单晶体管功率电路

1、单晶体管功率电路第1页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二第九章 晶体管功率电路-概述概述概述晶体管晶体管开关变换开关变换功率电路功率电路电路应用：电能变换装置 -开关电源 （switching mode power supply） -各种功率开关变换器电路特点： -高频开关工作，效率高，体积小第2页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二第九章 晶体管功率电路-概述特点：以一直流/直流变换为例来说明例：一个500W dc-dc功率变换器第3页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二例：500Wdc-dc功率变换器电阻分压器电路缺点：低效率，不能自

2、动调压线性调节器缺点：低效率第4页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二例：500Wdc-dc功率变换器基本工作原理：稳压原理：调节占空比D=T1/TS特点：损耗小，效率高开关频率越高LC越小第5页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二第九章 晶体管功率电路概述电路特点小结构成特点：-无损耗器件（损耗小）-储能元件：电容，电感-隔离变压元件：高频变压器-开关元件：半导体器件（全控器件和二极管）工作特点：开关工作方式，高频化电路特点：半导体器件高频开关工作 电路小型化，高效率第6页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二第九章 晶体管功率电路概述电路

3、分类：按开关管数量分：-单晶体管电路-多晶体管电路按是否隔离分：-隔离型-非隔离型按功能分：-DC/DC-DC/AC第7页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二第一节 单晶体管功率电路电路特点：单个开关功率管，电路简单，适于中小功率基本电路-六个：降压式（Buck ）升压式（Boost）升/降压式（Boost/Buck）丘克变换器（Cuk）Zeta变换器Sepic变换器第8页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二-dc/dc变换基本电路拓扑第9页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波电路直流斩波电路（DC Chopper）-将直流电变为另

4、一固定电压或可调电压的直流电-也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）-一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流直流斩波电路的种类-6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，-其中前两种是最基本的电路复合斩波电路 不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合第10页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器图中所示电路，即为直流斩波器（Chopper）第11页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器当Q导通时，工作状态第12页，共

5、54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器当Q关闭时，工作状态：第13页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器输出电压平均值： 式中T为开关周期，TON为导通时间，D为为斩波占空比平均负载电流 io=Uo/Ro第14页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器改变占空比，就可以改变输出电压输入功率等于输出功率：斩波器输入电阻：第15页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二直流斩波器尽管能实现电压的幅值控制但是输出纹波过大负载上电压和电流脉动大通常在负载端加上LC滤波环节，以减小输出电压纹波经过电路变换，就有BUC

6、K降压变换器第16页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二一.降压式变换器（Buck Converter）(1)电路构成Q ,D, L, C四个元件Q为全控型半导体器件假设：Ui为理想直流电压源；C很大,UO为直流电压；器件为理想的第17页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二一.降压式变换器(2)基本工作原理Q管导通期间(Ton)状态1:Uce=0UA=Ui，D OFF,L储能，iL增大Q管OFF期间(Toff)（状态2）:UD=0，UA=0，Uce=Ui，L释能，iL减小第18页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二一.降压式变换器 (2)基

7、本工作原理 工作方式定义： iL连续模式（CCM）（continuous conduction mode）在一个开关周期内电感电流大均于零。iL断续模式（DCM）（discontinuousconductionmode）在Q管OFF期间(Toff)电感电流下降到零，故增加一个iL =0的工作状态3第19页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二BUCK电路模态分析当Q导通时：电感电流线性上升第20页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二BUCK电路模态分析当Q截止时，有：电感电流线性下降：第21页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二BUCK电路模

8、态分析因为在稳态时（电流不能突变）：联立以上各式：输出电流平均值：第22页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二降压斩波电路工作原理t=0时刻驱动V导通，电源向电感充电，同时向负载供电t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，电感放电电感电流的交流分量为电容电流电感电流的直流分量为负载直流电流大小第23页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二变换器外特性变换器的外特性：在D恒定时，变换器的输在出电压与输出电流的关系电感电流连续时，输出电压与负载电流无关，仅和输入电压和占空比有关第24页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二临界电流连续状态

9、当负截电流减少到iomin0时iomax=i，定义这种状态为临界电流连续对应临界电流连续时的输出负载电流平均值为对应临界电流连续时的电感临界连续电流IG第25页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二临界电流连续状态由于临界电流连续仍满足连续时工作分析，所以有：联立求出：第26页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二临界电流连续状态当D0.5时，临界电流达到最大值：代入上式，有第27页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二临界电流与占空比关系IG与IGMAX的关系如图当I0大于IG时，电流连续，输出电压仅与占空比相关当I0小于IG时，电流断续第28

10、页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电流断续时波形分析Q导通时，工作状态同前，电流从零上升Q关断时，电感释放电能，电流下降当电感电流下降到零时，电感上压降为零设关断时间为TOF，电流下降到零的时间TOF第29页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电流断续时分析断续时，输出电流的平均值：式中TOF为晶体管关断后电流持续时第30页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电流断续时分析断续时电流的增量与减量同样是平衡的：代入，化简，有：第31页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电流断续时分析将TOF代入式9-12即有输出电流：得

11、到输出电压：第32页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二标幺曲线可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)曲线：标幺可以作出外特性：图中红线为临界连续曲线，即为分界线右边为电流连续，输出电压只与占空比相关左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关第33页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二标幺曲线在电流断续时特性当电流断续时，变换器存在很高的非线性内阻电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很大(以UO/Ui为0.6为例)，易失控当I0时，输出电压均为输入电压在实际工作中，应保证连续工作，以最小电流作为电感电流临界连续设计电感第34页，共54页，2022年，5

12、月20日，2点23分，星期二降压式变换器小结(4)输出输入电压关系式 -CCM工作模式第35页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二降压式变换器小结 -iL临界连续时： UO=DUiiL临界连续时输出电流：IG=iL/2=UiTD(1-D)/2/LD=0.5时，IG= IGmax IGmax=Ui T/8/L IG= 4IGmax D(1-D)第36页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二降压式变换器小结-DCM工作模式第37页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二降压式变换器小结iL连续时：Uo与负载大小无关 UO=DUi , D=TON/T

13、iL断续时：第38页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择设计条件：输入直流电压的额定值以及变化范围输出电压、输出电流最大值和最小值输出电压的稳定度及纹波电压要求等效率估算假定晶体管的开关损耗等于导通损耗（f2Icp功率管的电压满足：第41页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二功率管选择 根据工作频率选功率管的类型在20kHz以下，可选择普通低频功率管；20一50kHz可选开关功率管；50kHz以上应选择功率MOSFET；大功率应用，可选择IGBT第42页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（二极管）二极管一般选开关二

14、极管，快恢复二极管， 在低压场合最好选肖特基二极管二极管的平均电流和有效电流为二极管的电压满足第43页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（电感）为保证电感在所有工作条件下电感电流连续，有： Iomin=IG将Iomin代入IG表达式(式9-9)，即得到电感L：如果电流过小，会造成电感量过大，所以有时可加入假负载以提高最小电流; 或局部工作在断续模式若输出负载恒定，为减小纹波，在进行电感量计算时，将IG进行减小处理: IG=(1/51/3)Iomax 第44页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（电容）电容电流的脉动量近似即为电感电流

15、的脉动量电容电流在1/2周期内充电，在1/2周期内放电所以，电容电流：所以电容纹波电压：第45页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（电容）根据输出纹波大小即可以确定输出电容大小：考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性第46页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（电容）低频时，1/CRs, Ls，电容呈容性随着工作频率的增高，电容器的1/C 小，而Rs, Ls 相对的影响逐渐增大对于开关瞬间的高次谐波电容已无抑制作用第47页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二电路参数选择（电容）由于这些影响，实际的C选取：对于高频

16、开关电路，应采用ESR，ESL尽可能小的高频电容在高频应用时，电容量应在计算的基础上适当放大采用多个电容关联，可减小ESR影响为抑制尖峰，常用高质量无极性电容与电解电容并联第48页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二2.降压式变换器(5)参数选择与设计开关功率管:U(BR)ceo , ICM2IQP二极管:电感：第49页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二2.降压式变换器 (5)参数选择与设计电容开关频率与LC大小的关系：f大LC小对电容的要求：高频性能好第50页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二分析方法小结：推导输出电压和输入电压关系式方法： CCM方式： 电感电流上升量=电感电流下降量 TON 期间磁通变化量= TOFF期间磁通变化量 DCM方式流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io第51页，共54页，2022年，5月20日，2点23分，星期二稳态工作特点稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点：电感L：电流变化量/伏秒面