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1、1 1 第九章 晶体管功率电路第九章 晶体管功率电路(4) 多晶体管功率变换器多晶体管功率变换器 陈新chen.xin 课程组网站： 南航南航 电力电子电力电子 课程组课程组 2 第二节 多晶体管功率电路第二节 多晶体管功率电路 ?反激电路、正激电路：单管隔离型直流变换器反激电路、正激电路：单管隔离型直流变换器 ?注意磁芯工作方式注意磁芯工作方式 3 第二节 多晶体管功率电路第二节 多晶体管功率电路 ?特点特点: 变压器双向磁化，利用率高变压器双向磁化，利用率高 ?常用电路常用电路: 推挽，半桥，桥式推挽，半桥，桥式 ?适合适合dc/dc，dc/ac，中大功率，中大功率 ?应用：交流电机调速，
2、应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源等电源等 4 ?推挽电路推挽电路 ?半桥电路 ?全桥电路 5 一一.基本逆变电路原理基本逆变电路原理 ?电路组成：电路组成：Q1, Q2, D1, D2, T ?Q1 Q2共发射极连接共发射极连接 ?D1 D2分别为分别为Q1和和Q2的反并方向的反并方向 ?T的原副边含义的原副边含义 ?基本工作原理：基本工作原理：Q1 Q2交替导通交替导通 6 ?推挽电路推挽电路 ?阻性负载阻性负载 ?感性负载 ?阻感性负载 ?半桥电路 ?全桥电路 2 7 阻性负载性推挽功率电路阻性负载性推挽功率电路 纯电阻纯电阻负载时工作波形：设变压器为理想变压器负载时工作波形：设
3、变压器为理想变压器 ?Q1导通时导通时 ?N11同名端为正同名端为正 ?N2 同名端为正同名端为正 ?注意原副边电流方向注意原副边电流方向 D2、Q2承 受电压大小 承 受电压大小? 8 阻性负载性推挽功率电路阻性负载性推挽功率电路 ?Q2导通时导通时 ?N12非同名端为正非同名端为正 ?N2 非同名端为正非同名端为正 ?注意原副边电流方向注意原副边电流方向 是否存在磁 复位问题 是否存在磁 复位问题？ 9 ?推挽电路推挽电路 ?阻性负载 ?感性负载感性负载 ?阻感性负载 ?半桥电路 ?全桥电路 10 感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析 ?当当1导通导通时：时： ?变压器同名端高电平变压
4、器同名端高电平 ?输出电流输出电流由零线性上升由零线性上升 11 感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析 ?当当Q1关断，关断，Q2开通信号时：开通信号时： ?输出电流输出电流维持原方向不变维持原方向不变 ?为了维持磁通，电流从为了维持磁通，电流从N11换 流到 换 流到N12，D2续流续流 ?输出电流线性下降（斜率不变）输出电流线性下降（斜率不变） 12 感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析 ?当输出电流下降至零当输出电流下降至零 ?D2续流结束，切换至续流结束，切换至Q2导通导通 ?原边电流换向；输出电流换向原边电流换向；输出电流换向 ?输出电流输出电流反向增加反向增加（斜率不变）（
5、斜率不变） 3 13 感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析4 ?当当Q2关断，关断，Q1开通信号开通信号 ?输出电流方向不变输出电流方向不变 ?为了维持磁通，电流从为了维持磁通，电流从N12换 流到 换 流到N11，D1续流续流 ?输出电流输出电流反向减小反向减小(斜率不变斜率不变) 14 推挽功率电路推挽功率电路 D1 Q1 Q2 D2 电感负载工作波形：电感负载工作波形： ?Q1,Q2导通时传递能量导通时传递能量 ?D1,D2导通时回馈能量导通时回馈能量 15 ?推挽电路推挽电路 ?阻性负载 ?感性负载 ?阻感性负载阻感性负载 ?半桥电路 ?全桥电路 16 推挽功率电路推挽功率电路 R
6、L负载时波形：负载时波形： ?器件导通性质不变器件导通性质不变 ?电流非线性变化电流非线性变化 ?D1导通时间导通时间 Q1导通时间导通时间 17 数量分析数量分析 ?设晶体管交替触发，当设晶体管交替触发，当N11=N12=N1，输出交流 对称方波的幅值为 ，输出交流 对称方波的幅值为 ?输出电压的有效值：输出电压的有效值： 不方便调压！不方便调压！18 基波分析基波分析 ?将输出电压按傅立叶展开： ?基波分量的有效值： 4 19 交流输出电压的波形失真度交流输出电压的波形失真度 ?输出波形失真度：各次谐波分量相对基波分量 的百分比 20 推挽功率电路推挽功率电路 ?功率管承受的电压：功率管承
7、受的电压： 2Ui ?一般适用于低输入电压场合一般适用于低输入电压场合 Q管最大电压 应力？ 管最大电压 应力？ 21 推挽功率电路推挽功率电路PWM调压（电阻负载）调压（电阻负载） PWM调节控制输出电压（电阻负载）调节控制输出电压（电阻负载） ?功率管占空比小于功率管占空比小于50% ?输出电压脉宽可控输出电压脉宽可控 22 推挽功率电路推挽功率电路PWM调压（电感负载）调压（电感负载） PWM调节控制输出电压（电感负载）调节控制输出电压（电感负载） ?功率管占空比小于功率管占空比小于50% ?功率器件工作状态同前功率器件工作状态同前 23 推挽功率电路推挽功率电路PWM调压（阻感负载）调
8、压（阻感负载） PWM调节控制输出电压（阻感负载）调节控制输出电压（阻感负载） ?功率管占空比小于功率管占空比小于50% ?输出电压脉宽可控输出电压脉宽可控 ?阴影宽度随电感 负载增大而 加宽 阴影宽度随电感 负载增大而 加宽 24 推挽电路特点推挽电路特点 ?N11、N12、N2三个绕组应紧密耦合，否则由 于漏感产生尖峰电压 三个绕组应紧密耦合，否则由 于漏感产生尖峰电压 ?由于漏感产生尖峰电压，晶体管电压应比由于漏感产生尖峰电压，晶体管电压应比2Ui 要大（留安全裕量），适用要大（留安全裕量），适用低压输入低压输入 ?双向磁化传递能量，适合较大功率双向磁化传递能量，适合较大功率 ?保持保持
9、良好对称性良好对称性：正负脉冲宽度、初级线圈、 原边器件，否则直流磁化分量导致磁芯饱和 ：正负脉冲宽度、初级线圈、 原边器件，否则直流磁化分量导致磁芯饱和 ?可以通过调节脉冲宽度来实现输出电压调节可以通过调节脉冲宽度来实现输出电压调节 5 25 ?推挽电路 ?半桥电路半桥电路 ?全桥电路 26 半桥电路的构成半桥电路的构成 ?电路构成：电路构成： ?两晶体管串成一桥臂两晶体管串成一桥臂 ?二个大容量电容二个大容量电容 ?变压器变压器 ?D1、D2是感性负载的续流二极管是感性负载的续流二极管 27 ?推挽电路 ?半桥电路半桥电路 ?电阻性负载电阻性负载 ?电感性负载 ?全桥电路 28 半桥式功率
10、电路半桥式功率电路电阻性负载模态1 ?由于由于C1/C2容量较大，可近似认为电容中点电位为容量较大，可近似认为电容中点电位为Ui/2 ?当当Q1 导通时：导通时： ?电容电容C1放电放电，电容，电容C2充电充电 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n 29 半桥式功率电路半桥式功率电路电阻性负载模态2 ?当当Q2导通时导通时： ?电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电放电 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n 30 ?推挽电路 ?半桥电路半桥电路 ?电阻性负载 ?电感性负载电感性负载 ?全桥电路 6 31 半桥式功率电路半桥式功率电路
11、电感性负载模态 ?当当Q1导通导通时：时： ?电容电容C1放电放电，电容，电容C2充电充电 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n 32 半桥式功率电路半桥式功率电路电感性负载模态2 ?当当Q1关断时：关断时： ?由于电感维持原电流方向由于电感维持原电流方向, D2续流续流 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n ?电容电容C1放电放电，电容，电容C2充电充电 33 半桥式功率电路半桥式功率电路电感性负载模态3 ?当电流下降到零后当电流下降到零后 ?由于由于Q2有触发信号，有触发信号，2导通导通 ?电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电
12、放电 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n 34 半桥式功率电路半桥式功率电路电感性负载模态4 ?当当Q2关断后关断后 ?电感维持原有电流，电感维持原有电流，D1续流续流 ?N1上电压为上电压为Ui/2 ?N2上电压为上电压为Ui/2*n ?电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电放电 36 半桥电路（感性负载）工作状态半桥电路（感性负载）工作状态 ?半桥电路的不同工作模态 模态模态a: Q1导通导通模态模态b: D2导通导通 模态模态C: Q2导通导通模态模态d: D1导通导通 37 电感性负载特性总图电感性负载特性总图 D1 Q1 Q2 D2 电感负载工作波形
13、：电感负载工作波形： ?Q1,Q2导通时导通时传递能量传递能量 ?D1,D2导通时导通时回馈能量回馈能量 ?D1、D2称为反馈二极管称为反馈二极管, 还使还使 io连续，又称续流二极管连续，又称续流二极管 ?注意电容电流与原边电流关系注意电容电流与原边电流关系 7 40 半桥电路工作状态小结半桥电路工作状态小结 ?变压器次级得到变压器次级得到矩形波交流输出矩形波交流输出 ?C1和和C2均分输入电压，共同提供原边电流均分输入电压，共同提供原边电流 ?正向电流时，电容正向电流时，电容C1放电，电容放电，电容C2充电；反向 电流时，电容 充电；反向 电流时，电容C1充电，电容充电，电容C2放电放电
14、?电感负载下：电感负载下：D1, Q1, D2, Q2轮流导通轮流导通 41 半桥电路工作状态小结半桥电路工作状态小结 ?D1/Q1导通时，输出正 向 电 压 ； 导通时，输出正 向 电 压 ； D2/Q2 导 通 时，输出反向电压 导 通 时，输出反向电压 ?Q1/D2导通时，输出正 向 电 流 ； 导通时，输出正 向 电 流 ； Q2/D1 导 通 时，输出反向电流 导 通 时，输出反向电流 ?功率器件电压为输入电 压 功率器件电压为输入电 压，是推挽电路一半，是推挽电路一半 43 ?推挽电路 ?半桥电路 ?全桥电路全桥电路 44 单相全桥功率电路单相全桥功率电路 电路结构：电路结构： ?
15、全桥功率电路是由两个半桥电路组合而成全桥功率电路是由两个半桥电路组合而成 ?Q1和和Q2构成一个桥臂，构成一个桥臂，Q3和和Q4构成一个桥臂构成一个桥臂 ?Q1和和Q4同时开关，同时开关，Q2和和Q3同时开关，交替各导 通 同时开关，交替各导 通180 46 ?推挽电路 ?半桥电路 ?全桥电路全桥电路 ?阻性负载阻性负载 ?感性负载 ?阻感性负载 47 单相全桥功率电路单相全桥功率电路(阻性负载阻性负载) 阻性负载：阻性负载： ?Q1/Q4导通时，输出为正极性；导通时，输出为正极性；Q2/Q3导通时，输 出为负极性 导通时，输 出为负极性 ?类似半桥电压波形，幅值增加一倍，类似半桥电压波形，幅
16、值增加一倍，Uo=Uin 8 48 ?推挽电路 ?半桥电路 ?全桥电路全桥电路 ?阻性负载 ?感性负载感性负载 ?阻感性负载 49 桥式功率电路电感性负载模态桥式功率电路电感性负载模态 ?当当Q1 Q4导通导通时：时： ?负载电压为负载电压为+Uin ?负载电流负载电流线性增加线性增加 ?输入向负载传递能量输入向负载传递能量 50 桥式功率电路电感性负载模态桥式功率电路电感性负载模态2 ?当当Q1 Q4关断时：关断时： ?由于电感维持原电流方向由于电感维持原电流方向, D2 D3续流续流 ?负载电压为负载电压为Uin ?负载电流负载电流线性下降线性下降 ?负载向输入回馈能量负载向输入回馈能量 51 桥式功率电路电感性负载模态桥式功率电路电感性负载模态3 ?当电流下降到零后时：当电流下降到零后时： ?由于由于Q2 Q3有触发信号，有触发信号，Q2 Q3导通导通 ?负载电压为负载电压为Uin ?负载电流负载电流线性反向增加线性反向增加 ?输入向负载传递能量输入向
