第十二次课 电力半导体优秀PPT.ppt

第十二次课 电力半导体课件第一页，本课件共有21页v电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容和电容C的数值。的数值。图图3.2.2 电感电流波形图电感电流波形图 Buck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流连续模式电感电流临界电感电流临界连续状态连续状态电感电流断流模式电感电流断流模式第二页，本课件共有21页(3.2.4)1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ：在在t tonon期间期间:电感上的电压为电感上的电压为 由于电感由于电感L L和电容和电容C C无损耗，因此无损耗，因此i iL L从从I I1 1线性增长至线性增长至I I2 2，上式可以写成，上式可以写成式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量，为电感上电流的变化量，U UO O为输出电压的平均值。为输出电压的平均值。第三页，本课件共有21页(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)(3.2.8)(3.2.9)1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ：在在t toffoff期间期间:假设电感中的电流假设电感中的电流i iL L从从I I2 2线性下降到线性下降到I I1 1，则有，则有根据式根据式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出开关周期可求出开关周期S S为为 上式中上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式同时代入关系式IL=I2I1可得可得第四页，本课件共有21页2 2）电感电流）电感电流iL临界连续状态：临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由，由可得维持电流临界连续的电感值可得维持电流临界连续的电感值L0为：为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压Ud、电感、电感L、开关频率、开关频率f以及开关以及开关管管T的占空比的占空比D都有关。都有关。当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；时，电感电流连续；当实际负载电流当实际负载电流Io =Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；时，电感电流断流；(3.2.10)(3.2.11)第五页，本课件共有21页v输出纹波电压：输出纹波电压：在在Buck电路中，如果滤波电容电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则的容量足够大，则输出电压输出电压U0为常数。然而在电容为常数。然而在电容C为有限值的情为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波电流连续时的输出电压纹波为为 其中其中f为为buck电路的开关频率，电路的开关频率，fc为电路的截止频率。为电路的截止频率。它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L、C值，当满足值，当满足fcf 时，可以限制输出纹波电时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。（3.2.14）第六页，本课件共有21页 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第七页，本课件共有21页1)1)定义：定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。电路。全控型电力器件开全控型电力器件开关关储能储能保持输出电压保持输出电压2 2）原理图）原理图第八页，本课件共有21页3）工作原理：）工作原理：ton工作期间：工作期间：二极管反偏二极管反偏 截止，电感截止，电感L L储能，电容储能，电容C C 给负载给负载R R提供能量。提供能量。toff工作期间：工作期间：二极管二极管 导通，电感导通，电感L L经二极管给经二极管给 电容充电，并向负载电容充电，并向负载R RL L提提 供能量。供能量。可得：可得：式中占空比式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，当，当D=0D=0时，时，U U0 0=U=Ud d，但，但D D不能为不能为1 1，因此在，因此在0D0D1 1的变化范围内的变化范围内 U Uo oUUinin图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形第九页，本课件共有21页4）Buck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的电感电流临界连续时的负载电流平均值负载电流平均值为：为：当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。时，电感电流连续。当当实实际际负负载载电电流流Io=Ick时时,电电感感电电流流处处于于临临界界连连续续(有有断流临界点断流临界点)。当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流断流时，电感电流断流。(2.3.11)第十页，本课件共有21页 T导通时为电感导通时为电感L储储能阶段，此时电源不能阶段，此时电源不向负载提供能量，负向负载提供能量，负载靠储于电容载靠储于电容C的能的能量维待工作。量维待工作。T阻断时，电源和电阻断时，电源和电感共同向负载供电，感共同向负载供电，同时给电容同时给电容 C充电充电。图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 总结：电感电流连续时总结：电感电流连续时Boost变变换器的工作分为两个阶段换器的工作分为两个阶段:第十一页，本课件共有21页 没有电压闭环调节的没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间导通期间()电源输电源输入到电感入到电感L中的磁能，在中的磁能，在T截止期间通过二极管截止期间通过二极管D转移到输出转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、仍不减小、t tonon不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。总总 结：结：Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的的电流）就是升压电感电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。实际中，选择电感电流的增量实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的时，应使电感的峰值电流峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流不大于最大平均直流输入电流Id的的20%，以防止电感以防止电感L饱和失效。饱和失效。Boost变换器的效率很高，一般可达变换器的效率很高，一般可达92%以上。以上。第十二页，本课件共有21页 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第十三页，本课件共有21页1)概述：概述：升升降降压压变变换换电电路路（又又称称Buck-boost电电路路）的的输输出出电电压压平平均均值值可可以以大大于于或或小小于于输输入入直直流流电电压压，输输出出电电压压与与输输入入电电压极性相反，其电路原理图如图压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。所示。它它主主要要用用于于要要求求输输出出与与输输入入电电压压反反相相，其其值值可可大大于于或或小小于于输输入电压的直流稳压电源。入电压的直流稳压电源。图图3.4.1升降压变换电路原理图升降压变换电路原理图第十四页，本课件共有21页2）工作原理：）工作原理：ton期间，二极管期间，二极管D反偏而反偏而关断，电感储能，滤波电容关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。向负载提供能量。toff期间，当感应电动势大期间，当感应电动势大小超过输出电压小超过输出电压U U0 0时，二极时，二极管管D D导通，电感经导通，电感经D D向向C C和和R RL L反反向放电，使输出电压的极性与向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。输入电压相反。图图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.4)(3.4.1)(3.4.1)第十五页，本课件共有21页2）工作原理：（）工作原理：（续）续）在在ton期间电感电流的增加量等于期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，期间的减少量，得：得：由由 ,的关系，求出输出电压的平均值为：的关系，求出输出电压的平均值为：上式中，上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，时，U0=Ud；当；当0.5DUd，为升压变换；当，为升压变换；当0D0.5时，时，U0Ud，为降压变换。，为降压变换。(3.4.5)第十六页，本课件共有21页3）工作原理：（）工作原理：（续）续）采用前几节同样的分析方法可得采用前几节同样的分析方法可得电感电流临界连电感电流临界连续时的负载电流平均值续时的负载电流平均值为：为：变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：实际负载电流实际负载电流IoIck时，电感电流连续。时，电感电流连续。实际负载电流实际负载电流Io=Ick时，电感电流处于临界连时，电感电流处于临界连 续续(有断流临界点有断流临界点)。实际负载电流实际负载电流IoIck时，电感电流断流。时，电感电流断流。(3.4.5)第十七页，本课件共有21页 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 第十八页，本课件共有21页1 1）库克）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路变换电路属升降压型直流变换电路。2 2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。滤波器的要求。L1、L2储能电感耦合电容快速恢复续流二极管滤波电容图图3.5.1（a）库克库克(Cuk)变换电路原理图变换电路原理图第十九页，本课件共有21页图图3.5.1 库克电路及其等效电路和工作波形库克电路及其等效电路和工作波形 晶闸管关断晶闸管开通第二十页，本课件共有21页1）Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管流过二极管D的电流连续或断流。的电流连续或断流。2 2）工作情况）工作情况电流连续：在开关管电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电的关断时间内，二极管电 流总是大于零。流总是大于零。电流断流：在开关管电流断流：在开关管T的关断时间内，二极管电的关断时间内，二极管电 流在一段时间内为零。流在一段时间内为零。临界连续：二极管电流经临界连续：二极管电流经t toffoff后，在下个开关周后，在下个开关周 期期T TS S的开通时刻二极管电流正好降的开通时刻二极管电流正好降 为零。为零。第二十一页，本课件共有21页