电力电子学(陈坚)第三章课件

第3章直流/直流变换器1电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）陈坚编著华中科技大学第3章直流/直流变换器第三章直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5带隔离变压器的直流/直流变换器第3章直流/直流变换器第三章直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5带隔离变压器的直流/直流变换器第3章直流/直流变换器Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.1Buck变换器第3章直流/直流变换器Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.1Buck变换器第3章直流/直流变换器Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器UiRLdUo+_DC-DC变换器第3章直流/直流变换器Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：电阻分压=UoIo/UiIo=Uo/Ui=50/100=50%Ploss=5010=500(W)UR=100-50=50(V)UiRLdUo+_效率太低!!!无法自动稳压!第3章直流/直流变换器UiRLdUo+_Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：线性模式=UoIo/UiIo=Uo/Ui=50/100=50%UQ=100-50=50(V)效率太低!!!无法自动稳压!PQ=UQIQ=5010=500(W)可以自动稳压!线性放大器和基极驱动_+Vref第3章直流/直流变换器QUiRLdUo+_Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：01sToosUudtT直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs1ionsUTTonisTUTonsTDTiUDTon：导通时间Ts：开关周期D：占空比50V第3章直流/直流变换器QUiRLdUo+_Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：Qon:PQ(on)=VcesIo0100%Ploss0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs可以自动稳压!oiUDU效率很高！第3章直流/直流变换器QUiRLdUo+_滤波器续流二极管DBuck变换器降压式变换器LfCf第3章直流/直流变换器Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.1Buck变换器第3章直流/直流变换器QON工作原理：电感电流连续QUiLfCfRLdUo+_DLfioUUULffdiLdtULf+_iLf()ioLfonfUUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQOFF工作原理：电感电流连续LfoUULffdiLdt()oLfofffUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章直流/直流变换器输入电压与输出电压之间的关系工作原理：电感电流连续()oLfofffUITL()ioLfonfUUITL()()LfLfIIiooonoffffUUUTTLLoonionoffUTUTTonsTTD占空比ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs脉冲宽度调制(Pulse-WidthModulation)脉冲频率调制Pulse-FrequencyModulation第3章直流/直流变换器minmax12oLfLfIII输出电流平均值ioLfsfUUIDTL滤波电感电流脉动值Q：当Ui和Uo一定时，如果负载电流变化，电感电流脉动是否变化？工作原理：电感电流连续A：不变！ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章直流/直流变换器工作原理：电感电流断续QUiLfCfRLdUo+_DQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章直流/直流变换器Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.1Buck变换器第3章直流/直流变换器ttubeiLfILfmaxtuABUi0tuLfUi-Uo-Uo0Io00TonToffTs电感电流临界连续电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：ILfmin=0minmax12GoLfIIImaxioLfLfsfUUIIDTL(1)2isGfUTIDDL第3章直流/直流变换器(1)2isGfUTIDDL0.4D0.21.00.80.60.0IG0.40.21.00.80.60.0IGmax0.5Dmax8isGfUTILmax4(1)GGIDDI电感电流临界连续第3章直流/直流变换器tiLfILfmaxIo0TonToffTsToff’电感电流断续输出平均电流：'max112oLfonoffsIITTT'maxoLfofffUITLmaxioLfonfUUITLonsTDTmax8isGfUTIL2max114ooiGUIUID第3章直流/直流变换器1.00.52.52.01.50.00.40.21.00.80.60.0Io/IGmaxUoUiBuck变换器的外特性外特性：()|ooDiUfIU2max114ooiGUIUID电感电流连续时：oiUDU电感电流断续时：max4(1)GGIDDIQ：如果Ui和占空比不变，当电感电流断续时，为何Uo升高？D=1.0D=0.6D=0.8D=0.2D=0D=0.4第3章直流/直流变换器Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.1Buck变换器第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DBuck变换器的元器件参数选择已知条件：输入电压Ui(变化范围)输出电压Uo输出电流Io输出电压稳定精度输出电压纹波元器件参数选择：功率晶体管二极管滤波电感滤波电容第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_D变换效率的近似计算双极性晶体管2oicesUUU如果fs20kHz，可近似认为其导通损耗等于开关损耗。功率MOSFEToiDSUUU如果fs100kHz，可忽略其开关损耗。第3章直流/直流变换器功率晶体管选择：类型QUiLfCfRLdUo+_D开关频率晶体管类型选择功率管类型20kHz20~50kHz50kHz低频功率管开关功率管功率MOSFET如果功率较大，可选用IGBT。第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶体管电压和电流应力平均电流：QiIIoDI峰值电流：2QPoiIImaxmaxoGII电压应力：ceiUU功率晶体管ICM2IQPU(BR)ceo2Ui第3章直流/直流变换器二极管类型选择QUiLfCfRLdUo+_D开关二极管、快恢复二极管或者FRED；二极管类型选择输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替代整流二极管，即同步整流。电压低于40V时，可选用肖特基二极管；第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二极管电压和电流应力平均电流：OFDosTIIT1oID有效值电流：201OFTDrmsosIIdtT1oID电压应力：DiUUUDR2Ui第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电感量的计算ioLfsfUUIDTLΔILf过小，Lf太大。ΔILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io时，电感电流连续。0.2iofsoUULDTI第3章直流/直流变换器QQUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电容量的计算输出电流脉动很小0.2ioLfsoUUIDTIticf0tUouo0ucΔILf全部流过电容201sTcLffUidtC11222LfsfITC8LffsICf8LffcsICUf第3章直流/直流变换器第三章直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5带隔离变压器的直流/直流变换器第3章直流/直流变换器Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.2Boost变换器第3章直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DQBoost变换器的推导UoUiUoUiQUiLfCfRLdUo+_DUiCfRLdUo+_DUiLbQCfRLdUo+_D第3章直流/直流变换器Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.2Boost变换器第3章直流/直流变换器QUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQON电感电流连续(1)LbiUULbbdiLdt()iLbonbUITLttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs第3章直流/直流变换器QUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQOFF电感电流连续(2)LbioUUULbbdiLdt()oiLboffbUUITLttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs第3章直流/直流变换器输入电压与输出电压之间的关系电感电流连续(3)()oiLboffbUUITL()iLbonbUITL()()LbLbIIioionoffbbUUUTTLLonoffoioffTTUUT11DttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs第3章直流/直流变换器ttubeiLbILbminILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs电感电流断续(1)QUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLbQUiLbCfRLdUo+_DABULb+_iLb第3章直流/直流变换器Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计3.2Boost变换器第3章直流/直流变换器ttubeiLbILbmaxtuABUo0tuLbUiUo-Ui0Iin00TonToffTs电感电流临界连续(1)电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：ILbmin=0min112GoLboffsIIITTmaxiLbLbsbUIIDTL(1)2isGbUTIDDL第3章直流/直流变换器(1)2isGbUTIDDL0.4D0.21.00.80.60.0IG0.40.21.00.80.60.0IGmax0.5Dm