《新能源汽车电力电子技术》教案第11课测试间接直流变换电路.docx

课题测试间接直流变换电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：掌握典型间接直流变换电路的结构及工作原理。技能目标：能正确测试间接直流变换电路。素质目标：(1)具有一定的沟通能力和团队意识.(2)树立民族自尊心、自豪感和文化自信。(3)增强实现中华民族伟大复兴的历史使命感。教学重难点教学重点：典型间接直流变换电路的结构及工作原理教学难点：典型间接直流变换电路的工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】展示“间接直流变换电路的工作流程”图片(详见教材)，讲述"任务导入”的相关内容与直流斩波电路相比，间接直流变换电路增加了交流环节，因此也称直-交-直变换电路。间接直流变换电路可分为单端电路和双端电路两大类。与直流斩波电路相比，虽然间接直流变换电路的结构更加复杂，但采用该电路进行直流变换具有以下优势。(1)电路的输入端与输出端之间存在电气隔离,电路的抗干扰能力更强,安全性更高。(2)电路中变压器二次侧可以有多个绕组，因此容易实现相互隔离的多路不同电压或相同电压的输出。(3)变压器变比远小于1或远大于1,因此更容易实现升压或降压。(4)电路的交流环节可以采用较高的工作频率，因此可以减小变压器、滤波电感、滤波电容的体积,实现电源的小型化。【学生】观看、聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知4.2.1单端电路单端电路由于变压器中流过的是直流脉动电流，电路结构较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，因此常用于小功率电源变换。按照能量传递方式的不同，单端电路可分为正激电路与反激电路。1.正激电路1)电路的结构正激电路是指当变压器一次侧的开关器件开通时，能量直接传送至负载，当开关器件关断时变压器需要通过磁芯复位电路去磁的电路。正激电路有多种不同的结构。【教师】展示“典型的正激电路及其工作波形”图片(详见教材)，提出问蓬，随机邀请学生回答典型的正激电路由哪些元件组成?电路图中各电气符号所代表的含义是什么？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，分析电路工作原理2）电路的工作原理当S开通时,Wl与W2两端的电压均为上正下负，此时VDi开通，VD2关断,L储存能量，iL逐渐增大；W3为钳位绕组，它也在S开通时储存能量。当S关断时，L开始释放能量，记通过VD2续流，VD1关断；W3的感应电压S3高于电源电压,VD3开通，变压器的励磁电流im（由钳位绕组上储存的能量产生）经VD3和Wa流回电源，并逐渐减小为零。【教师】展示"变压器的磁芯复位过程”图片（详见教材）,讲解新知im在S的一个周期内是随着时间线性增大的，并且会在本周期结束时的剩余值基础上继续增大，这样会导致变压器的励磁电感逐渐饱和、in,迅速增大，从而损坏电路中的开关器件。因此，必须设法使变压器的励磁电流i.n在自S关断到其下一次开通这段时间内减小为零，这一过程被称为变压器的磁芯复位。【教师】提出问题，随机邀请学生回答变压器的磁芯复位主要依靠什么完成？如何保证变压器的磁芯可靠复位？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知在正激电路中变压器的磁芯复位主要依靠VD.和W，构成的复位电路完成。uni为Wl两端的自感电压,其大小由UN3决定，即UNl=-,则此时S承受的电压为US=（I+假设im减小为零所需的时间为0sr=今ton，则S的关断时间最须满足toff>g,才能保证变压器磁芯可靠复位。jvI3）电路的输出正激电路有电流连续和电流断续两种工作模式。通常在稳态条件下，电路中的电感电压在一个周期内的平均值为零，因此，在电路输出电流连续的情况下可得电路输出电压为%=冷=轲当电路输出电流断续且负载为零时，电路输出电压为正激电路的优点是结构简单，成本较低，可靠性较高且驱动电路简单，适用于各种中、小功率电源。但正激电路的变压器只进行单向励磁，磁芯的利用率较低。【教师】讲述"点拨”的相关内容正激电路的输出电压只与变比N2/Nk占空比和输入电压有关，而与负载无关.通常，为了确保变压器磁芯可靠复位，占空比一般不能超过0.5。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.反激电路I）电路的结构反激电路是指当变压器一次侧的开关器件开通时，电路将电能转化为磁能储存在电感（或变压器一次绕组）中，当开关器件关断时再将磁能转化为电能传送至负载的电路。【教师】展示”反激电路及其工作波形”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答仔细观察图片，说出反激电路与正激电路在电路结构上的区别。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知与正激电路相比，反激电路变压器二次侧电路中不含电感，储能工作由变压器完成，可将电路中两个变压器绕组W1和W2看作两个相互耦合的电感。2）电路的工作原理【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考正激电路的工作原理,分析反激电路的工作原理。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知当S开通时，W1承受电源电压并储存能量，W1的电流（即is）成线性增大；W2产生上负下正的感应电压,VD关断，由电容为负载供电。当S关断时，W2产生上正下负的感应电压，VD开通，W2为电容充电，同时为负载供电。【教师】讲述“点拨”的相关内容由于反激电路中的变压器具有电感的储能作用,因此理论上变压器二次侧电路中不需要电感器件，但在实际使用中，电路会存在较大的开关噪声。因此，为了减小开关噪声，一般会在电容前加一个电感较小的平波电感器件。【学生】聆听、思考、理解、记忆3）电路的输出反激电路也有电流连续和电流断续两种工作模式。当电路输出电流连续时，电路输出电压为经过磁芯复位后，如果W2的电流在S开通前减小为零，则电流断续。此时电路的输出电压高于电流连续时的输出电压，并随负载的减小而逐渐增大。由于电流不能突变，当负载开路时会出现Uo的极限情况，这会损坏电路中的器件，因此反激电路不应工作在负载开路状态。反激电路的优点是结构简单、成本较低、可靠性较高且驱动电路简单，适用于小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备等的电源。但反激电路的变压器只进行单向励磁，磁芯利用率较低，难以达到较大的功率。4.2.2双端电路双端电路的变压器中流过的是正负对称的交流电流，铁芯体积是单端变压器的一半，这使得变压器的磁芯利用率高，且不存在磁芯复位问题.双端电路常应用于大功率电源变换，可分为半桥电路、全桥电路和推挽电路等类型。1 .半桥电路2 ）电路的结构【教师】展示“半桥电路及其工作波形”图片（详见教材），讲解新知半桥电路中，变压器一次绕组两端分别连接在两个容量相等的电容G、U的中点和两个开关器件SkS2的中点，每个电容的输入电压为Ui/2为了避免两个开关器件在换流过程中同时开通而引发短路，两个开关器件的驱动信号应相反，每个开关器件的占空比应不超过05并留有一定的裕量。【教师】提出问翘，随机邀请学生回答试根据已有知识经验，分析半桥电路的工作波形。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“点拨”的相关内容由于半桥电路中的两个开关器件开通时间不对称，因此变压器的一次电路中存在直流分量，这会导致变压器出现偏磁或直流磁饱和现象。而电容具有通交流、阻直流的特性，因此在变压器的一次侧连接电容能够自动平衡一次电路中的直流分量，起到良好的隔离作用。【学生】聆听、思考、理解、记忆2）电路的工作原理当S1开通时，VD,开通；当S开通时,VD2开通。当任一开关器件开通时，L都会储存能量，必逐渐增大。当SuS2都关断时,Wi中的电流为零。根据变压器的磁动势平衡方程，W2和W中的电流大小相等，方向相反，VDuVD2均开通，每个二极管上承担i.的一半.由于Si.S2交替开通，因此在变压器一次侧形成了幅值为Ui/2的交流电压.而每个开关器件在关断时，IL逐渐减小，每个开关器件所承受的峰值电压均为Uie3）电路的输出当电路输出电流连续时，电路输出电压为U°=*Ul隼DUl当电路输出电流断续时，Uo将略高于电流连续时的值，并随负载的减小而增大。此时，在负载为零的极限情况下，电路输出电压为%二所5半桥电路的优点是开关器件少，成本较低，且变压器可进行双向励磁，不存在变压器偏磁问题。半桥电路适用于各种工业电源、计算机电源。但半桥电路仍存在直通问题,且可靠性较低,需要复杂的隔离驱动电路。3 .全桥电路1）电路的结构【教师】展示“反激电路及其工作波形”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答仔细观察图片，说出全桥电路相比于半桥电路，在电路结构上发生了哪些改变？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知全桥电路中，变压器一次侧电路中接有四个开关器件，SuS工为一组开关器件，S2、S3为一组开关器件。两组开关器件交替开通，将Ui变换为交流电压并加在W1±0全桥电路的电路一次侧回路中接有电容，用于阻断直流电流。此外，为了避免两组开关器彳牛在换流过程中出现同时开通的现象，每个开关器件的占空比应不超过05并留有一定的裕量.在电路二次侧回路中接有四个二极管，构成全桥结构。2）电路的工作原理【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考半桥电路的工作原理，分析全桥电路的工作原理。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知当Si、S4开通时，VD,.VD4开通，iL逐渐增大；当S2、S3开通时，Si、S关断，VD2、VD3开通，VDkVD4关断，iL依旧逐渐增大。当四个开关器件均关断时，L开始释放储能，四个二极管保持开通状态，每组二极管承担it的一半，iL逐渐减小，每个开关器件在关断时所承受的峰值电压均为U.3）电路的输出当电路输出电流连续时，电路输出电压为%=2岸UTDUi当电路输出电流断续时，Uo将偏高于电流连续时的值，并随负载的减小而增大，在负载为零的极限情况下，电路输出电压为N2u。F全桥电路的优点是变压器可进行双向励磁，容易达到大功率，适用于大功率工业电源，如焊接电源、电解电源等。但全桥电路的结构复杂，成本较高，且存在直通问题，可靠性较低，需要多组复杂的隔离驱动电路。3.推挽电路【教师】播放"推挽电路"微课视频（详见教材），讲解新知1）电路的结构【教师】展示“推挽电路"图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答推挽电路在电路结构上与半桥电路和全桥电路有哪些区别？有哪些相同点？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知推挽电路其工作波形与半桥电路工作波形相同，但在电路中的开关器件都关断时,每个开关器件所承受的峰值电压均为2U.在每个周期中，电路中的S1和S2交替开通，在各自开通的半个周期内，电路分别将能量传递给负载，所以被称为推挽电路。2）电路的工作原理当S1开通时，VDi开通，记逐渐增大；当S2开通时，VD2开通，il.也逐渐增大。当Si、S2都关断时，L释放能量，VDkVD2均保持开通,每个二极管承担Il的一半，it逐渐减小。推挽电路相当于两个正激电路串联，因此在工作中也应该避免两个开关器件同时开通，每个开关器件的占空比均不能超过05并留有一定的裕量。3）电路的输出【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考半桥电路和全桥电路，分析推挽电路的电路输出。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知当电路输出电流连续时，电路输出电压为当电路输出电流断续时，Uo将略高于电流连续时的值，并随负载的减小而增大，在负载为零的极限情况下，电路输出电压为%隼Ui推挽电路的优点是结构简单，变压器磁芯利用率高，因为两个对称的开关每次只有一个开通，所以开通损耗小，适用于（氐输入电压的电源。但推挽电路存在偏磁问题，并且两个开关器件的耐压必须大于两倍的工作电压。【教师】提出问题，随机邀请学生回答总结三种电路的电路结构、工作波形、输出电压、优缺点和适用场合。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，展示“隔离型反激式DC/DC变换器”图片（详见教材），讲述“科技前沿一隔离型反激式DC/DC变换器”的相关内容2021年，某全球知名半导体制造商开发出两款隔离型反激式DC/DC变换器。这两款新产品非常适用于新能源汽车中配备了栅极驱动器的主驱逆变器、车载充电机、电动压缩机以及PTC加热器等设备。（详见教材）【学生】聆听、思考、理解、记忆【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】讲解新知知识准备间接直流变换电路由于实现了输入电源与输出电源之间的电气隔离，因此常用于隔离式电源。隔离式电源通过开关器件的周期性通断来控制变压器一次绕组的能量存储，把直流电压变换成高频方波电压，再由变压器升压或降压后，经过整流滤波变为直流电压（或电流）供负载使用。【教师】结合“单端正激式开关电源电路”图片（详见教材），分析图示电路的电路结构及工作原理单端正激式开关电源电路，它是间接直流变换电路的一种，主要采用一个开关器件实现直流变换。当S开通时，VD2开通,此时U,为负载供电,L储存能量；当S关断时，L通过VD，释放能量，继续为负载供电。在该电路中设有钳位线圈与VDi,可将开关的最高电压限制在两倍电源电压以下.单端正激式开关电源电路由于在S开通时会通过变压器向负载供电，因此输出功率的范围较大。但该电路的变压器结构复杂，体积较大，因此在实际中应用较少。【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任努：测试间接直流变换电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进彳盖努分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表47(详见教材)【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试间接直流变换电路”实训任务【教师】展示“单端正激式开关电源电路”图片(详见教材)，指导学生选取相应的器材，按照图片连接电路【学生】选取相应的器材，对照图片连接电路(1)额定工作点试验。用万用表检测电路在输入电压为IooV、负载电阻为50、固定占空比为0.5时的输出电压，并用示波器观察其波形。(2)负载特性试验。用万用表检测电路在输入电压为IooV、负载电阻为5O2OOC(每隔2030。测一次)、固定占空比为()5时的输出电压，并用示波器观察其波形。(3)输入特性试验。用万用表检测电路在输入电压为80120V(每隔IOV测一次)、负载电阻为50。、固定占空比为05时的电路输出电压，并用示波器观察其波形。(4)自行拟定试验方案，并根据试验方案设计试验步骤、试验记录表格等内容。(5)归纳总结试验结果，并记录电路的主要工作波形。(6)试验结束后整理器材并归位。【学生】分组、分工协作完成实训任务，各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表(详见教材)【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进行评价，填写考核评价表(详见教材)课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、单端电路1 .正激电路2 .反激电路二、双端电路1 .半桥电路2 .全桥电路3 .推挽电路【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1 .完成课后综合测阚相关内容。2 .完成"头脑风暴”的内容：请查找相关资料，了解在设计单端正激开关电源电路时,为什么要求谢频变压融须班磁芯能复酶要求。3 .翳APP金好习平相渔职雌【学生】完成课后任务