電力電子學(xué)第三章課件第1頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第2頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第3頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.1Buck變換器第4頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.1Buck變換器第5頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計要求：直流變換器第6頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計要求：直流變換器：電阻分壓=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=5010=500(W)UR=100-50=50(V)效率太低!!!無法自動穩(wěn)壓!第7頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計要求：直流變換器：線性模式=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%UQ=100-50=50(V)效率太低!!!無法自動穩(wěn)壓!PQ=UQ

IQ=5010=500(W)可以自動穩(wěn)壓!第8頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計要求：直流變換器：開關(guān)模式Ton：導(dǎo)通時間Ts：開關(guān)周期D：占空比50V第9頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二

Ui=100VUo=50VIo=10A設(shè)計要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流變換器：開關(guān)模式可以自動穩(wěn)壓!

效率很高！第10頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二濾波器續(xù)流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCf第11頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.1Buck變換器第12頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二QON工作原理：電感電流連續(xù)AB第13頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二QOFF工作原理：電感電流連續(xù)AB第14頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系工作原理：電感電流連續(xù)占空比脈沖寬度調(diào)制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調(diào)制Pulse-FrequencyModulation第15頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸出電流平均值濾波電感電流脈動值Q：當(dāng)Ui和Uo一定時，如果負(fù)載

電流變化，電感電流脈動是否變化？工作原理：電感電流連續(xù)A：不變！第16頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二工作原理：電感電流斷續(xù)第17頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.1Buck變換器第18頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流臨界連續(xù)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILfmin=0第19頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流臨界連續(xù)第20頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第21頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時：電感電流斷續(xù)時：Q：如果Ui和占空比不變，當(dāng)電感電流斷續(xù)時，為何Uo升高？第22頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.1Buck變換器第23頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck變換器的元器件參數(shù)選擇已知條件：輸入電壓Ui(變化范圍)

輸出電壓Uo

輸出電流Io

輸出電壓穩(wěn)定精度輸出電壓紋波元器件參數(shù)選擇：功率晶體管二極管濾波電感濾波電容第24頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二變換效率的近似計算雙極性晶體管如果fs>20kHz，可近似認(rèn)為其導(dǎo)通損耗等于開關(guān)損耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其開關(guān)損耗。第25頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二功率晶體管選擇：類型開關(guān)頻率晶體管類型選擇功率管類型<20kHz20~50kHz>50kHz低頻功率管開關(guān)功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。第26頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二功率晶體管電壓和電流應(yīng)力平均電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui第27頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二二極管類型選擇開關(guān)二極管、快恢復(fù)二極管或者FRED；二極管類型選擇輸出電壓較低時，如5V以下，需要采用功率MOSFET來替代整流二極管，即同步整流。電壓低于40V時，可選用肖特基二極管；第28頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二二極管電壓和電流應(yīng)力平均電流：有效值電流：電壓應(yīng)力：UDR>2Ui第29頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二濾波電感量的計算ΔILf過小，Lf太大。ΔILf過大，Lf太損耗太大，且Uo脈動大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io時，電感電流連續(xù)。第30頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二濾波電容量的計算輸出電流脈動很小ΔILf全部流過電容第31頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第32頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.2Boost變換器第33頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的推導(dǎo)Uo<UiUo>Ui第34頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.2Boost變換器第35頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二QON電感電流連續(xù)(1)第36頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二QOFF電感電流連續(xù)(2)第37頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系電感電流連續(xù)(3)第38頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流斷續(xù)(1)第39頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.2Boost變換器第40頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流臨界連續(xù)(1)電感電流連續(xù)臨界電流值，即負(fù)載最小電流：ILbmin=0第41頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流臨界連續(xù)(2)第42頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電流斷續(xù)輸出平均電流：第43頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的外特性外特性：電感電流連續(xù)時：電感電流斷續(xù)時：第44頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Boost變換器的推導(dǎo)工作原理外特性元器件選擇和設(shè)計3.2Boost變換器第45頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二平均輸入電流：峰值電流：電壓應(yīng)力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管第46頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：二極管UBR>2Uo第47頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感量：升壓電感臨界連續(xù)輸出電流：Uo恒定Ui恒定第48頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第49頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第50頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計3.3Buck-Boost變換器第51頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(1)Uo<UiUo>Ui第52頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(2)第53頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！第54頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計3.3Buck-Boost變換器第55頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q導(dǎo)通第56頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q關(guān)斷第57頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入輸出關(guān)系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>Ui第58頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck-Boost變換器的推導(dǎo)工作原理

元器件選擇和設(shè)計3.3Buck-Boost變換器第59頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入電流：電感電流平均值：電壓應(yīng)力：功率晶體管輸出電流：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第60頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：第61頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感量：電感電感電流脈動：第62頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第63頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第64頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第65頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)(1)鏡像翻轉(zhuǎn)濾波電容和二極管交換位置Cf和Q改變位置Lf移到上面第66頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(2)第67頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Buck/Boost變換器的推導(dǎo)(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、Cf第68頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第69頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q導(dǎo)通第70頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q關(guān)斷第71頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入輸出關(guān)系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。第72頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第73頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電壓應(yīng)力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第74頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二二極管有效值電流：電壓應(yīng)力：平均電流：第75頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感電感L1的電流脈動：電感L2的電流脈動：第76頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導(dǎo)通，C1放電；Q截止，C1充電。與Buck變換器類似Cuk變換器利用C1進(jìn)行能量傳遞，充放電電流很大，因此要選擇低損耗的高頻電解電容。第77頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第78頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電流斷續(xù)模式所謂電流斷續(xù)模式，是指二極管電流斷續(xù)！第79頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第80頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二**耦合電感的Cuk變換器第81頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二電感脈動第82頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Cuk變換器的推導(dǎo)工作原理元器件選擇和設(shè)計電流斷續(xù)模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器3.4Cuk變換器第83頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二隔離式Cuk變換器第84頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二9.1.5Zeta變換器和Sepic變換器第85頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Zeta變換器Sepic變換器*輸入輸出同極性！Zeta變換器和Sepic變換器Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159第86頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二6種基本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology第87頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第88頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第89頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第90頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二第1步：加入隔離變壓器；第2步：加入磁復(fù)位電路；第3步：加入整流二極管。正激變換器的推導(dǎo)(1)第91頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)(2)第92頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)(3)第93頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第94頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q導(dǎo)通N1的激磁電感第95頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q關(guān)斷：磁復(fù)位第96頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q關(guān)斷：磁復(fù)位完成變壓器磁復(fù)位完成第97頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二正激變換器的推導(dǎo)工作原理基本數(shù)量關(guān)系3.5.1正激(Forward)變換器第98頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二輸入輸出關(guān)系第99頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二最大占空比第100頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二開關(guān)管、二極管的電壓應(yīng)力第101頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復(fù)位繞組匝數(shù)的選擇第102頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二工作原理外特性變換器設(shè)計與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flyback)變換器第103頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二工作原理外特性變換器設(shè)計與Buck-Boost變換器的關(guān)系3.5.2反激(Flyback)變換器第104頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二反激變換器第105頁，共118頁，2023年，2月20日，星期二Q導(dǎo)通變壓器相當(dāng)于一個電感電感儲能；負(fù)載由濾波電容提供能量。第10