電力電子技術第3章 直流斬波器和開關電源

1、僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學電力電子技術PowerElectronics直流斬波器與直流開關電源僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學31.原理：當開關交替地通斷時，負載上就得到脈沖列Kio+其平均值(直流值)是：tUSRuoUO on USTUS-uoUstonTK1-T:斬波周期；:導通比。改變可改變輸出電壓的平均值。當負載中有電感時，必須增加開關ioK2+當K 閉合時K 斷開； 斷開時K 閉L1212US-uoK2R-僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學若斬波周期遠小于負載支路的時間常數(shù)，或L足夠大

2、, 則負載電流的波動就很小，可認為是直線。所以isiDiosUuoUO UisiDiosUuoUS ISUO IO POISUO IO/USIO斬波器有雙繞組變壓器的端口方程，斬波器是“直流變壓器”若負載支路中含有反電勢如電動機，當L足夠大，只要輸出電壓平均值VO大于E，io仍然為直線，波形不變。斬波電路輸入電流is不連續(xù)對電網(wǎng)不利。需要增設輸入濾波器，如下圖。這時電網(wǎng)提供原is中的直流分 量，原is中的交流分量由電容提供。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學斬波器的控制方式斬波器的控制方式和斬波周期。斬波器也可根據(jù)其負載電壓與電流的關系分為單象限、兩象限、四象限斬

3、波器斬波器的分類降壓斬波器升壓斬波器K1io+L+sLUS-CsDRuo-T+uT+uL-+US+uD-LD+M Uo-uDUsuLUs-UoiL-UoiTiD-2降壓斬波器T閉合D截止，電流經(jīng)開關T和電感L流向負載。uD=US；uL=Us-Uo T截止D導通續(xù)流uD=0；uL=-Uo. 設負載電壓不變，不計電阻。tiL 0 uLdt不論開關通、斷時電感L兩端電壓均為常數(shù)，所以，電感電流將按直線方程規(guī)律變化。根據(jù)電路基本公理,在周期性穩(wěn)態(tài)電路中電感兩端的平均直流電壓為零。即：T1T0T1uLdt 0周期性穩(wěn)態(tài)電路中電感無直流電壓于是1ton U)dtss)dt 0T有：T0TtonoUo to

4、n)Uo )tonUo ton U TUs由于ton0，輸出平均電壓Uo總大于US，它是升壓斬波器。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學iTiD-UoiTiD-UoUsuLiL-Uo+DL+uL-SUT+3.閉合儲能，其uL。開流動，將儲能交給負載。此時uL=-UoT有 1TUsdt Uodt 0T0UstonUotonton)t/TUo onUs Us1 ton/T1當1/2它是升壓斬波器。注意到輸出電壓的極性已經(jīng)改變。iLiiLiT iD+ME-TUS-ioLD+uL-T閉合負載電勢E加到電感L上，L儲能，iL 增大，同時D截止。T斷開iL 經(jīng)D流動，L放能。此

5、時io流出負載流入電網(wǎng)。若io流入負載為正(第1象限)，則流出為負(第2象限)。io流出代表電能由負載流向電網(wǎng)。這在再生制動時出現(xiàn)。由于該斬波器是一個升壓斬波器。即使E很小也能實現(xiàn)能量的逆向傳遞。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學+M+ME-+D2 vo-USCH2-oiLD1CH1+用一個第1象限斬波器(D與一個第器C21兩象限斬波器，它的電壓極性不變但電流是雙向的。斷CH2通。當為通信號時若為正，則CH1導通，vo為Us導 通，vo仍為Us同理當CH2為“通”信號時若io為正，則D2導通，電感將儲能交給負載E，vo=0，若io為負，則CH2導通，vo 仍為Us

6、，E為L提供能量。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學CH1offCH1onCH1offCH1onCH2onCH2onCH2offUo ton U TUsvo調節(jié)導通比就可調節(jié)輸出電壓U 。voOD2CH1isD2CH1io當負載電流IOD2CH1isD2CH1ioio為零時，ioisCH2D1時波形正負相等，電網(wǎng)與負載間交換的總能量為零。為過渡狀態(tài)。當負載電流IOisCH2D1同樣不排除io中瞬時波形有正有負的情況，這取決于電路的參數(shù)CH1on1offCH1CH1onCH1offCH2offCH2onvoioCH1D2D1CH2isCH2offCH2onv流i 如

7、何變oo化輸出電壓都只與導通比 有 關 。 該電路適合作 電 力 牽 引，因為它不改變電樞電勢的極性ioisD1D12ioCH1D2iD1CH2isCH1D1要提醒注意的是，該電路也是逆變電路的基礎。2-CH2-CHvoD2+MLoUS-iD1CH1+斬波器中負載電流的方向不變，但負載電壓極性可以改變，vo可以為正，也可為負經(jīng)D1經(jīng)D1D2流動，vo 為負。電路中不出現(xiàn)斬波器與二極管同時導通續(xù)流，vo 為零情況。CH1與CH2均導通，電能由電網(wǎng)流向負載 。vo 為正。CH1與D1或CH2與D2導通構成續(xù)流回路，負載支路被短接，vo 為零。D1與D2均導通，電能由負載流向電網(wǎng)，vo 為負。幾種控

8、制方式：第一種CH1與CH2同步通斷。當CH1與CH2同時導通時vo 為正；同時關時電感電流iovoCH12offCHiovoCH12offCH12oniovoCH12offCH12onCH1與CHiovoCH12offCH12on僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學第二種CH1始終導通或關斷，控制CH2的通斷。iovoCH2offCH12on增大。當CH2iovoCH2offCH12onCH12offCH1off CH2on時voCH12offCH1off CH2on若負載中E反向時應讓CH1保持iovoCH2。CH2導通時， 導通為。第iovo僅內(nèi)部使用郭小舟老

9、師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學3D-3D-CH344ov+DCHUS-D2D1Z CH2CH1+它由兩個電流兩象限斬波器構成。為橋式結構當CH3導通CH2關斷時，CH1CH4、導通CH1CH2CH3組成了一個為負工作在由于電流兩象限斬波器輸出電壓與io的方向無關，所以可以分別控制兩個電流兩象限斬波器的輸出。負顯然U顯然UO可以連續(xù)地從正變到負。Uo 1Us2Us2sCHCH1CH1+CH2CH2US-+D1D2Mvo-US-DD21MM6.多相多重斬波器6.為降低電流的脈動量，減小紋波成分。大功率斬波電路中常采用多重多相技術。在一個控制周期中電源側的電流脈波數(shù)稱斬波電路的“相”

10、數(shù)； “重”數(shù)則指負載電流的脈波數(shù)。當斬波周期為T時，m個子斬波器其相位各延遲T/m。例如當2個相斬波器它們的導通比相同但相位上相差T/2，輸出端并聯(lián)后給負載供電稱2相2重斬波器。若它們輸出端各自給負載供電稱2相1重斬波器。-M1DSD2-M1DSD2V+US-CH2+CH1iC1 iC2iS iL2io有利于消除諧波。不僅在斬波器上，在其它電流脈動量大的大功率場合如脈沖整流器、四象限變流器和逆變器中，也經(jīng)常使用多相概念以降低脈動量，使系統(tǒng)有好的性能指標。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學-3GTO求，降低開關損耗及開關應力(電壓與電流沖擊)。T+uT-+uT-+

11、TLUS+uD-D+M Uo-uTIouSiTtpTt當uT=us時uD=0，D開始續(xù)流，T中電流逐漸減小，D中電流逐漸增大。當iT=0，iD=Io，關斷完成。關斷過程產(chǎn)生的關斷損耗如圖。若開關頻率是f，損耗為：Poff 1 (t2ts Io 1 2offs Io f為減小開關在關斷過程中的損耗，可在T兩端并聯(lián)電容C。它可以修改開關軌跡，降低T兩端的電壓上升率，減小開關應力和損耗。+u+uTDCRDCRIoivceTictpTt+TLUS+uD-D+M Uo-當關斷前與由+TLUS+uD-D+M Uo-當iT為零時，io全部從C中流過，直到電容上電壓為電源電壓時D的反壓才解除，開始續(xù)流。 為C

12、DRtptpTtciTvceiIo存儲的電量就是其CV積tI/ 2 CVorCt f IOfOcsfVcsf式中tf是下降時間，Vcsf是tf時的電容電壓。由于tf不確定，工程上多用經(jīng)驗公式計算C值。體系不同，開關不同，計算式也不同。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學實際開關的開通過程如圖。T開通前D在續(xù)流。T導通時內(nèi)阻不斷下降，電流不斷增大。但在其電流升到IO前D仍然導通，T兩端的電壓均為US。只有當二極管的電流為零，UT才下降到零。這樣產(chǎn)生開通損耗。+uT+uT-+TLUS+uD-D+M Uo-iTuTIotpTt若開關頻率是f，損耗為：on2rrrso2on

13、soP 1on2rrrso2onsof 1tUIf為減小開通過程中的損耗，可在T中串入電感L。它可以修改開關軌跡，降低T兩端的電流上升率，減小開關應力和損耗。+uT-+uT-RD+TLUS+uD-D+M Uo-L-UsuiLTuLtpTt工作原是：導通時電流增大，感產(chǎn)感應電，使變小。設線性變則uL線性大， i就是二曲線若較大，導后仍不大，這樣減小了通損。完全導通后全加到上直到i=。為防止關時損壞關，加入二管。串入一電阻了衰減流。為開通沖電-4在工程斬波要的負是直動機。波電的工程析主究電源負載的脈動況，此確定入輸?shù)臑V波（濾容與電-4假定電流連續(xù)，電感值有限。補充知識：從電路基本知識可知，電感電壓

14、與電流存在關系如下：uL Ldt或iL 1LuLdtiiL 1Ltud 1LL0ud 1LLt0ud i(0)LL1Lt0udL寫成積分形式：僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學若電感電壓為常數(shù)iL (t)(0) ULtLt0 (0) UL tL-UoiL-UoiLUs-UouLuDUs-+M Uo-DL+uD-S+U+uL-TiL(t) (0) UL t L對圖示降壓斬波器開關導通時電感上的電壓uL=US-UO為常數(shù)。電流由初值開始增大。經(jīng)過時間Tton后電感電流的值是：UU(1iLSO LS TL由于也可表示為輸出電壓/輸入電壓，物理意義是輸入電壓US不變，在調

15、節(jié)以調節(jié)輸出電壓的過程中電感電流的增量iL與的關系。上式改寫為iL (1S L USTL(1UOUS)UOUS可見US不變時iL與UO有關。顯然電感電流增量iL最大值發(fā)生在0.5時iL max US T4L若將US用UO來表示則物理意義是：iL UO/ UO T L (1 )UO L當U，；當U增大由于斬波器是要調輸出電壓，故只討論第一種情況定義電脈動數(shù)0LI即：IOK 0.5i/ (1S TOLO2ILO當電流脈動系數(shù)K為已知時確定回路中電感L的值：L (1S T2IO K當采用PWM控制方式，并且在0.5時LUST8IO K所需要加入的平波電感（應減去電路中已有的電感） L 僅內(nèi)部使用郭小

16、舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學輸入濾波器的設計：因為電源輸入電流可展開為：is IS 0n12Isnsin(ntn )Is的直流分量Is0由電源提供，諧波電流主要由電容on提供。諧波等效電路如圖。由分流定理：onisnioniXC /I1/ILicnCLicnCLXC /n1/onIonn22LC1n2(IonLCch2/f )1LCch2式中LC的諧振頻率是f1/電源側的諧波也可近似為isn(f/2)僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學降低電源側的諧波的措施有：增大斬波頻率；增大LC的值；減小負載電流中的紋波電流。LC設計時的一些條件（由此計算

17、LC的值） 1.避免諧振ff/fch=1/21/3。(1.21.5)US主要是直流串激電機的穩(wěn)定運行分析。過于專業(yè)，自學-5（）被等自這里介紹的主要是關斷晶閘管的方法。晶閘管的關斷條件：承受反壓或電流為零。T1ucT1ucCDLT1CDLT1CT2DLM電路如圖。設電容上的初始電壓是上正下負。其值為電源電壓值。工作過程是：T1導通使T1LD放電產(chǎn) 時導通上，T1斷。2Ud僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師T1T1T2tonucicvovT1toDR續(xù)流累。時DR反壓解T2CDLT2CDLT1T2重要數(shù)據(jù)：主管反壓時間Cto。to CUS / IoDLMt 與I 有關，這是它的缺o點。O西

18、南交通大學僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學輸出電壓VV ton2to ton/ Io VLCOoTsTsLCton min / IoLCOiLCV tonmin V/ Io VominTsTs其它參數(shù)都可從電路及波形圖中計算出來。電路如圖。設電容上的初始電壓是上正下負。工作過程是：ucic voD1T1D2TD1T1D2T2CuLcoD1T1D2T2CuLcoD1T1D2T2CLtonto.D1T1D2TD1T1D2T2MD1T1D2MD1T1D2MT1D2MD1D2T1T2CucoLM容倒向。導通，T1反壓續(xù)流波形圖如圖所示。重要的數(shù)據(jù)仍是主管反壓時間。在圖中

19、可看出to與ic峰值、負載電流之間的關系。僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學LCLC一些主要的計算式LCLC振蕩周期T 振蕩頻率 1/CLCLuc (t)UCOcostic (t) UCOsint反壓時間to LC2sin1(IO)LCULC電容電壓終值UCOUsCOLCILC其它量的計算式可根據(jù)概念與波形推導出來。習題與作業(yè)P156：4,6，7,8，9,10習題與作業(yè)P156：4,6，7,8，9,10例116.D電機常解恒轉矩調速時，電樞電流不變根據(jù)當電源電壓全部加到電機上，即1時Ea Cenn Ud Ia R12020 2200rpmCeCe0.05a。所以

20、Ia R/Ud10/1201/12恒轉矩調速范圍：02200轉/分調節(jié)范圍：1/121僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師例205 totf=0，=.，恒定。求繪出、i、平均值。解：電電流續(xù)TU ton ton+S)S+L+ouUoOTSttonoffUSDD-IO UO / R 125/ 50(uLUs-UoUU125-UiLSO ton L2.5 0.420(iLoIL IOIL/ 26()iSiCIL IOIL/ 240(西南交通大學僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學iSiC-UoiLUs-UouL例3.H,U00iSiC-UoiLUs-UouL解：電感

21、電流連續(xù) UO/US50/2500.2ton 0.20.10.02msIO UO/ R 50/2.520(iL USUOLton 200 2.51.6(ILmax IOIL/ 220.8(ILmin IOIL/ 2 19.2(P U O/ R USIOton /)iC-(Uo-Us)iLsUuL例升壓斬電路，US100V，R50to8，tf=0。繪出、iiC-(Uo-Us)iLsUuL ton/(tontoff) 0.8UO US1 )P U O/ R )例 5 電 壓 換 相 斬 波 電 路 ，US220V，C 15uF,L=400uH，負載電流IO=20A。斬波頻率250Hz。計算電容峰值

22、電流，主管反壓時間，最小輸出電壓， 最大輸出電流（主管關斷時間40us)C /LC /L15/ 400iCmac 220 42.6(to CVS/ Io 22015/ 165(s)LC最小壓LC tonmin V/ Io Vo minTLCfVs (LCT/ Ios )要可靠工作，反壓時間必須大于其關斷時間：to CVS/ IotqIo / 22015/ 82.5(LC例 6 電 流 換 相 斬 波 電 路 ，US220V，C 15uF,L=400uH，負載電流IO=20A。斬波頻率250Hz。LCC /C /L15/ 400UCOUsIo )LCiLC 62.6(to LC2sin1(IOU

23、) 193(s)CO僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學-6與斬波電路的原理相同。都是開關型直直變換電路。UO ton U TUSTTioio+LUS-D1Ruo-US-+MVo-通過調節(jié)占空比來調節(jié)（穩(wěn)定）輸出電壓。在斬波電路中嵌入一個高頻變壓器，用它實現(xiàn)電壓的變換和輸入輸出的隔離，就構成了開關電源電路量。二個電路是完全相同的。這構成了另大類開關量。二個電路是完全相同的。這構成了另大類開關 由。一般將開關T放在低電位端。斷開時同樣，對下圖的電路，嵌入的高頻變壓器也可以按異名端方式聯(lián)接：+TU+TUS+uL-DL-Uo+-+DUST+Uo-當開關合上，電感充電儲能，

24、開關斷開電感釋放能 電forward變換器backfly變換器is+US-T直流開關電源的基本結構分為isD1+isD1+D2US-TT閉合時D1通斷。至負載。 在T閉合時截止，變增大。斷開時導通， 所謂實際變壓器與理想變壓器的差別是：由于磁路的磁導率有限，當副邊開路時原邊也有電流流入，即有所謂的空載磁化電流。存在漏磁。Lm只考慮磁化電流時，變壓器的等效電路如圖。實際變壓器由理想變壓器與一個激磁電感Lm構成。當空載時（副邊開路）Lm中的電流即空載Lm僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學根據(jù)變壓器原理,磁化電感可以放在原邊也可放在副邊。根據(jù)實際的需要來決定。若還需要考

25、慮漏感的影響時變壓器的等效電路如圖。LL1L2LmL1eL1eL2eLmLm僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師西南交通大學西南交通大學3.單端正激開關電源的工作原理3.單端正激開關電源的工作原理+LmD1D2US+LmD1D2US-T當T斷開時Lm中的電流無法流動，必須給它提供流動的路徑。否則會擊穿開關T。m圖為單正激電源的+LDmS示意圖與上比多了US一個D和電源E。當T斷開時導通，L 中的電經(jīng)和+mET電源流。-II US TuLmmL開關斷開時，Lm上的電壓為U-S。（Im）的電流為：iLmI1Ii ImmE US LS0tonT+Lm+LmD1D2US-+E-T開關導通時Lm上的

26、電壓為US （）：U S LU在=o時，為了使。否則（）。磁通復位：磁通（磁化電流）的終值回復到初值的過程。這是正激變換器的最主要的問題。磁通復位的條件：磁通（磁化電流）的增量為零。US tLonE USLtoffUSton (EUS)toffUST (EUS )(TT)E 1U1Si越大僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師若E不變，就必須限制，否則就不能實現(xiàn)磁通復+Lm+LmD1D2US-T+LmD1D2US-+VC-T變壓器第三繞組復位法。當T導通時，復位繞組不起作用。T斷開時， im耦合到復位繞組，D導通。同時給磁化電感加反壓。外加復位電源復位的方法中，用電容來實現(xiàn)復位電源。當T斷開時D導通im給電容充電。若C較大，VC變化不顯著。（C會經(jīng)R放電）西南交通大學僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師4.單端反激開關電源的工作原理4.單端反激開關電源的工作原理工作原理：當開關導通時Lm儲能。T斷開時Lm放能D+L+LmDUS-T當磁化流不續(xù)時：I1PVStton VS TL1u1Ui2 I2si1-NUoTI2P I1P1NN2Ni2T西南交通大學僅內(nèi)部使用郭小舟老師僅內(nèi)部使用郭小舟老師導通時電感儲能W 1 L2I211PIW12V2輸