53直流斩波

斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-1第四章直流斩波器（DC-DC变换器）•电力电子电路的四种基本形式：AC－DC、DC－AC、DC－DC、AC－AC•直流斩波器的作用：–直流电压的变换（调压）–调阻–调磁斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-2•直流斩波器的应用：–直流电机调速–直流电压变换（开关电源）–直流电压隔离斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-3•直流斩波器的分类：–根据输入、输出电压大小•降压型U0UiBuck型•升压型U0UiBoost型•升－降压型Buck-Boost型Cuk型–根据电压、电流方向•第一象限U00,I00•第二象限U00,I00•两象限•四象限斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-4•本章主要内容：–了解直流斩波器的工作原理及控制方式，掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电路参数计算，一般了解各种换流电路。掌握多相多重型斩波电路、多象限斩波电路。•重点：–掌握各种斩波电路的波形分析及工作原理•难点：–斩波器的换流电路斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-5第一节直流斩波器的工作原理•S－－斩波开关D－－续流二极管•S闭合：uLD=USS断开：uLD=0斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-6•负载电压平均值：•斩波开关导通比（占空比）：•01，0ULDUS•0tton:SSonLDUUTtUTtonmLDAALDSERidtdiLUtLRAtLRLDmSALDLDLDLDeIeREUimin)1(斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-7•tontT:''max)1(tLRAtLRLDmALDLDLDLDeIeREimLDAALDERidtdiL0斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-8直流斩波器的控制方式••基本控制方式：调节ton/T–定频调宽控制（PWM）T不变，调节ton–定宽调频控制（PFM）•ton不变，调节T•toff不变，调节ton和T–调频调宽混合控制SonLDUTtU斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-9•反馈控制方式：–瞬时值控制（边带控制、bang-bang控制）•当iImin时，S开通当iImax时，S关断•特点：输出电流(电压)纹波恒定响应速度快开关频率变化较大斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-10–平均值控制•电压反馈控制或电流反馈控制•当UfUr时，增加ton，U0上升当UfUr时，减小ton，U0下降•特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-11第二节斩波器基本电路一、降压斩波器•CH导通：uLD＝US，iA上升CH关断：D导通，uLD＝0，iA下降•ULD＝US•1，ULDUS•LF、CF：输入滤波电路斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-12二、升压斩波器•CH导通，D截止：uCH＝0，iS上升，LF充电•CH关断，D导通：uCH＝UC，iS下降，LF放电•US＝UCH,UC＝ULD•1，ULDUSCConCHUUTtTU)1(SLDUU11斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-13三、第二象限斩波器•ULD0，iA0•能量从负载流向电源•电机再生制动，ULDEm•ULD＝UCH,UC＝US•01，ULDUSCCHUU)1(SLDUU)1(斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-14四、A型两象限斩波器•电动状态：CH2始终关断，CH1、D1交替导通，ULDEm，iA0。•再生状态：CH1始终关断，CH2、D2交替导通，ULDEm，iA0。•ULD0，iA可正可负，位于第一、二象限•能量双向流动斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-15五、B型两象限斩波器•电动状态：CH2始终导通，D2始终截止，CH1、D1交替导通，与降压斩波器相同，ULDEm0，iA0。•再生状态：CH1始终关断，D1始终导通，CH2、D2交替导通，类似于第二象限斩波器ULD0，Em0，[ULD][Em]，iA0。•iA0，ULD可正可负，位于第一、四象限。•其他控制方式：CH1、CH2同时导通或交替导通。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-16六、四象限斩波器•CH1、D1＋CH4、D4＝B型两象限斩波器iA0，ULD可正可负，位于第一、四象限。•CH2、D2＋CH3、D3＝B型两象限斩波器（左右翻转）iA0，ULD可正可负，位于第二、三象限。•组合后IA、ULD极性均可变，电机可四象限运行。•多种控制方法斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-17六种基本电路总结•除第二种（升压斩波器）外，其余均为降压斩波器。•降压斩波器的输出电压波形为脉冲列，脉冲幅值等于输入电压，因此输出小于输入。•输出电压、电流的方向与斩波开关的位置和方向有关。•多象限斩波器是由多个单象限斩波器组成，分别承担各自象限内的电压和电流。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-18六种基本电路总结（续）•斩波器的负载可以是直流电动机，也可以是其他负载。•电动机负载在电动状态时ULDEm，在再生状态时，ULDEm。•在非电动机负载时，为使输出电压恒定，也需要平波电抗器Ld。•输入滤波电路的作用：减小输入电流谐波含量。输出滤波电路的作用：减小输出电压谐波含量。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-19第三节采用全控型器件的斩波电路•GTO斩波器–ig0，GTO导通，ig0，GTO关断。–L、C：缓冲吸收电路。–L：限制GTO导通时的电流上升率，减小开通损耗。–C：限制GTO关断时的电压上升率，减小关断损耗，降低关断过电压。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-20•GTO开通、关断过程波形图•全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT•实际开关器件：存在开通、关断过程，电压、电流有重叠区域，产生开关损耗。•减小开关损耗的方法：–采用缓冲吸收电路–采用谐振型电路斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-21第四节采用半控型器件的斩波电路•晶闸管－－半控型器件–导通条件：•uT0且ig0–关断条件：•uT0或iT0•换流方法：–电压换流：uT0关断–电流换流：iT0关断斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-22一、电压换流型斩波器工作过程：•T2导通，Cc预充电，uc=US。•T1导通，斩波器开始工作，同时Cc经T1、Lc、D1放电，Cc、Lc谐振，直到iLC0，D1截止，此时uc=–US。•需要关断T1时，首先触发T2，因uT=uc0，T1受反压关断。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-23•T2持续导通，为Cc充电，直到uc=US，一个周期结束。换流实质：•T1反压关断阶段•Cc预充电阶段–正向预充电–LC谐振反向充电换流条件：t0tq斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-24•换流电容Cc的确定：，，•换流电感Lc的确定：，，，，dtdvCi022tUCtvCISCCAmin0SAmCUtICCCCCSCCCCCCLtLCUtLUisinsin0CmCCSILCU2）（CmSCCIUCLminminmin2TUUtIUCCLSLDonASCCCCAmSCCCmSCCTTIUCLIUC222min221.0）（）（斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-25二、电流换流型斩波器换流实质：LC谐振电流反向流入主晶闸管，使其电流逐渐减小，直至iT0关断。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-26工作过程：•图(b)－T1正常导通阶段：T1导通，iT1=IA，换流电路不工作，CC已预充电为uc=UC0。•图(c)－换流预备阶段：T2导通，L、C产生谐振，iC反向时T2关断，uc=–UC0。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-27•图(d)－正式换流阶段：因T1导通，L、C反向继续谐振，iT1＋iC=IA，iC上升，iT1减小，直至iT10时T1关断。•图(e)－施加反压阶段：iC继续上升，D1导通，iD1＝iC–IA，T1承受反压，直至D1过零关断。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-28斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-29•图(f)－换流结束阶段：IA为CC恒流充电，当uCUS时，D导通，iC＋iD=IA，LC谐振使iC下降、uC上升，直到iC=0，uC=UC0，换流结束。•图(g)－D正常续流阶段：T1及其换流电路均不导通，iD=IA。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-30•换流电路参数选择：tLCUiCCCCCsin0qCtttTt)(22340AmCmII2SCUU0斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-31第五节斩波器的电路分析•输出滤波电路（Ld）的作用：–减小输出电压、电流谐波含量。（减小纹波、脉动系数）斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-32•输出滤波参数对电路的影响：•当=0.5时，IA=IAmaxTLUIILDSAA)1(22min_TILUIIKALDSAA)1(25.0SmSALDUEUdtdiL)1(TLUILDSA)1(斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-33•LLD增加，IA、IAmin、K减小。•T减小，即斩波频率f提高，IA、IAmin、K减小。•IA一定时，提高f可以减小所需Ld。•DC－DC变换器向高频化发展。斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-34•输入滤波电路（LF、CF）的作用：–减小输入电流谐波含量。•输入滤波参数对电路的影响：00CHSII11CHCLCLLSIZZZZZI12121141CHFFSICLfItfIIiCHCHCH1102sin2斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-35••减小IS1的方法：–增加滤波电感LF–增加滤波电容CF–提高斩波频率f1（高频化）12121141CHFFSICLfI斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-36第六节多相多重斩波电路•减小输入、输出脉动：–提高开关频率f–采用多相多重电路•多相－－从电源侧看多重－－从负载侧看•二相二重斩波器（图a）•二相一重斩波器（图b）斩波电路March30,2000北方交通大学电气工程系4-37•二相二重斩波器–CH1、CH2并联运行–触发脉冲互差T/2–iS、iA的脉动频率为2fCH•脉动频率提高，脉动率减小