电力电子技术第九章

1、12 要求：要求： 各种变换器工作原理波形分析，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）；变量关系（电流连续，断续两种方式）； 常用基本电路特点。常用基本电路特点。 磁性元件磁复位：磁性元件磁复位：单绕组电感：开关周期内电流上升量单绕组电感：开关周期内电流上升量=下降量下降量多绕组电感或变压器：磁通增加量多绕组电感或变压器：磁通增加量=下降量下降量 电容：一个开关周期内平均电流为零电容：一个开关周期内平均电流为零3 一。基本非隔离一。基本非隔离DC-DC变换器变换器41.降压式（降压式（BUCK）变换）变换器器(dc/dc converter)（1）工作波形）工作波形5（

2、2）.降压式变换器关系降压式变换器关系iL连续时连续时 ：UO=DUi , D=TON/TiL断续时：断续时：Uo/Ui=1/(1+IO/(4IGmaxD2)IG= 4IGmax D(1-D)Io=0,Uo=Ui实际电路实际电路:电流连续时：电流连续时： UO=DUi -RIo6（3）电路元件参数选择）电路元件参数选择功率管功率管:U , I二极管二极管:U , I电感：电感：L=UiTD(1-D)/(2Iomin)输出滤波电容输出滤波电容:C=UiD(1-D)/(8Lf2 UC)高频电容高频电容7(1)工作波形工作波形8(2)外特性外特性iL连续：连续：Uo=Ui/(1-D) 临界连续负载电

3、流：临界连续负载电流：IG= 4IGmax D(1-D)，IGmax=Ui T/8/LiL断续：断续：Uo=Ui(1+4IGmaxD2/Io)Io=0: Uo=无穷大无穷大9(3)实际电路实际电路iL连续：连续：Uo=Ui (1-D)/（1-D）2+R/RL） Uo/Ui10(4)电路元件参数选择电路元件参数选择功率管功率管:U , I二极管二极管:U , I电感：电感：L=UiTD(1-D)/(2Iomin)（与降压式一样）（与降压式一样）输出滤波电容输出滤波电容:C100DPo/(f Uo2) %= Uo/Uo111.升升/降压式变换器降压式变换器电流连续：电流连续：UinDDU1o121

4、.升升/降压式变换器降压式变换器IoLfDUiUo222电流断续：电流断续：1314 二。隔离型二。隔离型DC-DC变换器变换器 应用例：应用例：间接直流变流电路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 采用这种结构的变换原因采用这种结构的变换原因： 输出端与输入端需要隔离。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。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输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于或远大于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

5、重量。工作频率和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。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16逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中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、肖特基二极管或通常采用快恢复二极管、肖特基二极管或M O S F E T 构 成 的 同 步 整 流 电 路构 成 的 同 步 整 流 电 路（Synchronous Rectifier）。间接直流变流电路分为间接直流变流电路分为单端单端(Single End)和和双端双端(

6、Double End)电路两大类。电路两大类。 单端电路：变压器中流过的是单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流直流脉动电流，如，如正激电路和反激电路。正激电路和反激电路。 双端电路：变压器中的电流为双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电正负对称的交流电流流。如半桥、全桥和推挽电路。如半桥、全桥和推挽电路。 17 (A)电流电流连续连续:波形波形 变压器起着变压器起着储能元件储能元件的的作用，可以看作是一对作用，可以看作是一对相互耦合的电感相互耦合的电感。18 (b)电流电流断断续续: 波形波形 Toff 19电流电流连续模式连续模式： 输出电压关系：输出电压关系： 电流电流断续断续模式：

7、模式： 输出电压高于上式的计算值，并随负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载减小而升高，在负载为零的极限情况下，况下， ，因此反激电路，因此反激电路不应工不应工作于负载开路状态作于负载开路状态。offon12iottNNUUUo 20(1)磁通复位条件磁通复位条件:DN1/(N1+N3)21(2)工作波形：工作波形：电流连续时电流连续时2223(2)工作波形：工作波形：电流断续时电流断续时24（3）输出电压）输出电压： 输出滤波电感电流连续的情况下：输出滤波电感电流连续的情况下： 输出电感电流不连续时，输出电压输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计将高于

8、上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，况下， TtNNUUon12ioi12oUNNU25 P226题图题图9-6:Uc2 Ttoff=Ui Ton 双管正激双管正激:D0.5 二极管二极管+稳压管：稳压值大于稳压管：稳压值大于UiD/(1-D)2627调压：调压：PWM调节控制输出调节控制输出电压电压R负载：负载：2829S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO30当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，D3和和D4都处于通态，都处于通态，各分担一半

9、的电流各分担一半的电流。Q1和和Q2承受的峰值电压均为承受的峰值电压均为2倍倍Ui。31 输出电压：输出电压： 滤波电感滤波电感L电流连续时：电流连续时： 输出电感电流不连续时，输出电压输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于该计算将高于该计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，下， TtNNUUon12io2UNNUoi2132+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W233当两个开关都关断时当两个开关都关断时，变压器绕组，变压器绕组N1的电流为零，的电流为零，VD1和和VD2都处于通态，各分担一半的电流。都

10、处于通态，各分担一半的电流。+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W234S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO35 由于电容的隔直作用由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通，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，因此自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。磁饱和。 输出电压：输出电压： 当滤波电感当滤波电感L的电流连续时：的电流连续时： 如果输出电

11、感电流不连续，输出电压如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上式将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，限情况下， 。TtNNUUon12io2i12oUNNU36+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W137 当当4个开关都关断时，个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流电流，电感，电感L的电流逐渐下降的电流逐渐下降. S断态时承受的峰值电压断态时承受的峰值电压Ui，。 如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交流

12、电压的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流直流分量，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。次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。38S1( S4)S2( S3)uS 1( uS 4)uS 2( uS 3)iS 1( iS 4)iS 2( iS 3)iD 1( iD 4)iS 2( iS 3)tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO39 输出电压：输出电压：

13、 滤波电感电流连续时：滤波电感电流连续时： 输出电感电流断续时，输出电压输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上的计算将高于上的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，下， TtNNUUon12io2UNNUoi2140管子管子承受电压承受电压：全桥：全桥=半桥半桥=Ui，推挽，推挽=2Ui管子流过管子流过电流电流： 全桥全桥=半桥半桥/2=推挽推挽变压器变压器：桥式，半桥可有可无，推挽必须有：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桥式适合于高压输入

14、场合41表表 1 各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本电路较简单，成本低，可靠性高，驱低，可靠性高，驱动电路简单动电路简单变压器单向激磁，变压器单向激磁，利用率低利用率低几百几百W几几kW各种中、小功各种中、小功率电源率电源反激反激电路非常简单，成电路非常简单，成本很低，可靠性高，本很低，可靠性高，驱动电路简单驱动电路简单难以达到较大的功难以达到较大的功率，变压器单向激率，变压器单向激磁，利用率低磁，利用率低几几W几十几十W小功率电子设备、小功率电子设备、计算机设备、消计算机设备、消费电

15、子设备电源。费电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，变压器双向励磁，容易达到大功率容易达到大功率结构复杂，成本高，结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组低，需要复杂的多组隔离驱动电路隔离驱动电路几百几百W几百几百kW大功率工业用电大功率工业用电源、焊接电源、源、焊接电源、电解电源等电解电源等半桥半桥变压器双向变压器双向励励磁，没磁，没有变压器偏磁问题，有变压器偏磁问题，开关较少，成本低开关较少，成本低有直通问题，可靠有直通问题，可靠性低，需要复杂的性低，需要复杂的隔离驱动电路隔离驱动电路几百几百W几几kW各种工业用电各种工业用电源，计算机电源，计算机电源等源等

16、推挽推挽变压器双向励磁，变压器变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，个开关，通态损耗较小，驱动简单驱动简单有偏磁问题有偏磁问题几百几百W几几kW低输入电压的低输入电压的电源电源42a）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。路和全桥整流电路。 +VD1VD2L+VD1LVD3VD2VD443全波整流电路的特点全波整流电路的特点 优点优点：电感：电感L的电流只流过一个二极管，回的电流只流过一个二极管，回路中只有路中只有一个二极管压降一个二极管压降，损耗小，而且

17、整，损耗小，而且整流电路中只需要流电路中只需要2个二极管，元件数较少。个二极管，元件数较少。 缺点缺点：二极管断态时：二极管断态时承受的反压承受的反压是二倍的交是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，而且变流电压幅值，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。压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 适 用 场 合适 用 场 合 ： 输 出 电 压 较 低 的 情 况 下： 输 出 电 压 较 低 的 情 况 下（100V）。）。44全桥电路的特点全桥电路的特点 优点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电：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。

18、压幅值，变压器的绕组结构较为简单。 缺点缺点：电感：电感L的电流流过两个二极管，回路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，而且电中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要路中需要4个二极管，元件数较多。个二极管，元件数较多。 适用场合适用场合：高压输出的情况下。：高压输出的情况下。45同步整流电路同步整流电路：当电路的：当电路的输出电压非常低输出电压非常低时，时，可以采用同步整流电路，利用低电压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。导通损耗，进一步提高效率。+

19、V1V2L46 一台输出电压为一台输出电压为5v，输出电流为，输出电流为20A的开关电的开关电源源（1）采用全桥整流电路，）采用全桥整流电路， 全波整流电路（快恢全波整流电路（快恢复复D和肖特基和肖特基D）及同步整流电路下，整流管）及同步整流电路下，整流管的总损耗？的总损耗？元件类型元件类型型号型号电压电压V电流电流A通态压降通态压降快恢复快恢复25CPF10100250.98V肖特基肖特基3530CPQ03530300.64VMOSFET IRFP04860700.018欧欧47 1。buck直直变换器：在某组参数下，设直直变换器：在某组参数下，设负载电流为负载电流为10A时工作在临界连续状

20、态。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问在同一组参数下，改变负载电流大小为20A和和5A时输出电压如何变化？时输出电压如何变化？48 2。Buck,BOOST 单端反激，单端正激直单端反激，单端正激直直变换器：输出能否开路？短路直变换器：输出能否开路？短路?49 3。如图所示直直变换器：晶体管。如图所示直直变换器：晶体管Q工作在开工作在开关状态，设输出电容足够大，电感电流连续，关状态，设输出电容足够大，电感电流连续，N1:N2:N3=2:1:2(1)电路名称电路名称?（2）允许的最大占空比）允许的最大占空比=？（3）若输入电压为）若输入电压为28V,D=0.4,变压器原

21、边磁化电变压器原边磁化电感感28uH，fs=100khz,L=8.4uH,负载负载R=0.1欧，忽略其它非理欧，忽略其它非理想因素，画出想因素，画出Q,D2,D3管电流管电流波形及电感电流波形，并定波形及电感电流波形，并定量计算各电流的峰值量计算各电流的峰值.50 4。BUCK直直变换器：输入电压直直变换器：输入电压35-75V,输出电压输出电压28V,开关频率开关频率75KHZ,C=470uf,L=22uH,Po=10w-1000w. 问问1）整个工作范围均工作在）整个工作范围均工作在CCM吗？吗？ 2）确定开关管的占空比范围）确定开关管的占空比范围51 5。如图直直变换器：。如图直直变换器

22、：Q1Q2同时开通与关同时开通与关断断,占空比为占空比为D. 1)分析工作在分析工作在DCM的的条件条件 2）若）若1）D0.5将会将会发生？发生？52 6。DCM BOOST直直变换器要求：直直变换器要求： 输入电压输入电压18V-36V; 输出功率输出功率5W100W； 输出电压输出电压=48V; 开关频率：开关频率：150KHZ 输出电压纹波小于输出电压纹波小于1V 设有反馈控制使设有反馈控制使D可变保证输出电压恒定可变保证输出电压恒定 要求整个工作在要求整个工作在DCM,设计设计L使使L的尖峰电流最小的尖峰电流最小 53 FS=100KHZ,D3=0.1, (1)设计一个方案，使设计一

23、个方案，使Q电压小于电压小于300V,D电电压小于压小于35V,()D,Lm,n1/npn3/np (2)在（在（1）参数下，）参数下，确定四个绕组的电流确定四个绕组的电流有效值有效值54习题习题1 1：请画出降压式，升压式，单端反激式电：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路电感电流连续和断续工作下u uQ Q,u,uD D,i,iD D,i,iQ Q波波形，原副边绕组电压电流波形。形，原副边绕组电压电流波形。习题习题2 2 ：单端反激式电路，：单端反激式电路，(1)D=0.4,F=100KHz,Ui=100v,N1:N2=2:1,RL(1)D=0.4,F=100KH

24、z,Ui=100v,N1:N2=2:1,RL=10=10欧，欧，iLiL工作在工作在临界临界连续状态。定量画出连续状态。定量画出u uQ Q,u,uD D,i,iQ Q,i,iD D波形波形, ,求求u uo;o;(2)N1:N2=1:2,D=0.4,L1=100(2)N1:N2=1:2,D=0.4,L1=100微亨，微亨，F=100KHZ,Ui=60v,F=100KHZ,Ui=60v,求临界连续负载电流求临界连续负载电流I IG G及及电阻电阻R RLG;LG;(3)(3)推导推导iLiL连续及断续下连续及断续下uo/uiuo/ui关系式关系式55 P225 题题9-7补充题补充题1：半桥：

25、半桥DC/DC电路。输入电压电路。输入电压400v-600V,负负载载:R=10 欧，变压器为理想变压器，变比欧，变压器为理想变压器，变比N2/N1=1/2,要求要求输出电压为输出电压为200V不变。（不变。（1）设工作在电感电流连续状态，）设工作在电感电流连续状态，求开关管导通角度变化范围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（）求保证电感电流连续工作的最小电感（3）画出输入）画出输入电压电压600V时的各器件的电压电流工作波形。时的各器件的电压电流工作波形。56补充题补充题2：全桥逆变电路。输入电压：全桥逆变电路。输入电压600v,负载负载:R=10 欧，欧， L=30 mH；开关频率；开关频率500HZ,Q1Q4和和Q2Q3互补轮流导互补轮流导通半周期。（通半周期。（1