[Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.5/3.6 示例:Boost变换器中包含的半导体传导损耗/要点小结
3.5 示例:Boost变换器中包含的半导体传导损耗
作为最后一个示例,让我们考虑对图3.22所示的Boost变换器中的半导体传导损耗进行建模。功率损耗的另一个主要来源是半导体器件的正向电压降引起的传导损耗。金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)的导通压降可以以合理建模为导通电阻\(R_{on}\)。如果是二极管,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或晶闸管,则电压源加上导通电阻会得到精度非常高的模型;如果在单个工作点对变换器建模,则可以省略导通电阻。
Fig 3.22 Boost converter example
当栅极驱动信号为高时,MOSFET导通且二极管反向偏置。电路简化为位置1处的电路。在导通状态下,MOSFET以导通电阻建模为\(R_{on}\)。电感绕组电阻再次如图3.5所示,电感电压和电容电流为:
i_{C}(t) = -\frac{v}{R} \approx -\frac{V}{R} \tag{3.27}
\]
Fig 3.23 Boost converter circuit
电感电流和电容电压再次近似为其直流分量。
当栅极驱动信号为低时,MOSFET关断。二极管因电感电流而正偏,电路简化为上图位置2对应电路。这个例子中,二极管导通时被建模为电压源\(V_{D}\)和电阻\(R_{D}\)。电感绕组电阻仍为\(R_{L}\)。这个子区间内,电感电流以及电容电压为:
i_{C}(t) = i- \frac{v}{R} \approx I- \frac{V}{R} \tag{3.28}
\]
电感电压和电容电流波形如图3.24所示。
Fig 3.24 Inductor voltage and capacitor current
电感电压直流分量为:
\]
化简并利用\(D+D^{'}=1\),得到
\]
该方程式描述了包含电感的环路各电压的直流分量,并且环路电流等于电感直流电流\(I\)。等效电路如图3.25所示。
Fig 3.25 Equivalent circuit corresponding to equation (3.30)
电容电流的直流分量为:
\]
化简可得:
\]
该方程式描述了流入电容器相连节点的电流直流分量,直流电容电压等于\(V\)。等效电路如图3.26所示:
Fig 3.26 Equivalent circuit corresponding to equation (3.32)
上述两个电路在图3.27中组合为一个电路。如图3.28所示,将其中的从属电源变换为直流变压器,得到完整的直流等效电路模型。
Fig 3.27 The circuits of Fig 3.25 and 3.26,draw together
Fig 3.28 Equivalent circuit model of the boost converter
求解图3.28,输出电压\(V\)为:
\]
上式除以\(V_g\)得到电压变换比:
\]
可以看到,损耗元素\(和V_{D},R_{D},R_{on} 和 R_{D}\)的影响是将电压变换比降至理想值\(1/D^{'}\)以下。
效率可以由\(\eta = P_{out}/P_{in}\)得到。由图3.28,\(P_{in}=V_{g}I\)以及\(P_{out}= VD^{'}I\)。因此:
\]
要想得到高效率,需要:
D^{'2}R>>R_{L}+DR_{on}+D^{'}R_{D} \tag{3.36}
\]
看起来很奇怪的是,图3.28所示的等效电路随着占空比变化的电阻有效值为\(DR_{on}\)和\(D^{'}R_{D}\)。这种依赖性关系的原因是只有当半导体器件导通时,才会在电路中连接各自的导通电阻。例如,当\(D=0\)时,MOSFET不会导通,有效电阻就会从模型中消失。这些有效电阻正确的模拟了元件中的平均功率损耗。例如,等效电路预测MOSFET的导通电阻功率损耗为\(I^{2}DR_{on}\)。而在实际电路中,MOSFET的导通损耗在MOSFET导通时为\(I^{2}R_{on}\),关断时其为0。由于MOSFET以占空比\(D\)导通,因此平均导通损耗为\(DI^{2}R_{on}\),与模型预测计算结果相一致。
通常,要计算电阻\(R\)中的功率损耗,我们必须计算通过电阻的均方根电流\(I_{rms}\),而不是平均电流。然后平均功率损耗为\(I_{rms}^2R\)。但,如果电感电流的纹波很小,图3.28的平均模型可以正确预测平均功率损耗。例如,考虑Buck变换器中的MOSFET导通损耗。对于电感电流纹波\(\Delta i\)的几个不同值,实际管子流过电流波形如图3.29所示。情况(a)对应于采用无限大的电感\(L\),使得电感电流纹波为0。如表3.1所示,MOSFET的传导损耗为\(I_{rms}^2R_{on}=DI^2R_{on}\),这与平均模型的预测完全吻合。情况(b)选择电感的典型值,导致电感电流纹波为\(\Delta i = 0.1I\)。使用MOSFET电流的均方根值计算出的精确MOSFET导通损耗仅比平均模型的预测值大0.33%。在极端情况(c)中,\(\Delta i = I\)。实际传导损耗比平均模型预测的损耗大33%。因此,即使没有计算均方根电流,直流(平均)模型也可以正确预测元件非理想状态下的损耗。如果电感器电流纹波很小,则该模型是准确的。
Fig 3.29 Transistor current waveform, for various filter inductor values a: with a very large inductor, such that $\Delta i \approx 0 $ . b: with a typical inductor value, such that \(\Delta i= 0.1I\) c: with a small inductor value .such that \(\Delta i = I\)
Table 3.1 Effect of inductor current ripple on MOSFET conduction loss
3.6 要点总结
- 直流变压器模型代表任何DC-DC变换器的主要功能:理想地具有100%效率的直流电压和电流的变换,以及通过占空比\(D\)来控制的变换比\(M\)。这种模型易于使用常规电路分析的熟悉技术进行变换与求解。
- 还可以对模型进行完善以解决诸如电感器绕组电阻,半导体导通电阻和正向压降之类的损耗因素。改进后的模型可以预测实际非理想变换器的电压,电流和效率。
- 通常可以使用电感伏秒平衡和电容电荷平衡方程得到变换器的直流等效电路。当环路和节点方程与伏秒平衡与电荷平衡方程一致时可构建等效电路。在具有脉动输入电流的变换器中,需要额外的公式来对变换器输入端口进行建模,可以通过对变换器输入电流求平均来获得该方程。
[Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.5/3.6 示例:Boost变换器中包含的半导体传导损耗/要点小结的更多相关文章
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.1 直流变压器模型
3.1 直流变压器模型 如图3.1所示,任何开关变换器都包含三个部分:功率输入,功率输出以及控制输入.输入功率按控制输入进行特定的功率变换输出到负载.理想情况下,这些功能将以100%的效率完成,因此 ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.2 考虑电感铜损
3.2 考虑电感铜损 可以拓展图3.3的直流变压器模型,来对变换器的其他属性进行建模.通过添加电阻可以模拟如功率损耗的非理想因素.在后面的章节,我们将通过在等效电路中添加电感和电容来模拟变换器动态. ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.3 等效电路模型的构建
3.3 等效电路模型的构建 接下来,让我们完善直流变压器模型来解决变换器的损耗问题.这将使用众所周知的电路分析技术来确定变换器的电压,电流和效率. 在前面的章节,我们利用电感伏秒平衡和电容电荷平衡得到 ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-3.稳态等效电路建模,损耗和效率-3.4 如何获得模型的输入端口
3.4 如何获得模型的输入端口 Fig 3.16 Buck converter example 让我们尝试使用3.3.3节的步骤来推导图3.16所示的Buck变换器的模型.电感绕组电阻同样由串联电阻\ ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART II-7. 交流等效电路建模-7.5 状态空间平均 7.6 本章小结
7.5 状态空间平均 现有文献中已经出现了很多变换器交流建模的方法,其中包括电流注入法,电路平均和状态空间平均法.尽管某种特定方法的支持者可能更愿意使用该方法去建模,但所有方法的最终结果都是等效的.并 ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-5.不连续导电模式-5.3 Boost变换器实例
5.3 Boost变换器实例 作为第二个示例,考虑图5.12的Boost变换器.让我们来确定不同模式的边界并且求解DCM下的电压变换比.此前在2.3节中分析了在CCM工作的Boost变换器的特性,并确 ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-6.变换器电路-6.1 电路演化
6.1 电路演化 第一章使用基本原理构建了buck变换器(图6.1).开关可以降低电压直流分量,低通滤波器可消除开关纹波.在CCM下,buck变换器的变换比为\(M=D\).buck变换器是最简单的, ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-2.稳态变换器原理分析-2.2 伏秒平衡/安秒平衡 小纹波近似
2.2 电感伏秒平衡.电容充放电平衡以及小纹波近似 让我们更加仔细地观察图2.6中的buck变换器的电感和电容的波形.我们是不可能设计一个滤波器能够只允许直流分量通过而完全滤除开关频率次谐波的.所以, ...
- [Fundamental of Power Electronics]-PART I-2.稳态变换器原理分析-2.3 Boost 变换器实例
2.3 Boost 变换器实例 图2.13(a)所示的Boost变换器器是另一个众所周知的开关模式变换器,其能够产生幅值大于直流输入电压的直流输出电压.图2.13(b)给出了使用MOSFET和二极管的 ...
随机推荐
- nasm astrcat函数 x86
xxx.asm %define p1 ebp+8 %define p2 ebp+12 %define p3 ebp+16 section .text global dllmain export ast ...
- Spring 中的 MetaData 接口
什么是元数据(MetaData) 先直接贴一个英文解释: Metadata is simply data about data. It means it is a description and co ...
- Mybatis-05 注解开发
Mybatis-05 注解开发 注解开发 注解的核心是反射机制 面向接口编程的根本原因:解耦,可拓展,提高复用,分层开发中.上层不用管具体的实现,大家都遵守共同的标准,使得开发变得容易,规范性好. 1 ...
- requests页面请求返回400:{"errors":{"username":"值必须是非空字符串。"}}
我的描述:我引入requests包,携带json类型数据请求(POST)一个网站,,访问提示<Response [400]> 解决方案: 1.首先使用postman请求一模一样的数据,发现 ...
- QT实现输入框与下拉框提示并可模糊匹配
功能:支持下拉框选择.手动输入更改和模糊匹配 组件:QLineEdit.QComboBox.QCompleter.QStringListModel 一.组件介绍 1.1 QLineEdit QLine ...
- 用量子计算模拟器ProjectQ生成随机数,并用pytest进行单元测试与覆盖率测试
技术背景 本文中主要包含有三个领域的知识点:随机数的应用.量子计算模拟产生随机数与基于pytest框架的单元测试与覆盖率测试,这里先简单分别介绍一下背景知识. 随机数的应用 在上一篇介绍量子态模拟采样 ...
- Hi3559AV100外接UVC/MJPEG相机实时采图设计(三):V4L2接口通过MPP平台输出
可以首先参考前面两篇文章: Hi3559AV100外接UVC/MJPEG相机实时采图设计(一):Linux USB摄像头驱动分析: https://www.cnblogs.com/iFrank/p/1 ...
- OpenGL中的简单坐标系初看+VAO/VBO/EBO
你好,三角形 一: 关于坐标的问题 标准化设备坐标:输入的顶点数据就应该在标准化设备坐标范围里面即:x,y,z的值都在(-1-1)之间.在这个区间之外的坐标都会被丢弃. 1.1一旦顶点数据传入顶点着色 ...
- Asp.Net Core WebAPI中启用XML格式数据支持
因为XML是一种非常常用的数据格式,所以Asp.Net core提供了非常便利的方式来添加对XML格式的支持 只需要在IOC注册Controller服务的后面跟上.AddXmlDataContract ...
- 测试平台系列(1) 搭建Flask服务
搭建Flask服务 项目地址 点我进入项目地址 代码都会在这里有所展示,喜欢的话可以帮点个star,谢谢大家了!如果你喜欢该教程,也可以分享给其他人. 关于选型 想了很久,本来打算用「Gin」做为后端 ...