晶体管功率电路PPT课件

1、 引言 已学过的非隔离变换器是否已经能够满足实际应用的需要了呢？ 参考电位的不同、安全的需要等要求输入输出电气绝缘 重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的分析方法第1页/共68页具有输入和输出隔离的单管变换器 特点: : 输入输出隔离; ;可以多路输出; ; 可以升降压. . 常用电路有: :单端反激式和单端正激式两种 适合中小功率输出第2页/共68页反激变换器第3页/共68页 第4页/共68页 第5页/共68页由电感变压器T，晶体管Q，二极管D和滤波电容C组成，与Buck等单管电路元件数相同第6页/共68页单端反激式变换器-Q导通时Q ON时: 晶体管导通时，D截止 电感变压器作电感运行

2、 电感储能 输出负载由电容提供能量dtdiLUi11122/ NNUuiONiTLUiii1min1max11)(D管承受电压？-UiN2/N1-Uo第7页/共68页Ui+ +_ _Uo+ +_ _DCubLRQ2i1imax22max11iNiN单端反激flyback关断瞬时第8页/共68页单端反激式变换器-Q截止时Q OFF时: 晶体管截止 感应电动势决定D导通 电感储存能量向电容和负载提供u2dtdiLUo22oUu 2bu1i2uONTOFTmax1imin1itttt2imax2imin2iOFoTLUiii2min2max22)(Q管承受电压？UON1/N2+Ui第9页/共68页单

3、端反激式变换器状态分析 在稳态时，转换瞬间磁势连续： 即 此外，电感与匝数的平方成正比(P306)(P306) 代入前式min22min11max22max11iNiNiNiN和2211iNiN22211LNNLiiOFONUDDnUNNTTU1120第10页/共68页 121NNDUDUoi及应用单端反激电路组成和工作原理 第11页/共68页 u2max2imin2i 11/LDTUii22/)1 (LTDUio单端反激电路组成和工作原理 ()2()D avavoiiI第12页/共68页隔离变压器与铁芯磁通 如图的变压器工作情况： 变压器的工作情况： u1 u2 电压和磁通满足： 当电压为正

4、时，磁通增长当电压为负时，磁通减小 变压器的设计保证一周期内磁通变化量为零！duNdt第13页/共68页单端反激式变换器状态分析 在Q导通时（承受正向电压）： 在Q关断时：（承受反向电压） Q导通时磁通增量等于Q关断时磁通减量： 即在一个周期内，磁通变化量为零，可以完成磁复位。1101111onTiu dtU DTNN2202211(1)offTou dtUD TNN01iDnUUD第14页/共68页单端反激式变换器的同名端变化 对于反激式变换器，在一个周期内，可以自动完成磁复位。 如果将反激式变换器的变压器同名端改为相同端，则不能完成磁复位！第15页/共68页第16页/共68页单端反激式变换

5、器 反激式变换器中的电感变压器起着电感和变压器的双重作用 具有电感电流连续、临界连续和断续3 3种工作模式 电流连续时电压关系121NNDUDUoi第17页/共68页断续模态分析第18页/共68页u21i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt00（图920）单端反激式变换器电路外特性 nQon:nQoff, 电流下降（Tr）nQoff, 电流为零dtdiLUi11dtdiLUo220LU第19页/共68页单端反激式变换器电路外特性 在三种电路状态下，Q和D上的电压波形？12ioNUUN21oiNUUN第20页/共68页电流断续时工作分析 输出平均电流 晶体

6、管关断电流下降时电路关系式：代入化简222222222221121122(/)22OOoooi LiLiITUTULiNNLiTUTURoTiTI2122222iULTTiLUoRRo式中式中TR为电流下降时间为电流下降时间第21页/共68页电流断续时工作分析 在Q Q导通时有i i1 1的电路方程 所以输出平均电流 如果以输出电压作为变量：222211111(/)222iONiOoooL U TLU D TLiITUTULU11/LDTUiioioiofILDUILTDUU12212222第22页/共68页电流断续时工作分析 电流断续时，输出电压： 当负载电阻加大，I Io o减小时，输出电

7、压升高 当输出开路时，输出无穷大，将损坏电路所以，反激电路不能开路输出oiofILDUU1222第23页/共68页 临界连续模态分析第24页/共68页1i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt001i2itt002(1)2GoiIID21(2/1)iU DTinNNLn1(1)2iGU TIDDLn单端反激式变换器电路外特性 第25页/共68页电流临界连续时工作分析 临界电流 当D=0.5D=0.5时，有最大临界电流 所以，临界电流也等于1(1)2iGU TIDDLnmax18iGU TILnmax4(1)GGIIDD第26页/共68页121NNDUDUo

8、ioioiofILDUILTDUU122122221(1)2iGU TIDDLn单端反激式变换器电路外特性 第27页/共68页第28页/共68页参数选择 (3)参数选择 功率管Q,D 电感L:由临界连续负载电流定第29页/共68页1122(ioiQPipiIPU TiIIDDDUL连 续 ）DUUDDUnUUUiiioice1122iOQPipiIPIIDDU（断续）1i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt00第30页/共68页DUUnUUooiDR/222(1)1212(oooDPpIIU TiIIDDDL连续）122popIIPInn DU（断续）1

9、i2it00ONTOFTmin1imin2imax1imax2it1i2itt00第31页/共68页C. 变压器原边电感值（根据IG设计）1(1)2iGU TIDDLn连续模式断续模式22(1)(1)22ioooU TDLDDUI nn fI2min2min(1)2ooDLUn fI2max2max(1)2ooDLUn fIminoGIImaxoGII第32页/共68页第33页/共68页作业： P225页， 9-2第34页/共68页第九章 晶体管功率电路(4)正激变换器南航电力电子课程组第35页/共68页 引言 输入输出要求电气绝缘带隔离的直流变换器 重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的

10、分析方法 特点: : 输入输出隔离; ;可以多路输出; ; 可以升降压. . 常用电路有: :单端反激式和单端正激式两种第36页/共68页隔离变压器与铁芯磁通 如图的变压器工作情况： 当电压为正时，磁通增长当电压为负时，磁通减小 变压器的设计保证一周期内磁通变化量为零！ 当满足磁通变化量为零条件，称之磁复位 即要求变压器正负伏秒平衡！10Ldu dtN第37页/共68页单端反激式变换器的同名端变化 对于反激式变换器，在一个周期内，可以自动完成磁复位。 如果将反激式变换器的变压器同名端改为相同端，则不能完成磁复位！第38页/共68页变压器的磁复位的必要性 在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射

11、分量i2和磁化电流分量im 磁化电流将能量储存在变压器磁芯中 问题： 当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会造成过大的电压应力，危害功率器件; 仅有单方向磁通变化，无法去磁，磁通会饱和 解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极管2第39页/共68页正激式变换器的电路变化 BUCK变换器 带变压器隔离BUCK变换器 带磁复位正激式变换器输入输出间无法隔离变压器的无法实现磁复位第40页/共68页正激式变换器(1)电路构成及工作原理 它是由变压器T，晶体管Q，二极管D1，滤波电感，滤波电容C，电感续流二极管D3组成 此外还有磁复位绕组，磁复位二极管D2第41页/共68页稳态工作状态分析1 当Q导通时

12、： 变压器星号为正端，副边形成功率通路 u2=n*ui (n=N2/N1为变比) D2反压截止 D3反压截止第42页/共68页稳态工作状态分析2 当Q截止时： 变压器星号为负端 D2导通，完成磁复位 D3导通，为电感电流续流第43页/共68页正激式变换器的输出电压（伏秒平衡） T ON时: D1导通，电源向副边提供能量，电感L磁通增长： T OFF时: D1截止，电感L磁通减小： 单周期磁通平衡： 即：2001()onTLiNU dtUUDTN(1)onoffonTTLoTU dtUD T 201()(1)ioNUUDTUD TN21oiNUU DN第44页/共68页正激式变换器的输出电压 T

13、 ON时: D1导通，传递能量 T OFF时: D1截止，磁复位，D3续流 实际上和降压变压器工作方式类似 设 那么输出电压：2oiUDUDnU2121UnUNnN式 中第45页/共68页复位绕组工作分析 当Q导通时，D2截止，N3不参与能量传输 当Q截止时，N3上感应电势反号，迫使二极管D2导通。将存储在铁心中的能量返回电源，使铁心复位， 磁复位时，N上的感应电势箝位于第46页/共68页正激式变换器第47页/共68页on-1) 变压器正向磁化; 2) D1通1iONONU TN3iROFU TN磁通状态分析 off-1)变压器反向去磁; 2) D3续流 Ui第48页/共68页1) 变压器:磁

14、化与去磁要求单周期磁通变化回零：即：TRTOFF磁通状态分析1iONONU TN3iROFU TN第49页/共68页3iROFU TN1iONONU TN(1)RTD TTOFF113NDNN否则变压器饱和磁通状态分析3311RONNNTTDTNN若N1N3，TR=?若N1N3，TR=Ton=DT第50页/共68页3绕组的工程设计 由于： 所以： 当N3N1时，D可以大于0.5，但晶体管耐压提高 通常N3N1时，D0.5，以保证磁心复位 为了使从将导通期间存储于磁场中的能量全部返回电源，N1必须与N3紧密耦合，通常采用并绕113NDNN第51页/共68页电应力分析（Q） Q管何时出现最大电压？

15、 晶体管关断磁复位时，Q上承受最大电压为113QiiiUUUNUUN第52页/共68页电应力分析（D1） D1何时出现最大反压？ 晶体管关断磁复位时，D1上承受最大反压：213DiNUUN第53页/共68页电应力分析（D2） D2何时出现最大反压？ 晶体管导通时，D2上承受最大反压：321DiiNUUUN第54页/共68页电应力分析（D3） D3何时出现最大反压？ 晶体管导通时，D3承受最大电反压221DiNUUN第55页/共68页课堂习题： 工作条件：电流连续 根据Q的开关控制波形做出磁通, uQ,uD1,uD2,uD3波形 设Ui=100V, N1:N2:N3=10:1:10,标注各数值大

16、小第56页/共68页课堂习题答案： 工作条件：电流连续 根据Q的开关控制波形做出磁通, uQ,uD1,uD2,uD3, uN1 波形 设Ui=100V, N1:N2:N3=10:1:10,标注各的数值大小uN1 第57页/共68页工作波形与应力分析(3)工作波形：电流连续时第58页/共68页工作波形与工作应力(3)工作波形：电流断续时第59页/共68页变压器磁复位电路1 利用DW进行变压器磁复位 工作最大D与稳压值有关第60页/共68页变压器磁复位电路2双管正激变换器 Q1和Q2分别串接于变压器初级端的顶端和底端，两个开关管同时导通和关断 当它们导通时，所有初级和次级的同名端为正，功率传递给负

17、载第61页/共68页变压器磁复位电路2双管正激变换器 当它们关断时，存储于变压器励磁电感上的电流使所有绕组电压极性反向。 N1激磁电流经D1-Vdc-D2向电源返回磁能，完成磁复位第62页/共68页变压器磁复位电路2双管正激变换器 N1的同名端电位被二极管D1箝位至地电位，N1的异名端电位被二极管D2箝位于Vi。 Q1的发射极电压不会低于0V，Q2的集电极电压也不会超过Vdc，漏感尖峰被箝位，使任一开关管的最大电压应力都不会超过最大直流输入电压。第63页/共68页课程总结 正激电路结构和工作原理 正激电路的波形分析 正激电路的磁复位原理 正激电路的磁复位限制条件（最大占空比） 正激电路的器件电

18、压应力分析 几种衍生正激型变换电路第64页/共68页 如图所示为单端正激DC/DC变换电路，开关管工作在开关状态，设输出电容足够大输出电压为一平直的直流电压，N1：N2：N3=14：1：14。（1）在图中画出原边开关管Q、D1管、D2管和D3管的电压波形，并标注电压大小(用Ui变量表示)；（2）变换器允许的最大占空比是多少?（3）若输入直流为250V350V，输出直流电压为8V，晶体管开关频率为150KHZ, Q应选用什么类型的开关管？D2应选用什么类型的二极管？D1和D3应选用什么二极管？_ _+ +UiUoQ1D3DRL+ +_ _2D3N1N2NLCtOtQ驱动UiuQ第65页/共68页习题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