CH3F 直流变换器基本电路

1、13.1 直流变换器概述3.2 降压型直流变换器主电路3.3 单端正激型(Forward)直流变换器3.4 反相型(BUCK-BOOST)直流变换器3.5 单端反激型直流变换器3.6 升压型直流变换电路3.7 Cuk型直流变换器3.8 Sepic型直流变换器3.9 推挽型直流变换器3.10 半桥型直流变换器3.11 全桥型直流变换器3.12 钳位、缓冲电路及软开关第三章第三章 直流变换器基本电直流变换器基本电路路2单晶体管功率电路单晶体管功率电路多晶体管功率电路多晶体管功率电路3.1.1 直流变换器功能直流变换器功能直流变换器是直流变换器是“处理处理”直流电能的电器，用直流电能的电器，用来将输

2、入直流电压变为符合用电设备需要的来将输入直流电压变为符合用电设备需要的各种高质量技术指标的输出直流电压、电流各种高质量技术指标的输出直流电压、电流和功率。和功率。输入输出不隔离输入输出不隔离输入输出隔离输入输出隔离单端正激单端正激单端反激单端反激降压降压升压升压升降压升降压3.1 直流变换器概述3学习要点：学习要点：电路拓扑电路拓扑工作原理工作原理 外特性外特性参数计算参数计算43.1.2 直流变换器的组成主电路控制电路输入直流电压输出直流电压1。主电路作用：实现功率传输2。控制电路作用：稳压、稳流及保护主电路控制电路输出直流电压逆变变压整流滤波输入直流电压隔离的直流变换器53.2 降压降压(

3、Buck)式变换器式变换器直流斩波器直流斩波器Q: on off601ONTONoiiiTUU dtUDUTT式中式中 T=1/f f-开关频率开关频率 D-占空比，占空比， D=TON / T73.2.1 Buck变换器变换器Q主开关管主开关管D续流二极管续流二极管L，C输出滤波元件输出滤波元件i8（1）工作原理：电感电流连续模式）工作原理：电感电流连续模式(CCM)Q on（导通）期间：（导通）期间：Q off（关断）期间：（关断）期间：稳态时稳态时 -iOF=iON=i Uo=DUi , Io=ONioONidiUULLdtTOFoOFidiULLdtToUR（31）（32）（33）（3

4、4）9(2) 变换器理想条件变换器理想条件(理想器件理想器件)下外特性下外特性 在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流(这这里实际上是平均电流里实际上是平均电流)的关系称为变换器的的关系称为变换器的外特性外特性( )ooDUf i 电感电流有电感电流有: : 连续连续, , 临界连续临界连续, , 断续断续 三种情况三种情况 对于对于BuckBuck变换器变换器: : I Io o=I=IL L103.2.3 电感电流临界连续时电感电流临界连续时(Critical):(平均平均)输出电流输出电流 IQ,C : (负载电流负载电流) IQ,Ci02I

5、Q,Ct,()2ioQ CL ConcUUIITL,12Q CIi可导出：可导出：(3-10)TTon,()(1)222ioooConoffQ CQ CQ CUUUUDLTTTIII(3-11)111. 电流连续条件电流连续条件Conclusion,12LoQ CIIiI 2. 电流断续条件电流断续条件,12LoQ CIIiI 3. 电流临界连续条件电流临界连续条件,12LoQ CIIiI 123.2.4 电感电流断续时电感电流断续时(DCM)133.2.5 3.2.5 元件参数选择元件参数选择 A. 功率开关管功率开关管Q参数：峰值电流参数：峰值电流IQP=Io+i/2 电流定额电流定额 I

6、CM2IQP 电压定额电压定额 U(BR)ceo=1.5Uimax14B. 二极管二极管D参数：电流有效值参数：电流有效值: 电压定额电压定额 UDR2Uimax2011OFTDrmsooII dtIDT15C. 电感电感L 按临界连续电流值按临界连续电流值IQ,C设计设计(最小最小)电感值电感值由式由式(3-10): (3-11)min(1)2ioU TDDLI16D. 电容电容(理想元件理想元件)iL=Io+iIoiitToff onIoic(3-15)交流分量112 222 228CioLonIUUITTQT TL8iooonUUQUT TCLC172(1)8iU DDCLfU(3-16

7、)8iooonUUQUT TCLC3.2.6 3.2.6 输出脉动电压峰峰值输出脉动电压峰峰值18(3-17)3.2.7 3.2.7 变换器的效率变换器的效率UVT(on): 开关管通态压降(V)UVD(f): 二极管正向压降(V)()()()()()()/ooioVT onVD foooooVT ononoVD foffooVT ononVD foffPPPPPPU IU II UTTI UTTUUUTTUTT19 例：例：1. Uo=48V, Uces=UVD(f)=1V, 则 效率=48/49=98%2. Uo=5V, Uces=UVD(f) )=1V, 则 效率=5/6=83%3. U

8、o=2V, Uces=UVD(f) )=0.1V, 则 效率=2/2.1=95%故：输出电压Uo高时，效率高，Uo小时，要用导通 压降小的MOSFET和二极管或用同步整流20小结小结工作原理分析工作原理分析：(iL连续连续)on/off 期间的回路方程期间的回路方程+边界条件边界条件 - Uo=?Ui外特性外特性-连续连续,临界连续临界连续,断续三种情况的汇总断续三种情况的汇总;临界连续点临界连续点参数计算参数计算: Q-电压（稳态承受电压：电压（稳态承受电压：Ui）, 峰值电流峰值电流 D-电压（稳态承受电压电压（稳态承受电压: Ui), 电流有效值电流有效值/平均电流定额平均电流定额 L-

9、按临界连续电流设计按临界连续电流设计 C-按输出电压纹波设计按输出电压纹波设计Buck变换器基本特点变换器基本特点: 降压降压, ii纹波大、而纹波大、而io纹波小纹波小 , ILIo21BuckBuck变换器变换器小结小结几个公式：几个公式： Uo=DUi,(1)2iQ CU TIDDLmin(1)2ioU TDDLI2(1)8icU DDCLfU参数计算：参数计算：（最小值）（最小值）22BuckBuck变换器变换器小结小结器件寄生参数对变换性能的影响器件寄生参数对变换性能的影响+ - +1) 损耗损耗2) 外特性变软外特性变软3)3)UoUo增大增大23NUAANUAANUAABuckB

10、uck变换器变换器小结小结另一种分析方法另一种分析方法: L 伏伏-秒面积平衡秒面积平衡(Ui-Uo)*DT-Uo *(1-D)T=0 Uo=DUiuLt-UoUi-UoDT (1-D)TTUi Uo+ -24BuckBuck变换器变换器作业作业:在在BUCK电路中，连续电路中，连续(CCM)工作方式设电路无工作方式设电路无损耗，若损耗，若Ui=48V，f=100KHz。要求输出直流电。要求输出直流电压为压为12V，最大输出功率为，最大输出功率为100W，最小输出功率，最小输出功率为为10W，计算占空比、电感，计算占空比、电感L值和电容值和电容C值（输出值（输出纹波为纹波为1%U0），三极管电

11、流峰值及三极管承受），三极管电流峰值及三极管承受的最大电压为多大？的最大电压为多大？ 253.1 直流变换器概述3.2 降压型直流变换器主电路3.3 单端正激型(Forward)直流变换器3.4 反相型(BUCK-BOOST)直流变换器3.5 单端反激型直流变换器3.6 升压型直流变换电路3.7 Cuk型直流变换器3.8 Sepic型直流变换器3.9 推挽型直流变换器3.10 半桥型直流变换器3.11 全桥型直流变换器3.12 钳位、缓冲电路及软开关第三章第三章 直流变换器基本电路直流变换器基本电路263.6升压型直流变换电路二、升压二、升压(Boost)式变换器式变换器on off27Boo

12、st变换器等效电路等效电路 on offiLQ Don off28Boost变换器1. 工作原理：电感电流连续模式工作原理：电感电流连续模式Q on（导通）期间：（导通）期间：Q off（关断）期间：（关断）期间：稳态时稳态时 -iLOF=iLONLidiULdtLiodiUULdt1ioUUD（3-90）29Boost变换器min(1)22ioffoniGoU TTU TIIDDLLT(3-97)iLtiDi 0 0D=0.5时 IG=max(2) 变换器理想条件变换器理想条件(理想器件理想器件)下外特性下外特性电感临界连续时平均输出电流电感临界连续时平均输出电流 IG : IoID min

13、0011(1)2OFOFTTOFGoLOFi TtIIi dtidtTTTT 30Boost变换器电感电流断续时电感电流断续时2max114/ioGoUUIDI313. 元件参数选择元件参数选择(1) 开关管开关管 A. 晶体管晶体管Q类型：类型：GTR, MOSFET,IGBT参数：峰值电流参数：峰值电流IQP=Ii+i/2 电流定额电流定额 ICM(1.52)IQP 电压定额电压定额 U(BR)ceo=1.5UoBoost变换器32B. 二极管二极管D类型：高压类型：高压-快恢复快恢复二极管二极管或超快恢复或超快恢复二极管二极管 低压低压-肖特基二极管肖特基二极管参数：电流有效值参数：电流

14、有效值: 电压定额电压定额 UDR=(1.52)UoBoost变换器1DrmsiIID33(2) 电感电感L参数：按临界连续电流值参数：按临界连续电流值Iomin设计电感值设计电感值由式由式(3-97):min(1)(1)22(1)(1)22iioioU TU TLDDDDIiDU TU TDDDiiBoost变换器34(3) 电容电容Boost变换器oonooI TQUCC(3-98)oonooI TCU35有源功率因数校正:APFC4. 有源功率因数校正有源功率因数校正功率因数的定义:11111coscoscosIIUIUISP其中：II1即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数3

15、6内容内容: : 拓扑拓扑 工作原理分析特性工作原理分析特性: on/off等效电路等效电路状态方程状态方程 参数设计参数设计几个特点几个特点: : 1. iin=iL ; Io=ID 2. 峰值电流峰值电流: iQ 、iD 和和 iL相同相同 3. 输入电流纹波小而输出电流纹波大输入电流纹波小而输出电流纹波大.BoostBoost变换器变换器: :小结小结37几个公式几个公式: : (3-90): (3-97) (同同Buck): , IGmax Q、D电压应力：电压应力： UoBoostBoost变换器变换器: :小结小结1ioUUD(1)2iGU TIDDLmin(1)2ioU TLDD

16、IoonooI TCU38BoostBoost变换器变换器作业：作业：在在Boost电路中，设电路无损耗，若电路中，设电路无损耗，若Ui=12V，f=100KHz。要求输出直流电压为。要求输出直流电压为48V，最大输出，最大输出功率为功率为200W，最小输出功率为，最小输出功率为20W，输出纹波，输出纹波为为0.5V，计算占空比、电感，计算占空比、电感L值和电容值和电容C值，三值，三极管电流峰值及三极管承受的最大电压为多大？极管电流峰值及三极管承受的最大电压为多大？ 393.1 直流变换器概述3.2 降压型直流变换器主电路3.3 单端正激型(Forward)直流变换器3.4 反相型(BUCK-

17、BOOST)直流变换器3.5 单端反激型直流变换器3.6 升压型直流变换电路3.7 Cuk型直流变换器3.8 Sepic型直流变换器3.9 推挽型直流变换器3.10 半桥型直流变换器3.11 全桥型直流变换器3.12 钳位、缓冲电路及软开关第三章第三章 直流变换器基本电路直流变换器基本电路40Buck-BoostBuck-Boost变换器变换器3.4 反相型直流变换器（升反相型直流变换器（升/降压降压Buck-Boost）3.4.1 Buck-Boost变换器变换器41Buck-BoostBuck-Boost变换器变换器工作原理：电感电流连续模式工作原理：电感电流连续模式(CCM)Q on（导

18、通）期间：（导通）期间：Q off（关断）期间：（关断）期间：稳态时稳态时 -iL(+)=iL(-)()LiONiULT()LoOFiULT1ioDUUD423.7 Cuk变换器变换器 (自学自学)433.1 直流变换器概述3.2 降压型直流变换器主电路3.3 单端正激型(Forward)直流变换器3.4 反相型(BUCK-BOOST)直流变换器3.5 单端反激型直流变换器3.6 升压型直流变换电路3.7 Cuk型直流变换器3.8 Sepic型直流变换器3.9 推挽型直流变换器3.10 半桥型直流变换器3.11 全桥型直流变换器3.12 钳位、缓冲电路及软开关第三章第三章 直流变换器基本电路直

19、流变换器基本电路44FlybackFlyback变换器变换器3.5 具有输入与输出隔离的单管变换器具有输入与输出隔离的单管变换器1. 单端反激单端反激(Flyback)变换器变换器- Isolated buck-boost converter原边原边副边副边N1: N2off on ceuceb45FlybackFlyback变换器变换器iL1iL2 等效电路等效电路: on off电感电感: 储能储能 释放能量释放能量(原边等效原边等效 L1)(副边等效副边等效 L2)L1/ L2=N12/N2246FlybackFlyback变换器变换器工作原理：电感电流连续模式工作原理：电感电流连续模式

20、Q on（导通）期间：（导通）期间：Q off（关断）期间：（关断）期间：于是于是 11idUNdt22odUNdt1oiDnUUD（3-85）升降压式升降压式变换器变换器又又: on - off - on 转换前后瞬间转换前后瞬间: L中的磁通变化量相等中的磁通变化量相等( n=N2/N1) 1:n 或或N1:N2iL1 iL247FlybackFlyback变换器变换器(2) 电路参数设计电路参数设计( iL 连续时连续时): Q, D, L, C稳态时稳态时 Q电压应力电压应力(正正): Ui+UO/n D电压应力电压应力(反反): nUi+UO解释解释: off onUo1:nUo /

21、nnUi1:nUi48FlybackFlyback变换器变换器原边原边副边副边N1: N2off on ceucebu1u2Ui+Uo/nn=N2/N1u1UiUo/nuDUiUo+Uinu2=nu1on off49FlybackFlyback变换器变换器Flyback特点特点: 简单简单(T兼作兼作L)，输入电压范围宽，输入电压范围宽， 输入输出输入输出电流纹波都大，电流纹波都大，Q电压应力高电压应力高 适于小功率应用适于小功率应用503.1 直流变换器概述3.2 降压型直流变换器主电路3.3 单端正激型(Forward)直流变换器3.4 反相型(BUCK-BOOST)直流变换器3.5 单端

22、反激型直流变换器3.6 升压型直流变换电路3.7 Cuk型直流变换器3.8 Sepic型直流变换器3.9 推挽型直流变换器3.10 半桥型直流变换器3.11 全桥型直流变换器3.12 钳位、缓冲电路及软开关第三章第三章 直流变换器基本电路直流变换器基本电路51ForwardForward变换器变换器3.3 单端正激单端正激(Forward)变换器变换器- Isolated buck converteron offTR52ForwardForward变换器变换器 工作原理分析工作原理分析 ( iL连续时连续时): on-1) 变压器正向磁化变压器正向磁化; off-1)变压器变压器反向去磁反向去

23、磁; 2) D1通通 2) D3续流续流 1iONONU TN3iROFU TNUinUi1:n53ForwardForward变换器变换器on offTRTOFF1) 变压器变压器:磁化与去磁磁化与去磁回零回零TRTOFF含义含义54ForwardForward变换器变换器3iROFU TN1iONONU TN3311(1)RONNNTTDTD TNNTOFF313NDNN否则变压器饱和否则变压器饱和155ForwardForward变换器变换器2) 副边相当于副边相当于Buck: Uo=D*(Ui*N2/N1)其它其它:外特性外特性; 器件应力器件应力, 器件选择器件选择 (自行分析自行分

24、析)56ForwardForward变换器变换器作业作业补充题补充题: 正激变换器如图正激变换器如图3-6,分析分析VT1,VD3和和VD1的的电压应电压应力力(画出画出uVT、iL、 VD3和和us波形波形); 设最小连续电感电流设最小连续电感电流In, 允许输出电压纹波允许输出电压纹波U,计算计算L,C值值57Buck-Boost,FlybackBuck-Boost,Flyback和和ForwardForward小结小结Buck-Boost1ioDUUD58Buck-Boost,FlybackBuck-Boost,Flyback和和ForwardForward小结小结1oiDnUUD( n

25、=N2/N1)59Buck-Boost,FlybackBuck-Boost,Flyback和和ForwardForward小结小结Forward( n=N2/N1)Uo=DnUi 60第二节第二节 多晶体管功率变换电路多晶体管功率变换电路1. 推挽变换器推挽变换器 (Push-Pull Converter)61推挽变换器推挽变换器Q1、Q2交替导通、带阻性负载时交替导通、带阻性负载时:ub1ub2 B u2Q1通通Q2通通（b）Q1导通：导通：Q2导通：导通：UiN2/N1162推挽变换器推挽变换器Q1、Q2交替导通、带纯感性负载时交替导通、带纯感性负载时:D1续流：续流：Q2导通：导通：Q1

26、导通：导通：D2续流：续流：+-+-+-+63ub1“1”ub2“1”控制信号控制信号导通管导通管 D1 Q1 D2 Q2推挽变换器推挽变换器64推挽变换器推挽变换器652. 半桥变换器半桥变换器半桥变换器半桥变换器(Half-Bridge Converter)66 D1、D2作用续流作用续流 Q1、Q2和和D1、D2的的电压应力：电压应力：Ui 电流应力：电流应力： Io*n半桥变换器半桥变换器uN1Ui /2-Ui /20uN10 C值大小的影响值大小的影响: C足够大足够大 C较小时较小时67+ -3。(1) 单相全桥变换器单相全桥变换器全桥变换器全桥变换器(Full-Bridge Co

27、nverter )图图(a) 桥式功率电路桥式功率电路68移相控制移相控制(Phase Shifting Control)全桥变换器的工作原理全桥变换器的工作原理全桥变换器全桥变换器T导通管导通管Q？: 4,1 1,2 2,3 3,4 图图 (b)UiUi69全桥变换器逆变输出全桥变换器逆变输出:互补导通、带电感负载时互补导通、带电感负载时Tub1,4ub2,3 uo io导通管导通管: D 4,1 Q1,4 D2,3 Q3,4 70全桥变换器全桥变换器-在输入输出相同的条件下在输入输出相同的条件下 N1/N2是是半桥半桥 的的2倍倍 Q1Q4的电压应力：的电压应力：Ui (同同半桥半桥 )

28、电流应力电流应力IO*N2/N1, 是是半桥半桥 的一半的一半全桥变换器全桥变换器71 Secondary rectifier topologies for push-pull, half-bridge and full-bridge converters u20Center-Tapped Full-Bridge Current-DoublerRectification Rectification Rectification+72 作业：作业：99 2004年未做年未做 提示提示: 忽略开关损耗忽略开关损耗; Q1或或Q2导通时分别等导通时分别等效为效为Rsat，并作出等效电路并作出等效电路73第三节： 第10章之后讲74第四节第四节 输出波形的控制和电压调节输出波形的控制和电压调节逆变器逆变器的输出电压的输出电压有效值有效值和和波形波形调节调节1. 单脉宽调制半个输出电压周期内只有一个调制脉冲单脉宽调制半个输出电压周期内只有一个调制脉冲 原理：原理：751. 1. 单脉宽调制单脉宽调制载波载波(调制波调制波)频率频率=输出基波频率输出基波频率*2定义调制度定义调制度 MAr /Ac改变调制度改变调制度