6.4 变换器评估与设计 没有完美适用于所有可能应用场合的统一变换器.对于给定的应用和规格,应该进行折中设计来选择变换器的拓扑.应该考虑几种符合规格的拓扑,对于每种拓扑方法,对比较重要的量进行计算,比如最坏情况下的晶体管电压,电流有效值,变压器尺寸等.这种类型的定量比较可以选择最佳方法,同时避免工程师的个人偏好. 6.4.1 开关应力和利用率 通常,变换器中最大的单一成本是有源半导体器件的成本.而且,与半导体器件相关的导通和开关损耗通常占变换器损耗的主体.因此,对于候选变换器而言,比较总有源开关…

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,低通滤波器允许非常少含量的高频谐波输出.因此,图2.7所示的输出电压\(v(t)\)波形实际上可表达为: \[v(t)=V+v_{ripple}(t) \tag{2.4} \] Fig 2.6 Buck converter containing practical low-pass filter 所…

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和二极管的开关的实际实现.让我们应用小纹波近似以及电感伏秒平衡和电容电荷平衡的原理来找到该变换器的稳态输出电压和电感电流. Fig 2.13 Boost converter example 将开关置于位置1时,电感器的右侧接地,从而形成图2.14(a)的电路.此子间隔的电感电压和电容电流为: \[v_{L}=…

2.4 Cuk 变换器 作为第二个示例,考虑图2.20(a)的变换器.该变换器执行类似于降压-升压变换器的直流转换功能:它可以增加或减小直流电压的幅值,并且可以反转极性.使用晶体管和二极管的实际实现如图2.20(b)所示. Fig 2.20 Cuk converter example 这个变换器通过电容能量传输进行工作.如图2.21所示,当开关位于位置2时,电容 \(C_{1}\) 通过电感\(L_{1}\)连接到输入电源,电源能量存储在\(C_{1}\)中.当开关处于位置1时,该能量通过\(L…

2.5 含两极点低通滤波器变换器的输出电压纹波估计 在分析包含两极点低通滤波器的变换器如Cuk变换器及Buck变换器(图2.25)输出时,小纹波近似将会失效.对于这些变换器而言,无论输出滤波电容的值是多大,其输出电压纹波的小纹波近似都是零.产生这个问题主要是这些情况下,输出电容的电流唯一分量是由电感电流纹波产生的.因此在计算输出电容电压的纹波时,电感电流的纹波不能忽略,且需要更为精确的近似值. Fig 2.25 含两极点输出滤波器的Buck变换器 在这种情况下,有用的一种改进方法是考虑电感电流纹…

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 \[P_{in} = P_{out} \tag{3.1} \] 或者 \[V_{g} I_{g} =VI \tag{3.2} \] Fig 3.1 Basic equations of an ideal DC-DC converter 这些关系只有在平衡(DC)条件下才是成立的:在瞬态过程,变换器中…

1.1 功率处理概论 电力电子领域关注的是利用电子设备对电力进行处理[1–7].如图1.1所示,其中关键部件就是开关变换器.通常,开关变换器包含电源输入和控制输入端口以及电源输出端口.原始输入功率按控制输入指定的方式进行处理,产生相应的条件输出功率.其可以执行以下几个基本功能之一[2].在DC-DC变换器中,直流输入电压被转换为具有更大或更小幅值的直流输出电压,也可能具有相反的极性,或者具有输入和输出参考地的隔离.在AC-DC整流器中,交流输入电压被整流,产生直流输出电压.可以控制直流输出电压和…

1.2 电力电子技术的几个应用 高效开关变换器面临的功率范围从 (1)小于1瓦(电池供电的便携式设备内的DC-DC转换器)到(2)计算机及办公设备中的几十,几百,数千瓦到(3)变速电机驱动器中上千瓦及兆瓦以及(4)通过传输线接入交流电源的数千兆瓦的整流器和逆变器中.本节对几种变换器应用系统进行了介绍. 个人计算机的电源系统如图1.14所示.锂电池为系统供电,数DC-DC变换器将电池电压转换为负载所需的电压.降压转换器产生微处理器所需的低压直流电.升压转换器将电池电压增加到磁盘驱动器所需的电压水平…

4.2 功率半导体器件概述 功率半导体设计中最根本的挑战是获得高击穿电压,同时保持低正向压降和导通电阻.一个密切相关的问题是高压低导通电阻器件的开关时间更长.击穿电压,导通电阻和开关时间之间的折衷是各种功率器件的关键区别特征. 反向偏置的PN结及其相关的耗尽区的击穿电压是掺杂程度的函数:在PN结的至少一侧的材料中,获得高击穿电压需要低掺杂浓度,从而导致高电阻率.该高电阻率区域通常是设备导通电阻的主要贡献者,因此高压设备必定具有比低压设备更高的导通电阻.在多数载流子元件(单极型器件)中(包括MOS…

4.3 开关损耗/4.4 小结 使用半导体器件实现开关后,我们现在可以讨论变换器中损耗和低效的另一个主要来源:开关损耗.如前所述,半导体器件的导通和关断转换需要几十纳秒到几微秒的时间.在这些开关转换期间,半导体器件中可能会出现非常大的瞬时功率损耗.尽管半导体开关时间很短,产生的平均功率损失也可能很大. 半导体器件是由电荷控制的.例如,MOSFET的导电状态由其栅极和沟道中的电荷决定,硅二极管或BJT的导电状态由器件内部半导体结附近存储的少数电荷的存在与否决定.为了在开和关状态之间切换半导体器件,…