电力电子技术第3章 直流斩波器和开关电源

1、仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学电力电子技术PowerElectronics直流斩波器与直流开关电源仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学31.原理：当开关交替地通断时，负载上就得到脉冲列Kio+其平均值(直流值)是：tUSRuoUO on USTUS-uoUstonTK1-T:斩波周期；:导通比。改变可改变输出电压的平均值。当负载中有电感时，必须增加开关ioK2+当K 闭合时K 断开； 断开时K 闭L1212US-uoK2R-仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学若斩波周期远小于负载支路的时间常数，或L足够大

2、, 则负载电流的波动就很小，可认为是直线。所以isiDiosUuoUO UisiDiosUuoUS ISUO IO POISUO IO/USIO斩波器有双绕组变压器的端口方程，斩波器是“直流变压器”若负载支路中含有反电势如电动机，当L足够大，只要输出电压平均值VO大于E，io仍然为直线，波形不变。斩波电路输入电流is不连续对电网不利。需要增设输入滤波器，如下图。这时电网提供原is中的直流分 量，原is中的交流分量由电容提供。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学斩波器的控制方式斩波器的控制方式和斩波周期。斩波器也可根据其负载电压与电流的关系分为单象限、两象限、四象限斩

3、波器斩波器的分类降压斩波器升压斩波器K1io+L+sLUS-CsDRuo-T+uT+uL-+US+uD-LD+M Uo-uDUsuLUs-UoiL-UoiTiD-2降压斩波器T闭合D截止，电流经开关T和电感L流向负载。uD=US；uL=Us-Uo T截止D导通续流uD=0；uL=-Uo. 设负载电压不变，不计电阻。tiL 0 uLdt不论开关通、断时电感L两端电压均为常数，所以，电感电流将按直线方程规律变化。根据电路基本公理,在周期性稳态电路中电感两端的平均直流电压为零。即：T1T0T1uLdt 0周期性稳态电路中电感无直流电压于是1ton U)dtss)dt 0T有：T0TtonoUo to

4、n)Uo )tonUo ton U TUs由于ton0，输出平均电压Uo总大于US，它是升压斩波器。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学iTiD-UoiTiD-UoUsuLiL-Uo+DL+uL-SUT+3.闭合储能，其uL。开流动，将储能交给负载。此时uL=-UoT有 1TUsdt Uodt 0T0UstonUotonton)t/TUo onUs Us1 ton/T1当1/2它是升压斩波器。注意到输出电压的极性已经改变。iLiiLiT iD+ME-TUS-ioLD+uL-T闭合负载电势E加到电感L上，L储能，iL 增大，同时D截止。T断开iL 经D流动，L放能。此

5、时io流出负载流入电网。若io流入负载为正(第1象限)，则流出为负(第2象限)。io流出代表电能由负载流向电网。这在再生制动时出现。由于该斩波器是一个升压斩波器。即使E很小也能实现能量的逆向传递。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学+M+ME-+D2 vo-USCH2-oiLD1CH1+用一个第1象限斩波器(D与一个第器C21两象限斩波器，它的电压极性不变但电流是双向的。断CH2通。当为通信号时若为正，则CH1导通，vo为Us导 通，vo仍为Us同理当CH2为“通”信号时若io为正，则D2导通，电感将储能交给负载E，vo=0，若io为负，则CH2导通，vo 仍为Us

6、，E为L提供能量。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学CH1offCH1onCH1offCH1onCH2onCH2onCH2offUo ton U TUsvo调节导通比就可调节输出电压U 。voOD2CH1isD2CH1io当负载电流IOD2CH1isD2CH1ioio为零时，ioisCH2D1时波形正负相等，电网与负载间交换的总能量为零。为过渡状态。当负载电流IOisCH2D1同样不排除io中瞬时波形有正有负的情况，这取决于电路的参数CH1on1offCH1CH1onCH1offCH2offCH2onvoioCH1D2D1CH2isCH2offCH2onv流i 如

7、何变oo化输出电压都只与导通比 有 关 。 该电路适合作 电 力 牵 引，因为它不改变电枢电势的极性ioisD1D12ioCH1D2iD1CH2isCH1D1要提醒注意的是，该电路也是逆变电路的基础。2-CH2-CHvoD2+MLoUS-iD1CH1+斩波器中负载电流的方向不变，但负载电压极性可以改变，vo可以为正，也可为负经D1经D1D2流动，vo 为负。电路中不出现斩波器与二极管同时导通续流，vo 为零情况。CH1与CH2均导通，电能由电网流向负载 。vo 为正。CH1与D1或CH2与D2导通构成续流回路，负载支路被短接，vo 为零。D1与D2均导通，电能由负载流向电网，vo 为负。几种控

8、制方式：第一种CH1与CH2同步通断。当CH1与CH2同时导通时vo 为正；同时关时电感电流iovoCH12offCHiovoCH12offCH12oniovoCH12offCH12onCH1与CHiovoCH12offCH12on仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学第二种CH1始终导通或关断，控制CH2的通断。iovoCH2offCH12on增大。当CH2iovoCH2offCH12onCH12offCH1off CH2on时voCH12offCH1off CH2on若负载中E反向时应让CH1保持iovoCH2。CH2导通时， 导通为。第iovo仅内部使用郭小舟老

9、师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学3D-3D-CH344ov+DCHUS-D2D1Z CH2CH1+它由两个电流两象限斩波器构成。为桥式结构当CH3导通CH2关断时，CH1CH4、导通CH1CH2CH3组成了一个为负工作在由于电流两象限斩波器输出电压与io的方向无关，所以可以分别控制两个电流两象限斩波器的输出。负显然U显然UO可以连续地从正变到负。Uo 1Us2Us2sCHCH1CH1+CH2CH2US-+D1D2Mvo-US-DD21MM6.多相多重斩波器6.为降低电流的脉动量，减小纹波成分。大功率斩波电路中常采用多重多相技术。在一个控制周期中电源侧的电流脉波数称斩波电路的“相”

10、数； “重”数则指负载电流的脉波数。当斩波周期为T时，m个子斩波器其相位各延迟T/m。例如当2个相斩波器它们的导通比相同但相位上相差T/2，输出端并联后给负载供电称2相2重斩波器。若它们输出端各自给负载供电称2相1重斩波器。-M1DSD2-M1DSD2V+US-CH2+CH1iC1 iC2iS iL2io有利于消除谐波。不仅在斩波器上，在其它电流脉动量大的大功率场合如脉冲整流器、四象限变流器和逆变器中，也经常使用多相概念以降低脉动量，使系统有好的性能指标。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学-3GTO求，降低开关损耗及开关应力(电压与电流冲击)。T+uT-+uT-+

11、TLUS+uD-D+M Uo-uTIouSiTtpTt当uT=us时uD=0，D开始续流，T中电流逐渐减小，D中电流逐渐增大。当iT=0，iD=Io，关断完成。关断过程产生的关断损耗如图。若开关频率是f，损耗为：Poff 1 (t2ts Io 1 2offs Io f为减小开关在关断过程中的损耗，可在T两端并联电容C。它可以修改开关轨迹，降低T两端的电压上升率，减小开关应力和损耗。+u+uTDCRDCRIoivceTictpTt+TLUS+uD-D+M Uo-当关断前与由+TLUS+uD-D+M Uo-当iT为零时，io全部从C中流过，直到电容上电压为电源电压时D的反压才解除，开始续流。 为C

12、DRtptpTtciTvceiIo存储的电量就是其CV积tI/ 2 CVorCt f IOfOcsfVcsf式中tf是下降时间，Vcsf是tf时的电容电压。由于tf不确定，工程上多用经验公式计算C值。体系不同，开关不同，计算式也不同。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学实际开关的开通过程如图。T开通前D在续流。T导通时内阻不断下降，电流不断增大。但在其电流升到IO前D仍然导通，T两端的电压均为US。只有当二极管的电流为零，UT才下降到零。这样产生开通损耗。+uT+uT-+TLUS+uD-D+M Uo-iTuTIotpTt若开关频率是f，损耗为：on2rrrso2on

13、soP 1on2rrrso2onsof 1tUIf为减小开通过程中的损耗，可在T中串入电感L。它可以修改开关轨迹，降低T两端的电流上升率，减小开关应力和损耗。+uT-+uT-RD+TLUS+uD-D+M Uo-L-UsuiLTuLtpTt工作原是：导通时电流增大，感产感应电，使变小。设线性变则uL线性大， i就是二曲线若较大，导后仍不大，这样减小了通损。完全导通后全加到上直到i=。为防止关时损坏关，加入二管。串入一电阻了衰减流。为开通冲电-4在工程斩波要的负是直动机。波电的工程析主究电源负载的脉动况，此确定入输的滤波（滤容与电-4假定电流连续，电感值有限。补充知识：从电路基本知识可知，电感电压

14、与电流存在关系如下：uL Ldt或iL 1LuLdtiiL 1Ltud 1LL0ud 1LLt0ud i(0)LL1Lt0udL写成积分形式：仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学若电感电压为常数iL (t)(0) ULtLt0 (0) UL tL-UoiL-UoiLUs-UouLuDUs-+M Uo-DL+uD-S+U+uL-TiL(t) (0) UL t L对图示降压斩波器开关导通时电感上的电压uL=US-UO为常数。电流由初值开始增大。经过时间Tton后电感电流的值是：UU(1iLSO LS TL由于也可表示为输出电压/输入电压，物理意义是输入电压US不变，在调

15、节以调节输出电压的过程中电感电流的增量iL与的关系。上式改写为iL (1S L USTL(1UOUS)UOUS可见US不变时iL与UO有关。显然电感电流增量iL最大值发生在0.5时iL max US T4L若将US用UO来表示则物理意义是：iL UO/ UO T L (1 )UO L当U，；当U增大由于斩波器是要调输出电压，故只讨论第一种情况定义电脉动数0LI即：IOK 0.5i/ (1S TOLO2ILO当电流脉动系数K为已知时确定回路中电感L的值：L (1S T2IO K当采用PWM控制方式，并且在0.5时LUST8IO K所需要加入的平波电感（应减去电路中已有的电感） L 仅内部使用郭小

16、舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学输入滤波器的设计：因为电源输入电流可展开为：is IS 0n12Isnsin(ntn )Is的直流分量Is0由电源提供，谐波电流主要由电容on提供。谐波等效电路如图。由分流定理：onisnioniXC /I1/ILicnCLicnCLXC /n1/onIonn22LC1n2(IonLCch2/f )1LCch2式中LC的谐振频率是f1/电源侧的谐波也可近似为isn(f/2)仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学降低电源侧的谐波的措施有：增大斩波频率；增大LC的值；减小负载电流中的纹波电流。LC设计时的一些条件（由此计算

17、LC的值） 1.避免谐振ff/fch=1/21/3。(1.21.5)US主要是直流串激电机的稳定运行分析。过于专业，自学-5（）被等自这里介绍的主要是关断晶闸管的方法。晶闸管的关断条件：承受反压或电流为零。T1ucT1ucCDLT1CDLT1CT2DLM电路如图。设电容上的初始电压是上正下负。其值为电源电压值。工作过程是：T1导通使T1LD放电产 时导通上，T1断。2Ud仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师T1T1T2tonucicvovT1toDR续流累。时DR反压解T2CDLT2CDLT1T2重要数据：主管反压时间Cto。to CUS / IoDLMt 与I 有关，这是它的缺o点。O西

18、南交通大学仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学输出电压VV ton2to ton/ Io VLCOoTsTsLCton min / IoLCOiLCV tonmin V/ Io VominTsTs其它参数都可从电路及波形图中计算出来。电路如图。设电容上的初始电压是上正下负。工作过程是：ucic voD1T1D2TD1T1D2T2CuLcoD1T1D2T2CuLcoD1T1D2T2CLtonto.D1T1D2TD1T1D2T2MD1T1D2MD1T1D2MT1D2MD1D2T1T2CucoLM容倒向。导通，T1反压续流波形图如图所示。重要的数据仍是主管反压时间。在图中

19、可看出to与ic峰值、负载电流之间的关系。仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学LCLC一些主要的计算式LCLC振荡周期T 振荡频率 1/CLCLuc (t)UCOcostic (t) UCOsint反压时间to LC2sin1(IO)LCULC电容电压终值UCOUsCOLCILC其它量的计算式可根据概念与波形推导出来。习题与作业P156：4,6，7,8，9,10习题与作业P156：4,6，7,8，9,10例116.D电机常解恒转矩调速时，电枢电流不变根据当电源电压全部加到电机上，即1时Ea Cenn Ud Ia R12020 2200rpmCeCe0.05a。所以

20、Ia R/Ud10/1201/12恒转矩调速范围：02200转/分调节范围：1/121仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师例205 totf=0，=.，恒定。求绘出、i、平均值。解：电电流续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(西南交通大学仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学iSiC-UoiLUs-UouL例3.H,U00iSiC-UoiLUs-UouL解：电感

21、电流连续 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例升压斩电路，US100V，R50to8，tf=0。绘出、iiC-(Uo-Us)iLsUuL ton/(tontoff) 0.8UO US1 )P U O/ R )例 5 电 压 换 相 斩 波 电 路 ，US220V，C 15uF,L=400uH，负载电流IO=20A。斩波频率250Hz。计算电容峰值

22、电流，主管反压时间，最小输出电压， 最大输出电流（主管关断时间40us)C /LC /L15/ 400iCmac 220 42.6(to CVS/ Io 22015/ 165(s)LC最小压LC tonmin V/ Io Vo minTLCfVs (LCT/ Ios )要可靠工作，反压时间必须大于其关断时间：to CVS/ IotqIo / 22015/ 82.5(LC例 6 电 流 换 相 斩 波 电 路 ，US220V，C 15uF,L=400uH，负载电流IO=20A。斩波频率250Hz。LCC /C /L15/ 400UCOUsIo )LCiLC 62.6(to LC2sin1(IOU

23、) 193(s)CO仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学-6与斩波电路的原理相同。都是开关型直直变换电路。UO ton U TUSTTioio+LUS-D1Ruo-US-+MVo-通过调节占空比来调节（稳定）输出电压。在斩波电路中嵌入一个高频变压器，用它实现电压的变换和输入输出的隔离，就构成了开关电源电路量。二个电路是完全相同的。这构成了另大类开关量。二个电路是完全相同的。这构成了另大类开关 由。一般将开关T放在低电位端。断开时同样，对下图的电路，嵌入的高频变压器也可以按异名端方式联接：+TU+TUS+uL-DL-Uo+-+DUST+Uo-当开关合上，电感充电储能，

24、开关断开电感释放能 电forward变换器backfly变换器is+US-T直流开关电源的基本结构分为isD1+isD1+D2US-TT闭合时D1通断。至负载。 在T闭合时截止，变增大。断开时导通， 所谓实际变压器与理想变压器的差别是：由于磁路的磁导率有限，当副边开路时原边也有电流流入，即有所谓的空载磁化电流。存在漏磁。Lm只考虑磁化电流时，变压器的等效电路如图。实际变压器由理想变压器与一个激磁电感Lm构成。当空载时（副边开路）Lm中的电流即空载Lm仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学根据变压器原理,磁化电感可以放在原边也可放在副边。根据实际的需要来决定。若还需要考

25、虑漏感的影响时变压器的等效电路如图。LL1L2LmL1eL1eL2eLmLm仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师西南交通大学西南交通大学3.单端正激开关电源的工作原理3.单端正激开关电源的工作原理+LmD1D2US+LmD1D2US-T当T断开时Lm中的电流无法流动，必须给它提供流动的路径。否则会击穿开关T。m图为单正激电源的+LDmS示意图与上比多了US一个D和电源E。当T断开时导通，L 中的电经和+mET电源流。-II US TuLmmL开关断开时，Lm上的电压为U-S。（Im）的电流为：iLmI1Ii ImmE US LS0tonT+Lm+LmD1D2US-+E-T开关导通时Lm上的

26、电压为US （）：U S LU在=o时，为了使。否则（）。磁通复位：磁通（磁化电流）的终值回复到初值的过程。这是正激变换器的最主要的问题。磁通复位的条件：磁通（磁化电流）的增量为零。US tLonE USLtoffUSton (EUS)toffUST (EUS )(TT)E 1U1Si越大仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师若E不变，就必须限制，否则就不能实现磁通复+Lm+LmD1D2US-T+LmD1D2US-+VC-T变压器第三绕组复位法。当T导通时，复位绕组不起作用。T断开时， im耦合到复位绕组，D导通。同时给磁化电感加反压。外加复位电源复位的方法中，用电容来实现复位电源。当T断开时D导通im给电容充电。若C较大，VC变化不显著。（C会经R放电）西南交通大学仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师4.单端反激开关电源的工作原理4.单端反激开关电源的工作原理工作原理：当开关导通时Lm储能。T断开时Lm放能D+L+LmDUS-T当磁化流不续时：I1PVStton VS TL1u1Ui2 I2si1-NUoTI2P I1P1NN2Ni2T西南交通大学仅内部使用郭小舟老师仅内部使用郭小舟老师导通时电感储能W 1 L2I211PIW12V2输