日工作原理：電感電流斷續(xù)第十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器第十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILfmin=0第十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)第二十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第二十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時(shí)：電感電流斷續(xù)時(shí)：Q：如果Ui和占空比不變，當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，為何Uo升高？第二十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器第二十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck變換器的元器件參數(shù)選擇已知條件：輸入電壓Ui(變化范圍)

輸出電壓Uo

輸出電流Io

輸出電壓穩(wěn)定精度輸出電壓紋波元器件參數(shù)選擇：功率晶體管二極管濾波電感濾波電容第二十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日變換效率的近似計(jì)算雙極性晶體管如果fs>20kHz，可近似認(rèn)為其導(dǎo)通損耗等于開關(guān)損耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其開關(guān)損耗。第二十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日功率晶體管選擇：類型開關(guān)頻率晶體管類型選擇功率管類型<20kHz20~50kHz>50kHz低頻功率管開關(guān)功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。第二十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日功率晶體管電壓和電流應(yīng)力平均電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui第二十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日二極管類型選擇開關(guān)二極管、快恢復(fù)二極管或者FRED；二極管類型選擇輸出電壓較低時(shí)，如5V以下，需要采用功率MOSFET來(lái)替代整流二極管，即同步整流。電壓低于40V時(shí)，可選用肖特基二極管；第二十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日二極管電壓和電流應(yīng)力平均電流：有效值電流：電壓應(yīng)力：UDR>2Ui第二十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日濾波電感量的計(jì)算ΔILf過(guò)小，Lf太大。ΔILf過(guò)大，Lf太損耗太大，且Uo脈動(dòng)大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io時(shí)，電感電流連續(xù)。第三十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日濾波電容量的計(jì)算輸出電流脈動(dòng)很小ΔILf全部流過(guò)電容第三十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第三十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器第三十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的推導(dǎo)Uo<UiUo>Ui第三十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器第三十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QON電感電流連續(xù)(1)第三十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QOFF電感電流連續(xù)(2)第三十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系電感電流連續(xù)(3)第三十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)(1)第三十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器第四十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)(1)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILbmin=0第四十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)(2)第四十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第四十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時(shí)：電感電流斷續(xù)時(shí)：第四十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器第四十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日平均輸入電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管第四十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：二極管UBR>2Uo第四十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感量：升壓電感臨界連續(xù)輸出電流：Uo恒定Ui恒定第四十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第四十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第五十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器第五十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(1)Uo<UiUo>Ui第五十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(2)第五十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！第五十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器第五十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q導(dǎo)通第五十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q關(guān)斷第五十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入輸出關(guān)系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>Ui第五十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理

元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器第五十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入電流：電感電流平均值：電壓應(yīng)力：功率晶體管輸出電流：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第六十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：第六十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感量：電感電感電流脈動(dòng)：第六十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第六十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第六十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第六十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)(1)鏡像翻轉(zhuǎn)濾波電容和二極管交換位置Cf和Q改變位置Lf移到上面第六十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(2)第六十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、Cf第六十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第六十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q導(dǎo)通第七十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q關(guān)斷第七十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入輸出關(guān)系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。第七十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第七十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電壓應(yīng)力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第七十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：第七十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感電感L1的電流脈動(dòng)：電感L2的電流脈動(dòng)：第七十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導(dǎo)通，C1放電；Q截止，C1充電。與Buck變換器類似Cuk變換器利用C1進(jìn)行能量傳遞，充放電電流很大，因此要選擇低損耗的高頻電解電容。第七十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第七十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電流斷續(xù)模式所謂電流斷續(xù)模式，是指二極管電流斷續(xù)！第七十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第八十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日**耦合電感的Cuk變換器第八十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日電感脈動(dòng)第八十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第八十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日隔離式Cuk變換器第八十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日9.1.5Zeta變換器和Sepic變換器第八十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Z(yǔ)eta變換器Sepic變換器*輸入輸出同極性！Zeta變換器和Sepic變換器Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159第八十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日6種基本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology第八十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第八十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第八十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第九十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日第1步：加入隔離變壓器；第2步：加入磁復(fù)位電路；第3步：加入整流二極管。正激變換器的推導(dǎo)(1)第九十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)(2)第九十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)(3)第九十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第九十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q導(dǎo)通N1的激磁電感第九十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q關(guān)斷：磁復(fù)位第九十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q關(guān)斷：磁復(fù)位完成變壓器磁復(fù)位完成第九十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第九十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日輸入輸出關(guān)系第九十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日最大占空比第一百頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力第一百零一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復(fù)位繞組匝數(shù)的選擇第一百零二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日工作原理外特性變換器設(shè)計(jì)與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flyback)變換器第一百零三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日工作原理外特性變換器設(shè)計(jì)與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flyback)變換器第一百零四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日反激變換器第一百零五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Q導(dǎo)通變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感電感儲(chǔ)能；負(fù)載由濾波電容提供能量。第一百零六頁(yè)，共一百一十