第3章直流斩波器和开关电源

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西南交通大学§3-1直流斩波器的原理1.原理：当开关交替地通断时，负载上就得到脉冲列+uo-KRio+US-uoTtonUs其平均值(直流值)是：SSonOUUTtU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K2以便为电感电流提供流动路径。当K1闭合时K2断开；K1断开时K2闭合。实际电路中用二极管来代替K2+uo-K1Rio+US-K2L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,则负载电流的波动就很小，可认为是直线。所以uoUsioisiDSOUUOOOIUPOOOSSSPIUIUPOSOOSIUIUI/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。西南交通大学斩波器的控制方式1)保持斩波周期不变，改变导通时间。2)保持导通时间不变，改变斩波周期。3)同时改变导通时间和斩波周期。斩波器的分类1)降压斩波器:输出电压平均值总比电源电压低。2)升压斩波器:输出电压平均值总比电源电压高。3)降压升压斩波器输出电压平均值可以低于也可高于电源电压，与控制有关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、四象限斩波器+uo-K1Rio+US-DLLsCs西南交通大学§3-2基本的直流斩波器电路1.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-UoT截止D导通续流uD=0；uL=-Uo.设负载电压不变，不计电阻。+Uo-T+uL-+US-DL+uD-uDiLiTuLiDUs-Uo-UoUsM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：tLLdtui0西南交通大学由于tonT，输出平均电压Uo总小于US，称降压斩波器推导中用了电路公理。其结果与前面的推导相同在电路中负载是电机反电势。可证明用电阻与大电容并联也可模拟电机反电势类负载。这里电容使输出电压稳定，电阻模拟负载吸收的电能。onosonotUUtTU)()(ssonoUUTtU于是有：ontTtonoosdtUdtUUT00])()([1TLdtuT001周期性稳态电路中电感无直流电压西南交通大学2.升压斩波器T闭合D截止，L储能，uL=Us，电感电流线性增大。T断开D导通，电感电势与电源电压强迫电流流入负载。uL=-(Uo-Us)ontTtonsosdtUUdtUT00])([1))((onsoonstTUUtUssonoUUTtU11/11+Uo-T+uL-+US-DLiLiTuLiD-(Uo-Us)Us同样根据伏秒平衡规则：由于0，输出平均电压Uo总大于US，它是升压斩波器。西南交通大学3.降压--升压斩波器T闭合D截止，电感L储能，其电流线性增大。uL=Us。T断开D导通，电感电流经D流动，将储能交给负载。此时uL=-Uo。根据伏秒平衡原则，有-Uo+T+uL-+US-DLiLiTuLiD-UoUsontTtonosdtUdtUT00][1)(onoonstTUtUssononoUUTtTtU1/1/当1/2时它是降压斩波器。当1/2它是升压斩波器。注意到输出电压的极性已经改变。西南交通大学4.第二象限斩波器+E-T+uL-+US-DLiLiTioiDMT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。5.两象限斩波器与四象限斩波器西南交通大学1)电流两象限斩波器用一个第1象限斩波器(CH1D2)与一个第2象限斩波器(CH2D1)构成了电流两象限斩波器，它的电压极性不变但电流是双向的。+US-+E-LioMCH1CH2D1D2+vo-电路中CH1与CH2是互补控制的，即CH1通CH2断，CH1断CH2通。当CH1为“通”信号时若io为正，则CH1导通，vo为Us，电网给负载供电。若io为负，则D1导通，vo仍为Us，将负载电能送回电网。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，E为L提供能量。西南交通大学输出电压vo与负载电流的方向无关。这是它的要点。ssonoUUTtU调节导通比就可调节输出电压UO。当负载电流IO为正时，电能主要从电网流向负载，相当于牵引运行。但不排除io中瞬时波形有正有负的情况，这取决于电路的参数。当平均负载电流IO为零时，io中瞬时波形正负相等，电网与负载间交换的总能量为零。为过渡状态。当负载电流IO为负时，电能主要从负载流向电网，相当于再生运行。CH1onvoCH1offCH2offCH2onioCH1D2isCH2D1ioCH1D2is西南交通大学CH1onCH1offCH2offCH2onvoioCH1D2CH2D1is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无论输出电流io如何变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要提醒注意的是，该电路也是逆变电路的基础。CH1onCH1offCH2offCH2onvoioD1CH2isD1CH2isD2CH1ioD1D1CH1西南交通大学2)电压两象限斩波器+US-LioMCH1D1+vo-D2CH2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，也可为负三种可能的工作模式：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。西南交通大学CH12onCH12offvoioCH12onCH12offvoio当斩波器关断时io经直流侧流动很快衰减。当负载平均电压大于零时，平均功率由电网流向负载，io总是单方向的。如果负载电势能够反向，则CH1与CH2导通时电网与电势共同给电感储能，电感电流增大。关断时，二极管导通把能量反馈回电网。电感电流减小。为使系统稳定受控，电势E应当小于直流电源电压值。西南交通大学第二种CH1始终导通或关断，控制CH2的通断。CH12onCH2offvoio设负载中有等效直流反电势E。当CH12导通时，vo为Us。电流io增大。当CH2关断时，因CH1导通，io经CH1D1续流。vo为零。由于E的存在io将衰减。此时vo中没有负值出现。(第1象限)若负载中E反向时应让CH1保持关断而控制CH2。CH2导通时，io经CH2D2续流。vo为零。E为电感提供能量。当CH2关断时D2D4导通vo为-Us。io衰减。此时vo中没有正值出现。(第4象限)CH1offCH2onCH12offvoio西南交通大学3)四象限斩波器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，+US-ZCH1CH4D1D4+vo-CH2D2CH3D3CH1CH4组成了一个vo为正工作在1、2象限的两象限斩波器。同样，当CH4导通CH1关断时，CH2CH3组成了一个vo为负工作在3、4象限的两象限斩波器。所以，它可以在四象工作。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。负载电压sssoUUUU)(2121显然UO可以连续地从正变到负。西南交通大学6.多相多重斩波器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”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。+US-MCH1D1+vo-D2CH2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。+US-MCH1D1D2CH2M西南交通大学从电网和负载上看，这样处理提高了脉动频率降低了脉动量。有助于减小滤波器重量和有利于消除谐波。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。若它们输出端各自给负载供电称2相1重斩波器。+US-MCH1D1D2CH2+VS-若它们各自由一个电源供电输出端并联称1相2重斩波器iL1iL2iC1iC2iSio西南交通大学§3-3采用全控高速开关的斩波电路全控型高速开关主要指门极关断晶闸管GTO，大功率三极管GTR和绝缘栅极双极性三极管IGBT。它们在一定程度上近似于理想开关，但这些实际开关对开关损耗和在开关过程中电压与电流的变化规律却有严格的限制与要求。否则不能保证器件在开关过程中的安全。本节的主要任务是研究如何适应实际开关元件的要求，降低开关损耗及开关应力(电压与电流冲击)。1)关断损耗与关断缓冲电路实际开关的关断过程如图。当开关关断时，只有当二极管两端的电压为零它才可以导通续流。在D导通前电流只能通过T流动。所以当T关断时，T的内阻不断加大，压降不断增高，而电流不变。西南交通大学+Uo-T+uT-+US-DL+uD-M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：fIUtfIUttPosoffosfsoff21)(21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。uSiTttIopTuT西南交通大学+Uo-T+US-DL+uD-M+uT-DRCvceiTttIopTic当T关断前C上电压为零。关断时当T的内阻加大、两端电压增高时，由于C与T并联，原流过T的大部分电流改由C流过。T两端的电压为电容电压，它是电容电流的积分。若C较大，在开关关断期间电容电压可以很小。这样降低了T的开关损耗。同时改变了T两端的电压上升率，减小开关应力，这对GTO是非常重要的。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。西南交通大学为防止当开关导通时电容的放电电流过大损坏开关，必须串入一个电阻。为消除电阻对电容充电的影响，再加入二极管使电阻只在C放电时有作用。CDR称为关断缓冲电路。vceiTttIopTic参数的确定：电流下降时电容存储的电量就是其CV积csfOfcsfOfVItCVItCor2/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。2)开通损耗与开通缓冲电路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。+Uo-T+uT-+US-DL+uD-MuTiTttIopT若开关频率是f，损耗为：fIUtfIUttPosonosrrron21)(21西南交通大学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