電力電子學(xué)(陳堅(jiān))第三章課件

1電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)〔第三版〕陳堅(jiān)編著華中科技大學(xué)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Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：電阻分壓

=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=50

10=500(W)UR=100-50=50(V)

效率太低!!!

無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設(shè)計(jì)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(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!PQ=UQ

IQ=50

10=500(W)

可以自動(dòng)穩(wěn)壓!

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：開關(guān)模式Ton：導(dǎo)通時(shí)間Ts：開關(guān)周期D：占空比50V

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設(shè)計(jì)要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流變換器：開關(guān)模式

可以自動(dòng)穩(wěn)壓!

效率很高！濾波器續(xù)流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCfBuck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器QON工作原理：電感電流連續(xù)ABQOFF工作原理：電感電流連續(xù)AB輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系工作原理：電感電流連續(xù)占空比脈沖寬度調(diào)制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調(diào)制Pulse-FrequencyModulation輸出電流平均值濾波電感電流脈動(dòng)值Q：當(dāng)Ui和Uo一定時(shí)，如果負(fù)載

電流變化，電感電流脈動(dòng)是否變化？工作原理：電感電流連續(xù)A：不變！工作原理：電感電流斷續(xù)Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器電感電流臨界連續(xù)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILfmin=0電感電流臨界連續(xù)電感電流斷續(xù)輸出平均電流：Buck變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時(shí)：電感電流斷續(xù)時(shí)：Q：如果Ui和占空比不變，當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，為何Uo升高？Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.1Buck變換器Buck變換器的元器件參數(shù)選擇條件：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

濾波電容變換效率的近似計(jì)算雙極性晶體管如果fs>20kHz，可近似認(rèn)為其導(dǎo)通損耗等于開關(guān)損耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其開關(guān)損耗。功率晶體管選擇：類型開關(guān)頻率晶體管類型選擇功率管類型<20kHz20~50kHz>50kHz低頻功率管開關(guān)功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。功率晶體管電壓和電流應(yīng)力平均電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui二極管類型選擇開關(guān)二極管、快恢復(fù)二極管或者FRED；二極管類型選擇輸出電壓較低時(shí)，如5V以下，需要采用功率MOSFET來(lái)替代整流二極管，即同步整流。電壓低于40V時(shí)，可選用肖特基二極管；二極管電壓和電流應(yīng)力平均電流：有效值電流：電壓應(yīng)力：UDR>2Ui濾波電感量的計(jì)算ΔILf過(guò)小，Lf太大。ΔILf過(guò)大，Lf太損耗太大，且Uo脈動(dòng)大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io時(shí)，電感電流連續(xù)。濾波電容量的計(jì)算輸出電流脈動(dòng)很小ΔILf全部流過(guò)電容第三章直流/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Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器Boost變換器的推導(dǎo)Uo<UiUo>UiBoost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器QON電感電流連續(xù)(1)QOFF電感電流連續(xù)(2)輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系電感電流連續(xù)(3)電感電流斷續(xù)(1)Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器電感電流臨界連續(xù)(1)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILbmin=0電感電流臨界連續(xù)(2)電感電流斷續(xù)輸出平均電流：Boost變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時(shí)：電感電流斷續(xù)時(shí)：Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計(jì)3.2Boost變換器平均輸入電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：二極管UBR>2Uo電感量：升壓電感臨界連續(xù)輸出電流：Uo恒定Ui恒定電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第三章直流/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Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(1)Uo<UiUo>UiBuck-Boost變換器的推導(dǎo)(2)Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器Q導(dǎo)通Q關(guān)斷輸入輸出關(guān)系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>UiBuck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理

元器件選擇和設(shè)計(jì)3.3Buck-Boost變換器輸入電流：電感電流平均值：電壓應(yīng)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：二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：電感量：電感電感電流脈動(dòng)：電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第三章直流/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Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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Cuk變換器的推導(dǎo)(1)鏡像翻轉(zhuǎn)濾波電容和二極管交換位置

Cf和Q改變位置

Lf移到上面Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(2)Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、CfCuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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Q導(dǎo)通Q關(guān)斷輸入輸出關(guān)系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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變換器電壓應(yīng)力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：電感電感L1的電流脈動(dòng)：電感L2的電流脈動(dòng)：電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導(dǎo)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(jìn)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。Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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)！Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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**耦合電感的Cuk變換器電感脈動(dòng)Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計(jì)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變換器隔離式Cuk變換器9.1.5Zeta變換器和Sepic變換器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-endedprimaryinductanceconverter,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,〞inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-1596種根本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology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/直流變換器正激變換器的推導(dǎo)工作原理根本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器正激變換器的推導(dǎo)工作原理根本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第1步：參加隔離變壓器；第2步：參加磁復(fù)位電路；第3步：參加整流二極管。正激變換器的推導(dǎo)(1)正激變換器的推導(dǎo)(2)正激變換器的推導(dǎo)(3)正激變換器的推導(dǎo)工作原理根本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器Q導(dǎo)通N1的激磁電感Q關(guān)斷：磁復(fù)位Q關(guān)斷：磁復(fù)位完成變壓器磁復(fù)位完成正激變換器的推導(dǎo)工作原理根本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器輸入輸出關(guān)系最大占空比開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復(fù)位繞組匝數(shù)的選擇工作原理外特性變換器設(shè)計(jì)與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flyback)變換器工作原理外特性變換器設(shè)計(jì)與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flybac