電力電子學第三章課件

電力電子學第三章課件第一頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器第四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器第五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器第六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：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!!!無法自動穩(wěn)壓!第七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：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!!!無法自動穩(wěn)壓!PQ=UQ

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

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：開關模式Ton：導通時間Ts：開關周期D：占空比50V第九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

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

效率很高！第十頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器第十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日QON工作原理：電感電流連續(xù)AB第十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日QOFF工作原理：電感電流連續(xù)AB第十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入電壓與輸出電壓之間的關系工作原理：電感電流連續(xù)占空比脈沖寬度調制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調制Pulse-FrequencyModulation第十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸出電流平均值濾波電感電流脈動值Q：當Ui和Uo一定時，如果負載

電流變化，電感電流脈動是否變化？工作原理：電感電流連續(xù)A：不變！第十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日工作原理：電感電流斷續(xù)第十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器第十八頁，共一百一十八頁，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，即負載最小電流：ILfmin=0第十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)第二十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第二十一頁，共一百一十八頁，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：電感電流斷續(xù)時：Q：如果Ui和占空比不變，當電感電流斷續(xù)時，為何Uo升高？第二十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器第二十三頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日變換效率的近似計算雙極性晶體管如果fs>20kHz，可近似認為其導通損耗等于開關損耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其開關損耗。第二十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日功率晶體管選擇：類型開關頻率晶體管類型選擇功率管類型<20kHz20~50kHz>50kHz低頻功率管開關功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。第二十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日功率晶體管電壓和電流應力平均電流：峰值電流：電壓應力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui第二十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日二極管類型選擇開關二極管、快恢復二極管或者FRED；二極管類型選擇輸出電壓較低時，如5V以下，需要采用功率MOSFET來替代整流二極管，即同步整流。電壓低于40V時，可選用肖特基二極管；第二十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日二極管電壓和電流應力平均電流：有效值電流：電壓應力：UDR>2Ui第二十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日濾波電感量的計算ΔILf過小，Lf太大。ΔILf過大，Lf太損耗太大，且Uo脈動大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io時，電感電流連續(xù)。第三十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日濾波電容量的計算輸出電流脈動很小ΔILf全部流過電容第三十一頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器第三十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Boost變換器的推導Uo<UiUo>Ui第三十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器第三十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日QON電感電流連續(xù)(1)第三十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日QOFF電感電流連續(xù)(2)第三十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入電壓與輸出電壓之間的關系電感電流連續(xù)(3)第三十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)(1)第三十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器第四十頁，共一百一十八頁，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，即負載最小電流：ILbmin=0第四十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電流臨界連續(xù)(2)第四十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第四十三頁，共一百一十八頁，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：電感電流斷續(xù)時：第四十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器第四十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日平均輸入電流：峰值電流：電壓應力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管第四十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日有效值電流：電壓應力：平均電流：二極管UBR>2Uo第四十七頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器第五十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(1)Uo<UiUo>Ui第五十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(2)第五十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！第五十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器第五十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q導通第五十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q關斷第五十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入輸出關系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>Ui第五十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck-Boost變換器的推導工作原理

元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器第五十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入電流：電感電流平均值：電壓應力：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，共一百一十八頁，2022年，8月28日二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：第六十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感量：電感電感電流脈動：第六十二頁，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導(1)鏡像翻轉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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck/Boost變換器的推導(2)第六十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Buck/Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、Cf第六十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q導通第七十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q關斷第七十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入輸出關系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。第七十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，2022年，8月28日電壓應力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第七十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：第七十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感電感L1的電流脈動：電感L2的電流脈動：第七十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導通，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，2022年，8月28日**耦合電感的Cuk變換器第八十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日電感脈動第八十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續(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，共一百一十八頁，2022年，8月28日隔離式Cuk變換器第八十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日9.1.5Zeta變換器和Sepic變換器第八十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Zeta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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，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，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.5.1正激(Forward)變換器第八十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.5.1正激(Forward)變換器第九十頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日第1步：加入隔離變壓器；第2步：加入磁復位電路；第3步：加入整流二極管。正激變換器的推導(1)第九十一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導(2)第九十二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導(3)第九十三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.5.1正激(Forward)變換器第九十四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q導通N1的激磁電感第九十五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q關斷：磁復位第九十六頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q關斷：磁復位完成變壓器磁復位完成第九十七頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.5.1正激(Forward)變換器第九十八頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日輸入輸出關系第九十九頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日最大占空比第一百頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日開關管、二極管的電壓應力第一百零一頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復位繞組匝數(shù)的選擇第一百零二頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系3.5.2反激(Flyback)變換器第一百零三頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系3.5.2反激(Flyback)變換器第一百零四頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日反激變換器第一百零五頁，共一百一十八頁，2022年，8月28日Q導通變壓器相當于一個電感電感儲能；負載由濾波電容提供能量。第一百零六頁，共一百一十