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

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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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

3 直流斩波器的分类： 根据输入、输出电压大小 根据电压、电流方向 降压型 U0 < Ui Buck 型
升压型 U0 > Ui Boost 型 升－降压型 Buck-Boost 型 Cuk 型 根据电压、电流方向 第一象限 U0 > 0 , I0 > 0 第二象限 U0 > 0 , I0 < 0 两象限 四象限 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 = US S断开： uLD = 0
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 = US S断开： uLD = 0 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

6 0 <  < 1 ，0 < ULD < US 0 < t < ton :
负载电压平均值： 斩波开关导通比（占空比）： 0 <  < 1 ，0 < ULD < US 0 < t < ton : March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

7 ton < t < T : March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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） 定宽调频控制（PFM） 调频调宽混合控制
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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

9 瞬时值控制（边带控制、bang-bang控制）
反馈控制方式： 瞬时值控制（边带控制、bang-bang控制） 当 i < Imin时，S 开通 当 i > Imax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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

10 平均值控制 电压反馈控制或电流反馈控制 当 Uf < Ur 时，增加 ton ，U0 上升
特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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
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 ，ULD < US LF 、CF ：输入滤波电路 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 ，ULD > US March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

13 三、第二象限斩波器 ULD > 0 ， iA < 0 能量从负载流向电源 电机再生制动， ULD < Em
ULD＝ UCH , UC＝ US 0 <  < 1 ，ULD < US March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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， ULD > Em ，iA > 0 。
ULD > 0，iA可正可负， 位于第一、二象限 能量双向流动 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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，
ULD > Em > 0，iA > 0 。 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 ULD < 0，Em < 0，[ULD]<[Em]，iA > 0 。 iA > 0，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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

16 六、四象限斩波器 CH1、D1＋ CH4、D4＝B型两象限斩波器 iA > 0，ULD可正可负，位于第一、四象限。
多种控制方法 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

17 除第二种（升压斩波器）外，其余均为降压斩波器。
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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 ULD > Em ，在再生状态时，ULD < Em 。 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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

19 第三节 采用全控型器件的斩波电路 GTO斩波器 ig > 0 ，GTO导通， ig < 0 ，GTO关断。
第三节 采用全控型器件的斩波电路 GTO斩波器 ig > 0 ，GTO导通， ig < 0 ，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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

20 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 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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： 关断条件： 换流方法： 电压换流： uT < 0 关断
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： uT > 0 且 ig > 0 关断条件： uT < 0 或 iT < 0 换流方法： 电压换流： uT < 0 关断 电流换流： iT < 0 关断 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 iLC < 0，D1截止，此时uc = – US 。 需要关断T1时，首先触发T2，因 uT = uc < 0， T1受反压关断。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

23 换流实质： 换流条件： t0 > tq T2持续导通，为Cc充电，直 到uc =US ，一个周期结束。 T1反压关断阶段
正向预充电 LC谐振反向充电 换流条件： t0 > tq March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

24 换流电容 Cc的确定： ， ， 换流电感 Lc 的确定： ， ， ， March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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 iT < 0 关断。
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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 。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

27 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。
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 iT1 < 0 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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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29 图(g) － D 正常续流阶段：T1及其换流电路均不导通，iD = IA 。
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 。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

30 换流电路参数选择： March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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） March 30, 2000
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） March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

32 输出滤波参数对电路的影响： 当 =0.5 时，IA =  IAmax March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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。 March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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： March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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） March 30, 2000
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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
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） March 30, 2000 北方交通大学电气工程系

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2 fCH 脉动频率提高，脉动率减小
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