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1、第九章第九章 晶体管功率电路晶体管功率电路 引引关于关于晶体管功率电路晶体管功率电路 在在在在全全全全控控控控器器器器件件件件的的的的基基基基础础础础之之之之上上上上，晶晶晶晶体体体体管管管管功功功功率率率率电电电电路路路路通通通通过过过过控控控控制制制制基基基基极极极极或或或或栅栅栅栅极极极极信信信信号号号号高高高高速速速速地地地地开开开开关关关关，常常常常用用用用于于于于DC-DCDC-DCDC-DCDC-DC、 DC-ACDC-ACDC-ACDC-AC以及以及以及以及DCDCDCDC和和和和ACACACAC调速。调速。调速。调速。（根据输入信号和器件符号判断晶体管电路还是（根据输入信号和
2、器件符号判断晶体管电路还是（根据输入信号和器件符号判断晶体管电路还是（根据输入信号和器件符号判断晶体管电路还是SCRSCRSCRSCR电路）电路）电路）电路）重点掌握重点掌握重点掌握重点掌握：电路拓扑、：电路拓扑、：电路拓扑、：电路拓扑、工作原理和波形及基本公式推导、工作原理和波形及基本公式推导、工作原理和波形及基本公式推导、工作原理和波形及基本公式推导、数量关系和参数设计。数量关系和参数设计。数量关系和参数设计。数量关系和参数设计。 第一节第一节第一节第一节 单晶体管功率电路单晶体管功率电路单晶体管功率电路单晶体管功率电路 简介简介非隔离式单管变非隔离式单管变非隔离式单管变非隔离式单管变换器
3、换器换器换器（基础）（基础）（基础）（基础）BuckBuckBoostBoostBuck-BoostBuck-BoostCukCukZetaZetaSepicSepic隔离式单管变换隔离式单管变换隔离式单管变换隔离式单管变换器器器器（衍生来）（衍生来）（衍生来）（衍生来）( (BuckBuck) )单端正激单端正激单端正激单端正激( (Buck-BoostBuck-Boost ) )单端反激单端反激单端反激单端反激单晶体管单晶体管单晶体管单晶体管功率电功率电功率电功率电路是各路是各路是各路是各种电路种电路种电路种电路拓扑的拓扑的拓扑的拓扑的基础，基础，基础，基础，按照按照按照按照是是是是否否否
4、否隔离隔离隔离隔离Pg171Pg171图图图图9-9-9-9-1 1 1 1基础！基础！基础！基础！1. 1. 1. 1. 直流斩波器直流斩波器直流斩波器直流斩波器2.BUCK2.BUCK2.BUCK2.BUCK电路（理想电路）电路（理想电路）电路（理想电路）电路（理想电路）（1 1）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理 （2 2）电路理想时的电路理想时的电路理想时的电路理想时的外特性外特性外特性外特性 （3 3）元件选择元件选择元件选择元件选择 （4 4）实际）实际）实际）实际BuckBuck变换器变换器变换器变换器一、一、一、一、 降压式变换器（降压式变换器（降压式变换器
5、（降压式变换器（BUCKBUCK）1. 1. 1. 1. 直流斩波器直流斩波器直流斩波器直流斩波器2.BUCK2.BUCK2.BUCK2.BUCK电路电路电路电路（1 1）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理 （2 2）电路理想时的电路理想时的电路理想时的电路理想时的外特性外特性外特性外特性 （3 3）元件选择元件选择元件选择元件选择 （4 4 4 4）实际）实际）实际）实际BuckBuckBuckBuck变换器变换器变换器变换器1. 1. 直流斩波器直流斩波器直流斩波器直流斩波器(1)(1)(1)(1)斩波器介绍斩波器介绍斩波器介绍斩波器介绍（pg172pg172pg172
6、pg172上）上）上）上）(3)(3)(3)(3)输出平均电压等输出平均电压等输出平均电压等输出平均电压等( ( 式式式式(9-1)(9-1)(9-1)(9-1)更正更正更正更正:u:u:u:uo o o oU U U Ui i i i） (2)(2)(2)(2)占空比（度）定义占空比（度）定义占空比（度）定义占空比（度）定义 ：输出电压总是低于输入电压：所输出电压总是低于输入电压：所输出电压总是低于输入电压：所输出电压总是低于输入电压：所以称之以称之以称之以称之” ”降压式，降压式，降压式，降压式，step down”step down”(4)(4)(4)(4)改变输出电压的方法改变输出电压
7、的方法改变输出电压的方法改变输出电压的方法改变改变改变改变D D D D改变改变改变改变D D D D的方法的方法的方法的方法恒频、改变脉宽恒频、改变脉宽恒频、改变脉宽恒频、改变脉宽-PWM-PWM-PWM-PWM；脉宽固定、变频；脉宽固定、变频；脉宽固定、变频；脉宽固定、变频-PFM-PFM-PFM-PFM，频率、，频率、，频率、，频率、脉宽都变脉宽都变脉宽都变脉宽都变 (5)(5)(5)(5)斩波器的缺点斩波器的缺点斩波器的缺点斩波器的缺点输出脉动太大输出脉动太大输出脉动太大输出脉动太大加入滤波器加入滤波器加入滤波器加入滤波器BUCKBUCK续流二极管续流二极管续流二极管续流二极管为电感电
8、流提供续为电感电流提供续为电感电流提供续为电感电流提供续流通路流通路流通路流通路滤除高频成分滤除高频成分滤除高频成分滤除高频成分BuckBuckBuckBuck变换器的推导变换器的推导变换器的推导变换器的推导D一、一、一、一、 降压式变换器（降压式变换器（降压式变换器（降压式变换器（BUCKBUCK）斩波管斩波管斩波管斩波管Q Q Q Q续流续流续流续流D D D D LCLCLCLC低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器降压变换器降压变换器降压变换器降压变换器(Buck)(Buck)课程提纲课程提纲课程提纲课程提纲1. 1. 1. 1. 直流斩波器直流斩波器直流斩波器直流斩波器2.BUCK
9、2.BUCK2.BUCK2.BUCK电路电路电路电路（1 1）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理）电路工作原理 （2 2）电路理想时的电路理想时的电路理想时的电路理想时的外特性外特性外特性外特性 （3 3）元件选择元件选择元件选择元件选择 （4 4 4 4）实际）实际）实际）实际BuckBuckBuckBuck变换器变换器变换器变换器2. BUCK2. BUCK变换器变换器变换器变换器 （1 1）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理 （电流连续模式，（电流连续模式，（电流连续模式，（电流连续模式，CCMCCM）忽略忽略忽略忽略UoUoUoUo脉动，注意波形脉动，注意波形脉动，注意波形脉
10、动，注意波形 Q onQ on，D offD off：u uA AU Ui i， 电感电流线性电感电流线性电感电流线性电感电流线性 Q offQ off：电感电流不能突变，电感电流不能突变，电感电流不能突变，电感电流不能突变，D onD on， u uA A0 0，电感电流线性电感电流线性电感电流线性电感电流线性 （1 1）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理Q ONQ ON：Q OffQ Off：输出电压输出电压输出电压输出电压（掌握推导方法）掌握推导方法）掌握推导方法）掌握推导方法）：稳态时稳态时稳态时稳态时起点与终点值相等，故起点与终点值相等，故起点与终点值相等，故起点与终点值相等，故
11、电感电流上升量等于电流下降量电感电流上升量等于电流下降量电感电流上升量等于电流下降量电感电流上升量等于电流下降量理解：理解：理解：理解：低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波 u u u uA A A A的直流分量等于的直流分量等于的直流分量等于的直流分量等于UoUoUoUo 电感电流的直流分量（平均电感电流的直流分量（平均电感电流的直流分量（平均电感电流的直流分量（平均值）等于输出电流值）等于输出电流值）等于输出电流值）等于输出电流电感电流的交流分量（平均电感电流的交流分量（平均电感电流的交流分量（平均电感电流的交流分量（平均值）等于？值）等于？值）等于？值）等于？变换器理想条件变换器理想条件(理
12、想器件理想器件)下外特性下外特性 定义定义 在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流(这这里实际上是平均电流里实际上是平均电流)的关系称为变换器的的关系称为变换器的外特性外特性对于对于BuckBuck变换器变换器: : I Io o=I=IL L 电感电流有电感电流有: : 连续连续, , 临界连续临界连续, , 断续断续 三种情况三种情况 （2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 I I I Io o o oi i i iL L L L下移下移下移下移但但但但i i i iL L L L 00
13、00，斜率不变，斜率不变，斜率不变，斜率不变，所以必有轻载时所以必有轻载时所以必有轻载时所以必有轻载时i i i iL L L L变为变为变为变为临界连续、断续临界连续、断续临界连续、断续临界连续、断续（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 uAiLt（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 当当当当I I I IO O O Oi/2i/2i/2i/2I I I IG G G G 临界连续临界连续临界连续临界连续临界连续电流临界连续电流临界连续电流临界连续电流: I: IGG2IG
14、式式式式9 9 9 99 9 9 9临界连续模式临界连续模式临界连续模式临界连续模式(CRM)(CRM)(CRM)(CRM)：（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 D0.5时有时有IG（max）: :式式式式9 9 9 99 9 9 9（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 断续模式断续模式断续模式断续模式(DCM)(DCM)(DCM)(DCM)：(0DT)(0DT)0DT0DT：（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性
15、(DTDT+Tof(DTDT+Tof ) )DTDT+TDTDT+T o oF F : :（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 DT+TDT+T o oF FTT ：iL L=0=0（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 (0DT)(0DT)(DTDT+T(DTDT+T o oF F) )(9-15)(9-12)断续时外特性：断续时外特性：断续时外特性：断续时外特性：式中式中标幺曲线标幺曲线标幺曲线标幺曲线 可以作出可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)的曲线：标幺外特性：
16、的曲线：标幺外特性：图中虚线为临界连续图中虚线为临界连续曲线，即为分界线曲线，即为分界线右边为电流连续，右边为电流连续，输出电压只与占空输出电压只与占空比相关比相关左边为电流断续，左边为电流断续，输出电压与负载输出电压与负载电流也有关电流也有关1.0（2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 断续时断续时断续时断续时：D D D D不变，不变，不变，不变，IoIoIoIo 、U U U UO O O O 相同负载、相同负载、相同负载、相同负载、D D D D，L L L L 、I I I IGmaxGmaxGmaxGmax U U U UO
17、 O O O 断续区，断续区，断续区，断续区，I I I IO O O O变化，要稳定变化，要稳定变化，要稳定变化，要稳定UoUoUoUo，应改变，应改变，应改变，应改变D D D D （2 2）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性）变换器理想时的外特性 Q Q Q Q、D D D D电流电压波形；电流电压应力电流电压波形；电流电压应力电流电压波形；电流电压应力电流电压波形；电流电压应力 CCM CCM CCM CCM DCM DCM DCM DCM UO=DUi , D=TON/TiL连续时：连续时：Uo与负载大小无关与负载大小无关iL断续断续时：时：1）iL断续
18、断续时：时：D不变、不变、Io减小，减小，则则Uo会增大，物理解释？会增大，物理解释？换言之，换言之，Io减小、减小、Uo不变、不变、则则D应应减小减小2）满载到空载，）满载到空载，Uo不变，而不变，而D？思考：思考：降压式变换器小结降压式变换器小结降压式变换器小结降压式变换器小结1.0电路参数选择电路参数选择电路参数选择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电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）选型：MOSFET？IGBT？GTR？依据：电流、电压和功率等级，
19、开关频率电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）设变换效率为功率管平均电流功率管最大电流式中Iomax和IGmax为最大输出电流与最大临界电流电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）电路参数选择（功率管）一般取功率晶体管的最大电流ICM功率管的电压满足：电路参数选择（二极管）电路参数选择（二极管）电路参数选择（二极管）电路参数选择（二极管）选型： 在低压场合优先选肖特基二极管；电压较高(200V)选超快恢复或快恢复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（2倍裕量）：UDR=2Umax电路参数选择（电感）电路参
20、数选择（电感）电路参数选择（电感）电路参数选择（电感）为保证电感在给定负载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：（L也可以按照i的表达式计算）如果临界连续电流取得过小，则电感过大；电感小、则电流纹波大经验取值: IG=(1/51/3)Iomax轻载时必定工作在断续模式iL=Io+iIoi(9-23)交流分量交流分量电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）itToff onIoicT/2T/2i电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）根据输出纹波大小即可以确定输
21、出电容大小：考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性略略. 器件器件器件器件参数参数参数参数的的的的工程化工程化工程化工程化设计设计设计设计方法方法方法方法和和和和过程过程过程过程Sepc.:Ui，Uo，uop-p（纹波纹波和和噪声噪声）散热散热方式；方式；体积、体积、重量重量设计设计过程过程：f；L（根据根据i计算计算）；）；Q、D-类型、类型、定额定额C？ 分析方法小结：分析方法小结：分析方法小结：分析方法小结：分析方法要点：分析方法要点： 1) CCM （输出电压和输入电压关系式）（输出电压和输入电压关系式）电感电流上升量电感电流上升量=电感电流下降量电感电流下降量TON 期间磁通变化量
22、期间磁通变化量= TOFF期间磁通变化量期间磁通变化量 2) DCM（外特性）（外特性）流过输出滤波电容前元件的电流平均值流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io稳态工作特点稳态工作特点稳态工作特点稳态工作特点 稳态时稳态时储能元件储能元件一个开关周期具有以下一个开关周期具有以下特点特点： 电感电感L：电流变化量：电流变化量/伏秒面积为零伏秒面积为零 电容电容C：电压变化量：电压变化量/安秒面积为零安秒面积为零 变压器变压器：磁通变换量：磁通变换量/伏秒面积为伏秒面积为0 能量守恒原则：储能能量能量守恒原则：储能能量=释放能量释放能量 输入输出有功功率相等输入输出有功功率相等实际降压式变换电路
23、实际降压式变换电路实际降压式变换电路实际降压式变换电路由于晶体管、二极管有导通压降，电感有寄生电阻，可简化成串联电阻（线圈电阻与半导体器件导通电阻之和） ：所以有输出电压表达式：实际降压式变换电路实际降压式变换电路实际降压式变换电路实际降压式变换电路输出电压随着电流的上升有一定的下降对应特性的虚线部分讨论与思考题讨论与思考题讨论与思考题讨论与思考题LCLC滤波滤波L L和和C C的作用？只用的作用？只用L L可否？只用可否？只用C C可否？可否？1.1.BuckBuck变换器，在某组参数和占空比下，当负载电流为变换器，在某组参数和占空比下，当负载电流为20A20A时工作在电感电流临界连续状态。
24、时工作在电感电流临界连续状态。 其它参数不变，其它参数不变，（1 1）改变负载电流大小为）改变负载电流大小为40A40A输出电压如何变化？；输出电压如何变化？；（2 2）负载电流变为）负载电流变为5A5A时输出电压如何变化？（时输出电压如何变化？（3 3）开）开关频率升高，输出电压如何变化？关频率升高，输出电压如何变化？ 2.2.考虑电感等效电阻考虑电感等效电阻R R和续流二极管压降和续流二极管压降UDUD，推导，推导BuckBuck变变换器输入输出关系。换器输入输出关系。几个公式：几个公式： Uo=DUi (9-6)(9-27)，同（同（99）(9-32)参数计算：参数计算：（最小值）（最小
25、值）BuckBuck变换器变换器 小结小结 电路拓扑，理想电路的分析电路拓扑，理想电路的分析CCMCCM的分析方法、要点、过程和结果：的分析方法、要点、过程和结果：U Uo o，i iL LDCMDCM的分析方法、要点、过程和结果：的分析方法、要点、过程和结果：U Uo o，i iL L关键点电流电压波形，器件应力，器件选取和设计关键点电流电压波形，器件应力，器件选取和设计工作原理分析工作原理分析：(iL连续连续)on/off 期间的回路方程期间的回路方程+边界条件边界条件 - Uo=DUi外特性外特性-连续连续,临界连续临界连续,断续三种情况的汇总断续三种情况的汇总;临界连续点临界连续点参数
26、计算参数计算: Q-电压（稳态承受电压：电压（稳态承受电压：Ui）, 峰值电流峰值电流 D-电压（稳态承受电压电压（稳态承受电压: Ui), 电流有效值电流有效值/平均电流定额平均电流定额 L-按临界连续电流设计按临界连续电流设计 C-按输出电压纹波设计按输出电压纹波设计Buck变换器基本特点变换器基本特点: 降压降压, ii纹波大、而纹波大、而io纹波小纹波小 , ILIoBuckBuck变换器变换器 小结小结 另一种分析方法另一种分析方法: L 伏伏-秒面积平衡秒面积平衡(Ui-Uo)*DT-Uo *(1-D)T=0 Uo=DUiuLt-UoUi-UoDT (1-D)TTUi Uo+ -作
27、业作业:9-1 (1) (4) 忽略忽略Rsat和关断时间和关断时间补充（思考）：补充（思考）：(1)中，中， 画出画出minD时时iL、uA波形波形(4)中，最小输出（中，最小输出（10W）时的）时的iL、uA波形波形Backup即有输出电流：得到输出电压： 变换器的实变换器的实变换器的实变换器的实际应用？际应用？际应用？际应用？ CPUCPUCPUCPU电源电源电源电源VRMVRMVRMVRM马达驱动马达驱动马达驱动马达驱动车载电源车载电源车载电源车载电源一、一、一、一、 降压式变换器（降压式变换器（降压式变换器（降压式变换器（BUCKBUCK）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路
28、参数选择（电容）电路参数选择（电容）电容电流的脉动量近似即为电感电流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：itToff onIoic电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）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 减小，而Rs, Ls 相对的影响逐渐增大当大于电容谐振频率( )时，甚至呈现电感性，失去滤波性能。对于开关瞬间的高次谐波，电容已无抑制作用电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）电路参数选择（电容）由于这些影响，实际的C选取：对于高频开关电路，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
