第九章-晶体管功率电路

ub
_
i1
Q

Qoff, 电流下降（Tr）
U o L2 di 2 dt
TON i1 min 0 i2 i2 max
0
i1
i1 max
TOF
t
i2 min
t
0

Qoff, 电流为零
U
L
0
i2
t t
0
（★图9－20）
单端反激式变换器－电路外特性
②断续外特性——波形分析
+ Ui

在三种电路状态下，Q 和D上的电压波形？
参数选择

(3)参数选择 功率管Q,D 电感L:由临界连续负载电流定


3)电路参数设计
A.晶体管
峰值电流:（两部分）
I Q P I ip Ii D i1 2


Po
DU

i
U iT 2 L1
i1
D (连 续 ）
I Q P I ip 2
Ii D
2 PO
DU
（断续）
T u1 u2
u1
0 2
t


d

1 N
uLdt 0
Φ
0

当满足磁通变化量为零条件， 称之磁复位 即要求变压器正负伏秒平衡！
t
u2
0 2
t
单端反激式变换器的同名端变化

对于反激式变换器，在一个周期 内，可以自动完成磁复位。 如果将反激式变换器的变压器同 名端改为相同端，则不能完成磁 复位！
L1
T ON
t
单端反激flyback－关断瞬时
Q ON—OFF瞬间 磁场能量不能突变，变压器同名端变为负，
“D”ON;原边电流转移到副边
转换瞬间满足： ★磁势不变,能量不变—— 安匝不变，电流相对同名
i1
u2

D
i2
+ Ui
C
RL_ Uo
+
ub
Q
_

端方向不变
N 1 i1 max N
( n N 2 / N 1)
i2 min
t
U iDT L1 n
0
i0 1
0
i2
t t
t
IG
U iT 2 L1 n
D (1 D )
i2
0
t
电流临界连续时工作分析

临界电流
IG U iT 2 L1 n D (1 D )

当D=0.5时，有最大临界电流
I G m ax U iT 8 L1 n
t
t
隔离变压器与铁芯磁通


如图的变压器工作情况： 变压器的工作情况： u1 → Φ → u2 电压和磁通满足：
u N d dt
T u1 u2
u1
0 2
t
Φ
0


当电压为正时，磁通增长 当电压为负时，磁通减小 变压器的设计保证一周期 内磁通变化量为零！
t
u2
0 2
t
单端反激式变换器状态分析
单端反激式变换器的同名端变化

对于反激式变换器，在一个周期 内，可以自动完成磁复位。 如果将反激式变换器的变压器同 名端改为相同端，则不能完成磁 复位！




1.电路组成和和基本工作原理 ①电路组成★ ②电路工作原理★ ③ 数量关系 ★ 2.电路外特性 ①模态的划分★ ②断续外特性△ ③电路外特性△ 3.参数设计
2
2
o

L 2 i1 ( N 1 / N 2 ) 2T U
o

L 1 i1 2T U
2
o
电流断续时工作分析

在Q导通时有Δ i1的电路方程
i1 U i DT / L 1

所以输出平均电流
IO L1 i1 2T U
2

o
L 1 (U i T O N / L 1 ) 2T U
南航 电力电子 课程组
第九章 晶体管功率电路(4)
正激变换器
引言

输入输出要求电气绝缘－－带隔离的直流变换器

重点掌握：变压器的工作特点、有变压器电路的 分析方法

特点: 输入输出隔离;可以多路输出; 可以 升降压.
常用电路有:单端反激式和单端正激式两种

隔离变压器与铁芯磁通


如图的变压器工作情况： 当电压为正时，磁通增长 当电压为负时，磁通减小 变压器的设计保证一周期 内磁通变化量为零！
2
2
Uo
连续模式和断续模式的比较 (Pg191)
连续模式 晶体管峰值电流小，同样电流容量的晶体管 可以输出更大功率 二极管有反向恢复 变压器体积较大 断续模式 晶体管峰值电流大 调节困难 二极管无反向恢复 变压器体积较小 通常：小电流断续，大电流连续
作业：

P225页， 9-2
南航 电力电子 课程组
第九章 晶体管功率电路(3)
反激变换器
引言

已学过的非隔离变换器是否已经能够满足 实际应用的需要了呢？ 参考电位的不同、安全的需要等要求—输 入输出电气绝缘 重点掌握：变压器的工作特点、有变压器 电路的分析方法


具有输入和输出隔离的单管变换器

特点: 输入输出隔离;可以多路输出; 可以 升降压. 常用电路有:单端反激式和单端正激式两种 适合中小功率输出
D

C
+ Uo RL _
i1 i2
TON
TOF
t
ub
_
Q
i1 max
t
i2 max
t
Ui
Ui Uo N1 N2
TR 内，Q的耐压为
Ui Uo
Toff－TR内，Q的耐压为Ui Qon时，D的耐压为
U o U i N2 N1
uD
N1 N2
uce
t t
U o
U o U i N2 N1

在Q导通时（承受正向电压）：
1

To n 0
1 N1
u1d t
1 N1
U iDT

在Q关断时：（承受反向电压）
2

T o ff 0
1 N2
u2dt
1 N2
U o (1 D ) T

Q导通时磁通增量等于Q关断时 磁通减量： Dn
U
0

1 D
U
i

即在一个周期内，磁通变化量为零， 可以完成磁复位。

N
2
N1
U
i

Dn 1 D
U
i
单端反激电路组成和工作原理
③ 数量关系
Uo D U 1 D
i

N
+
2

D

C
N1
Ui
+ Uo RL _
ub
_
Q
电路特点及应用
适于宽输入电压或者要求宽输出电压范围的 应用场合 电路简单，广泛应用于小功率的场合
单端反激电路组成和工作原理
③ 数量关系 B.电流脉动
单端反激式变换器



反激式变换器中的电 感变压器起着电感和 变压器的双重作用 具有电感电流连续、 临界连续和断续3种 工作模式 电流连续时电压关系
Uo D U 1 D
i

N
2
N1
断续模态分析
单端反激式变换器－电路外特性
u2

Qon:
U
i
L1
di 1 dt
+ Ui

D

C
+ Uo RL _
2
N 1 i1 m ax N

i 2 m ax 和 N 1 i1 m in N
2
i 2 m in
N i N i 即 此外，电感与匝数的平方成正比 (P306) N
1 1 2 2
2
L1 N
1
2
L2

代入前式
U
0

T ON T OF
Toff－TR内，D上电压 -Uo
电流断续时工作分析－外特性推导

输出平均电流
Io 1 T i2 2 TR
式中TR为电流下降时间

晶体管关断电流下降时电路关系式：
U
o
L2
i2 TR
T R＝
L2 U
o
i2
代入化简
IO
i2 L 2 i2 2T U
2 O 2

L 2 i2 2T U

临界连续模态分析
单端反激式变换器－电路外特性
③变换器外特性—IG
随着负载Io↓ i1、i2下移 连续临界连续断续 IG是连续和断续的分界
IG Io
i2
i1
+ Ui

D

C
+ Uo RL _
ub
_
Q
TON i1 min 0 i2 i2 max
0
i1
i1 max
TOF
t
i 2 (1 D ) 2
U i L1 di 1 dt
2
ii11
u2

i2 D i C 2
+ + U U ii
+ + U RLL _U R _ oo
u ubb
Q Q
_ _
D管承受电压？
ub
-UiN2/N1-Uo
TON
TOF
t
i1
i1 min i1 max
i2
t
u 2 U i N
/ N1
U
i
u2
t
i1 ( i1 m ax i1 m in )


反激变换器



1.电路组成和和基本工作原理 ①电路组成★ ②电路工作原理★ ③ 数量关系 ★ 2.电路外特性 ①模态的划分★ ②断续外特性△ ③电路外特性△ 3.参数设计



1.电路组成和和基本工作原理 ①电路组成★ ②电路工作原理★ ③ 数量关系 ★ 2.电路外特性 ①模态的划分★ ②断续外特性△ ③电路外特性△ 3.参数设计
电路组成和工作原理
①电路组成：由电感变压器T，晶体管Q，二极 管 D和滤波电容 C组成，与Buck 等单管电路元 件数相同
★注意：
+ Ui

D

变压器的同名端；
输出端的滤波方式： 电容滤波。
C
+ Uo RL _
ub
_
Q
单端反激式变换器-Q导通时
Q ON时: 晶体管导通时，D截止 电感变压器作电感运行 电感储能 输出负载由电容提供能量
i
耐压：
U
ce
TON i1 min 0 i2 i2 max
0
i1 max
TOF
t
i2 min
t
U
i

U n
o
U
i

D 1 D
U
i

U
i1
i
1 D
0
0
i2
t t
3)电路参数设计
B.二极管 峰值电流：
I DP I 2 p Io 1 D i2 2 Io 1 D U oT 2 L2 (1 D ) ( 连 续 ）
(1 D )
2 2
+ Ui

D

C
+ Uo RL _
ub
L
U iT 2Ion
Q
D (1 D )
2 n fI o
U
_
o
连续模式
I o m in I G
L
(1 D m in ) 2 n fI o m in
2
2
U
o
断续模式
I o m ax I G
L
(1 D m a x ) 2 n fI o m a x

所以，临界电流也等于
I G 4 I G m a x D (1 D )
单端反激式变换器－电路外特性
③变换器外特性——标幺外特性
依据：连续和断续时的输入输出关系，分界线为IG
Uo D U 1 D
i

N
2
N1
U
o

U
2 i
TD
2
2 L1 I o

U
2 i
D
2
2 L 1 fI o
IG
QQ
i2 CC i2
+ + RL o L Uo _
_
ub TON
i1
TOF t
i1 min i1 max i2
i2 max
u2
o
t
i2 min
u2 U o
i 2 ( i 2 m ax i 2 m in ) L2 T OF
t
t
单端反激式变换器状态分析

在稳态时，转换瞬间磁势连续：
o
2

Ui D T 2 L1U
o
2
2

如果以输出电压作为变量：
U
o

U
2 i
TD
2
2 L1 I o

U
2 i
D
2
2 L 1 fI o
电流断续时工作分析

电流断续时，输出电压：
U
o

Ui D
2
2
2 L 1 fI o

当负载电阻加大，Io减小时，输出电压升高 当输出开路时，输出无穷大，将损坏电路


所以，反激电路不能开路输出
2
D

C
+
i 2 max
RL _ Uห้องสมุดไป่ตู้o
+
Ui ub
Q
i2
_
单端反激式变换器-Q截止时
Q OFF时: Q管承受电压？ UON1/N2+Ui 晶体管截止 感应电动势决定D导通 电感储存能量向电容和 负载提供
U o L2 di 2 dt
U
i1
u2

D D i2
+ + U U ii ub u b

变压器的磁复位的必要性

在晶体管导通时，输入电流包含负载电流折射分 量i2’和磁化电流分量im
L
+
Q
N1

N2 D 3
+ RL Uo _
C
Ui
_


磁化电流将能量储存在变压器磁芯中 问题： 当晶体管关断时，没有磁场泄放回路，会造成 过大的电压应力，危害功率器件; 仅有单方向磁通变化，无法去磁，磁通会饱和 解决方法：变压器额外加上复位绕组N3和二极管 Ｄ2
i1 U i DT / L 1
ub
u2
+ Ui

D

C
+ Uo RL _
ub
_
Q
TON
i1
TOF
t
i 2 U o (1 D ) T / L 2