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1、第九章 晶体管功率电路第九章 晶体管功率电路-概述v概述概述v晶体管晶体管开关变换开关变换功率电路功率电路v电路应用：电能变换装置v -开关电源v （switching mode power supply）v -各种功率开关变换器v电路特点：v -高频开关工作，效率高，体积小第九章 晶体管功率电路-概述v特点：以一直流/直流变换为例来说明v例：一个500W dc-dc功率变换器例：500Wdc-dc功率变换器v电阻分压器电路v缺点：低效率，v不能自动调压v线性调节器v缺点：低效率例：500Wdc-dc功率变换器v基本工作原理：v稳压原理：v调节占空比D=T1/TSv特点：v损耗小，效率高v开关
2、频率越高LC越小第九章 晶体管功率电路概述v电路特点小结v构成特点：-无损耗器件（损耗小）-储能元件：电容，电感-隔离变压元件：高频变压器-开关元件：半导体器件（全控器件和二极管）v工作特点：开关工作方式，高频化v电路特点：半导体器件高频开关工作v 电路小型化，高效率第九章 晶体管功率电路概述v电路分类：v按开关管数量分：-单晶体管电路-多晶体管电路v按是否隔离分：-隔离型-非隔离型v按功能分：-DC/DC-DC/AC第一节 单晶体管功率电路v电路特点：v单个开关功率管，电路简单，适于中小功率v基本电路-六个：v降压式（Buck ）v升压式（Boost）v升/降压式（Boost/Buck）v丘
3、克变换器（Cuk）vZeta变换器vSepic变换器-dc/dc变换基本电路拓扑直流斩波电路v直流斩波电路（DC Chopper）-将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电-也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）-一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流v直流斩波电路的种类-6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，-其中前两种是最基本的电路v复合斩波电路 不同基本斩波电路组合v多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合直流斩波器v图中所示电路，即为直流斩波器（Chopper）直流斩波器v
4、当Q导通时，工作状态直流斩波器v当Q关闭时，工作状态：直流斩波器v输出电压平均值： 式中T为开关周期，TON为导通时间，D为为斩波占空比v平均负载电流 io=Uo/Ro直流斩波器v改变占空比，就可以改变输出电压v输入功率等于输出功率：v斩波器输入电阻：直流斩波器v尽管能实现电压的幅值控制v但是输出纹波过大v负载上电压和电流脉动大v通常在负载端加上LC滤波环节，以减小输出电压纹波v经过电路变换，就有BUCK降压变换器一.降压式变换器（Buck Converter）v(1)电路构成vQ ,D, L, C四个元件vQ为全控型半导体器件v假设：vUi为理想直流电压源；vC很大,UO为直流电压；v器件为
5、理想的一.降压式变换器(2)基本工作原理vQ管导通期间(Ton)状态1:Uce=0UA=Ui，D OFF,L储能，iL增大vQ管OFF期间(Toff)（状态2）:UD=0，UA=0，Uce=Ui，L释能，iL减小一.降压式变换器v (2)基本工作原理v 工作方式定义：v iL连续模式（CCM）（continuous conduction mode）在一个开关周期内电感电流大均于零。viL断续模式（DCM）（discontinuousconductionmode）在Q管OFF期间(Toff)电感电流下降到零，故增加一个iL =0的工作状态3BUCK电路模态分析v当Q导通时：v电感电流线性上升BU
6、CK电路模态分析v当Q截止时，有：v电感电流线性下降：BUCK电路模态分析v因为在稳态时（电流不能突变）：v联立以上各式：v输出电流平均值：降压斩波电路v工作原理vt=0时刻驱动V导通，电源向电感充电，同时向负载供电vt=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，电感放电v电感电流的交流分量为电容电流v电感电流的直流分量为负载直流电流大小变换器外特性v变换器的外特性：在D恒定时，变换器的输在出电压与输出电流的关系v电感电流连续时，输出电压与负载电流无关，仅和输入电压和占空比有关临界电流连续状态v当负截电流减少到iomin0时iomax=i，定义这种状态为临界电流连续v对应临界电流连续时的输
7、出负载电流平均值为对应临界电流连续时的电感临界连续电流IG临界电流连续状态v由于临界电流连续仍满足连续时工作分析，所以有：v联立求出：v临界电流连续状态v当D0.5时，临界电流达到最大值：代入上式，有临界电流与占空比关系vIG与IGMAX的关系如图v当I0大于IG时，电流连续，输出电压仅与占空比相关v当I0小于IG时，电流断续电流断续时波形分析vQ导通时，工作状态同前，电流从零上升vQ关断时，电感释放电能，电流下降v当电感电流下降到零时，电感上压降为零v设关断时间为TOF，电流下降到零的时间TOF电流断续时分析v断续时，输出电流的平均值：式中TOF为晶体管关断后电流持续时电流断续时分析v断续时
8、电流的增量与减量同样是平衡的：v代入，化简，有：电流断续时分析v将TOF代入式9-12v即有输出电流：v得到输出电压：标幺曲线v可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)曲线：标幺可以作出外特性：v图中红线为临界连续曲线，即为分界线右边为电流连续，输出电压只与占空比相关v左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关标幺曲线在电流断续时特性v当电流断续时，变换器存在很高的非线性内阻v电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很大(以UO/Ui为0.6为例)，易失控v当I0时，输出电压均为输入电压v在实际工作中，应保证连续工作，以最小电流作为电感电流临界连续设计电感降压式变换器小结v(4)输出输入电压关
9、系式v -CCM工作模式降压式变换器小结v -iL临界连续时：v UO=DUiviL临界连续时输出电流：IG=iL/2=UiTD(1-D)/2/LvD=0.5时，IG= IGmax IGmax=Ui T/8/L IG= 4IGmax D(1-D)降压式变换器小结v-DCM工作模式降压式变换器小结viL连续时：Uo与负载大小无关v UO=DUi , D=TON/Tv iL断续时：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v效率估算v假定晶体管的开关损耗等于导通损耗（f2Icpv功率管的电压满足：功率管选择v 根据工作频率
10、选功率管的类型v在20kHz以下，可选择普通低频功率管；v20一50kHz可选开关功率管；v50kHz以上应选择功率MOSFET；v大功率应用，可选择IGBT电路参数选择（二极管）v二极管一般选开关二极管，快恢复二极v管， 在低压场合最好选肖特基二极管v二极管的平均电流和有效电流为v二极管的电压满足电路参数选择（电感）v为保证电感在所有工作条件下电感电流连续，有： Iomin=IGv将Iomin代入IG表达式(式9-9)，即得到电感L：v如果电流过小，会造成电感量过大，所以有时可加入假负载以提高最小电流; 或局部工作在断续模式v若输出负载恒定，为减小纹波，在进行电感量计算时，将IG进行减小处理
11、: IG=(1/51/3)Iomax 电路参数选择（电容）v电容电流的脉动量近似即为电感电流的脉动量v电容电流在1/2周期内充电，在1/2周期内放电v所以，电容电流：v所以电容纹波电压：电路参数选择（电容）v根据输出纹波大小即可以确定输出电容大小：v考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性电路参数选择（电容）v低频时，1/CRs, Ls，电容呈容性v随着工作频率的增高，电容器的1/C 小，而Rs, Ls 相对的影响逐渐增大v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）v由于这些影响，实际的C选取：v对于高频开关电路，应采用ESR，ESL尽可能小的高频电容v在高频应用时，电容量应在
12、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2.降压式变换器v(5)参数选择与设计v开关功率管:U(BR)ceo , ICM2IQPv二极管:v电感：2.降压式变换器 (5)参数选择与设计v电容v开关频率与LC大小的关系：f大LC小v对电容的要求：高频性能好分析方法小结：v推导输出电压和输入电压关系式方法：v CCM方式： 电感电流上升量=电感电流下降量 TON 期间磁通变化量= TOFF期间磁通变化量v DCM方式v流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io稳态工作特点v稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点：v电感L：电流变化量/伏秒面积为零v电容C：电压变化量/安秒面积为零v变压器：磁通变换量/伏秒面积为0v能量守恒原则：储能能量=释放能量v输入输出有功功率相等实际降压式变换电路v由于晶体管、二极管有导通压降，电感有v寄生电阻，可简化成串联电阻（线圈电阻v与半导体器件导通电阻之和） ：v所以有输出电压表达式：实际降压式变换电路v输出电压随着电流的上升有一定的下降v对应特性的虚线部分
