电力电子技术-晶体管功率电路5多晶体管电路）

1第九章 晶体管功率电路多晶体管功率变换器多晶体管功率变换器2第二节第二节 多晶体管功率电路多晶体管功率电路n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n常用电路常用电路有有:推挽，半桥，桥式推挽，半桥，桥式n适合适合dc/dc，dc/ac，中大功率，中大功率n应用：交流电机调速，应用：交流电机调速，UPS，DC/DC电源等电源等3n推挽电路推挽电路n半桥电路n全桥电路4一一.基本逆变电路原理基本逆变电路原理1.推挽功率电路推挽功率电路电路组成：电路组成：Q1,Q2,D1,D2,TqQ1 Q2共发射极连接共发射极连接qD1 D2分别为分别为Q1和和Q2的反并方向的反并方向qT的原副边含义的原副边含义基本工作原理：基本工作原理：Q1Q2交替导通交替导通5n推挽电路推挽电路q阻性负载阻性负载q感性负载q阻感性负载n半桥电路n全桥电路6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：设变压器为理想变压器nQ1导通时导通时nN11同名端为正同名端为正nN2 同名端为正同名端为正n注意原副边电流方向注意原副边电流方向D2、Q2承承受电压大小受电压大小?7阻性负载性推挽功率电路阻性负载性推挽功率电路nQ2导通时导通时nN12非同名端为正非同名端为正nN2 非同名端为正非同名端为正n注意原副边电流方向注意原副边电流方向是否存在磁是否存在磁复位问题复位问题？8n推挽电路推挽电路q阻性负载q感性负载感性负载q阻感性负载n半桥电路n全桥电路9感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析n当当1导通导通时：时：q变压器同名端高电平变压器同名端高电平q输出电流输出电流由零线性上升由零线性上升10感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析n当当Q1关断，关断，Q2开通信号时：开通信号时：q输出电流输出电流维持原方向不变维持原方向不变q为了维持磁通，电流从为了维持磁通，电流从N11换换流到流到N12，D2续流续流q输出电流线性下降（斜率不变）输出电流线性下降（斜率不变）11感性负载工作模态分析感性负载工作模态分析n当输出电流下降至零当输出电流下降至零qD2续流结束，切换至续流结束，切换至Q2导通导通q原边电流换向；输出电流换向原边电流换向；输出电流换向q输出电流输出电流反向增加反向增加（斜率不变）（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4n当当Q2关断，关断，Q1开通信号开通信号q输出电流方向不变输出电流方向不变q为了维持磁通，电流从为了维持磁通，电流从N12换换流到流到N11，D1续流续流q输出电流输出电流反向减小反向减小(斜率不变斜率不变)13推挽功率电路推挽功率电路D1Q1Q2D2电感负载工作波形：电感负载工作波形：nQ1,Q2导通时传递能量导通时传递能量nD1,D2导通时回馈能量导通时回馈能量14n推挽电路推挽电路q阻性负载q感性负载q阻感性负载阻感性负载n半桥电路n全桥电路15推挽功率电路推挽功率电路RL负载时波形：负载时波形：n器件导通顺序与纯电感负载相同器件导通顺序与纯电感负载相同n电流按指数规律变化电流按指数规律变化nD1导通时间导通时间 Q1导通时间导通时间16数量分析数量分析n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，输出交流对称方波的幅值为对称方波的幅值为n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！17波形分析波形分析n将输出电压按傅立叶展开：n基波分量的有效值：18交流输出电压的波形失真度交流输出电压的波形失真度n谐波含量：单次谐波含量：单次谐波含量：各次谐波分量相对基波分量的百分比各次谐波分量相对基波分量的百分比 总谐波含量（总谐波含量（输出波形失真度）：所有谐波有效值所有谐波有效值 相对基波分量的百分比相对基波分量的百分比19推挽功率电路推挽功率电路n功率管承受的电压：功率管承受的电压：2Uin一般适用于一般适用于低输入电压低输入电压场合场合Q管最大电管最大电压应力？压应力？20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）n功率管占空比小于功率管占空比小于50%n输出电压脉宽可控输出电压脉宽可控21推挽功率电路推挽功率电路PWM调压（纯电感负载）调压（纯电感负载）PWM调节控制输出电压（纯电感负载）调节控制输出电压（纯电感负载）n功率管占空比小于功率管占空比小于50%n功率器件工作状态同前功率器件工作状态同前22推挽功率电路推挽功率电路PWM调压（阻感负载）调压（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）n功率管占空比小于功率管占空比小于50%n输出电压脉宽可控输出电压脉宽可控n阴影宽度随电感阴影宽度随电感负载增大而负载增大而 加宽加宽23推挽电路特点推挽电路特点nN11、N12、N2三个绕组应紧密耦合，否则由三个绕组应紧密耦合，否则由于漏感产生尖峰电压于漏感产生尖峰电压n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n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n保持保持良好对称性良好对称性：正负脉冲宽度、初级线圈、：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原边器件，否则直流磁化分量导致磁芯饱和n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24推挽直流变换器？推挽直流变换器？25n推挽电路n半桥电路半桥电路n全桥电路26半桥电路的构成半桥电路的构成n电路构成：电路构成：q两晶体管串成一桥臂两晶体管串成一桥臂q二个大容量电容二个大容量电容q变压器变压器qD1、D2是感性负载的续流二极管是感性负载的续流二极管27n推挽电路n半桥电路半桥电路q电阻性负载电阻性负载q电感性负载n全桥电路28半桥式功率电路半桥式功率电路电阻性负载模态1n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/2n当当Q1 导通时：导通时：q电容电容C1放电放电，电容，电容C2充电充电qN1上电压为上电压为Ui/2qN2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2n当当Q2导通时导通时：q电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电放电qN1上电压为上电压为Ui/2qN2上电压为上电压为Ui/2*n 30n推挽电路n半桥电路半桥电路q电阻性负载q电感性负载电感性负载n全桥电路31半桥式功率电路半桥式功率电路电感性负载模态n当当Q1导通导通时：时：q电容电容C1放电放电，电容，电容C2充电充电qN1上电压为上电压为Ui/2qN2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2n当当Q1关断时：关断时：q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qN1上电压为上电压为Ui/2qN2上电压为上电压为Ui/2*nq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3n当电流下降到零后当电流下降到零后q由于由于Q2有触发信号，有触发信号，2导通导通q电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电放电qN1上电压为上电压为Ui/2qN2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4n当当Q2关断后关断后q电感维持原有电流，电感维持原有电流，D1续流续流qN1上电压为上电压为Ui/2qN2上电压为上电压为Ui/2*nq电容电容C1充电充电，电容，电容C2放电放电35半桥电路（感性负载）工作状态半桥电路（感性负载）工作状态n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36电感性负载特性总图电感性负载特性总图D1Q1Q2D2电感负载工作波形：电感负载工作波形：nQ1,Q2导通时导通时传递能量传递能量nD1,D2导通时导通时回馈能量回馈能量nD1、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n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37半桥电路工作状态小结半桥电路工作状态小结n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nC1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n正正向向电电流流时时，电电容容C1放放电电，电电容容C2充充电电；反反向向电流时，电容电流时，电容C1充电，电容充电，电容C2放电放电n电感负载下：电感负载下：D1,Q1,D2,Q2轮流导通轮流导通38半桥电路工作状态小结半桥电路工作状态小结nD1/Q1导导通通时时，输输出出正正向向电电压压；D2/Q2导导通通时时，输出反向电压输出反向电压nQ1/D2导导通通时时，输输出出正正向向电电流流；Q2/D1导导通通时时，输出反向电流输出反向电流n功率器件电压为输入电功率器件电压为输入电压压，是，是推挽电路一半推挽电路一半40n推挽电路n半桥电路n全桥电路全桥电路41单相全桥功率电路单相全桥功率电路电路结构：电路结构：n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nQ1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nQ1和和Q4同时开关，同时开关，Q2和和Q3同时开关，交替各导同时开关，交替各导通通18042n推挽电路n半桥电路n全桥电路全桥电路q阻性负载阻性负载q感性负载q阻感性负载43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：nQ1/Q4导导通通时时，输输出出为为正正极极性性；Q2/Q3导导通通时时，输输出为负极性出为负极性n类似半桥电压波形，幅值增加一倍类似半桥电压波形，幅值增加一倍，Uo=Uin44n推挽电路n半桥电路n全桥电路全桥电路q阻性负载q感性负载感性负载q阻感性负载45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n当当Q1 Q4导通导通时：时：q负载电压为负载电压为+Uinq负载电流负载电流线性增加线性增加q输入向负载传递能量输入向负载传递能量46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2n当当Q1 Q4关断时：关断时：q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q负载电压为负载电压为Uinq负载电流负载电流线性下降线性下降q负载向输入回馈能量负载向输入回馈能量47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3n当电流下降到零后时：当电流下降到零后时：q由于由于Q2 Q3有触发信号，有触发信号，Q2 Q3导通导通q负载电压为负载电压为Uinq负载电流负载电流线性反向增加线性反向增加q输入向负载传递能量输入向负载传递能量48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4n当当Q2 Q3关断时：关断时：q由于电感维持原电流方向由于电感维持原电流方向,D1 D4续流续流q负载电压为负载电压为+Uinq负载电流负载电流线性上升线性上升q负载向输入回馈能量负载向输入回馈能量49n推挽电路n半桥电路n全桥电路全桥电路q阻性负载q感性负载q阻感性负载阻感性负载50单相全桥功率电路单相全桥功率电路电流波形：电流波形：n器件导通特点不变器件导通特点不变n电流非线性变化电流非线性变化n反馈能量时间反馈能量时间 传递能量通时间传递能量通时间51全桥电路工作状态小结全桥电路工作状态小结nD1D4或或 Q1Q4导导 通通 时时，输出正向电压输出正向电压nD2D3或或 Q2Q3导导 通通 时时，输出负向电压输出负向电压nQ1Q4或或 D2D3导导 通通 时时，输出正向电流输出正向电流nQ2Q3或或 D1D4导导 通通 时时，输出反向电流输出反向电流n功率器件导通顺序：功率器件导通顺序：Q1(4),D2(3),Q2(3),D1(