第四章直流斩波器（ DC-DC 变换器）

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 • 调磁北方交通大学电气工程系

直流斩波器的应用： • 直流电机调速 • 直流电压变换（开关电源） • 直流电压隔离北方交通大学电气工程系

直流斩波器的分类： • 根据输入、输出电压大小 • 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 • 四象限北方交通大学电气工程系

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： • 斩波器的换流电路北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

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 : 北方交通大学电气工程系

ton < t < T: 北方交通大学电气工程系

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 • 调频调宽混合控制北方交通大学电气工程系

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北方交通大学电气工程系

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 上升当 Uf > Ur 时，减小ton ， U0 下降 • 特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢北方交通大学电气工程系

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 ：输入滤波电路北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

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 北方交通大学电气工程系

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 。 • 再生状态： CH1始终关断， CH2、D2交替导通， ULD < Em，iA < 0 。 • ULD > 0，iA可正可负，位于第一、二象限 • 能量双向流动北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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。 • CH2、D2＋ CH3、D3＝B型两象限斩波器（左右翻转） iA < 0，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。 • 多种控制方法北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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 • 采用谐振型电路北方交通大学电气工程系

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 关断北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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： t0 > tq 北方交通大学电气工程系

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

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。北方交通大学电气工程系

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 。北方交通大学电气工程系

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。北方交通大学电气工程系

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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 。北方交通大学电气工程系

换流电路参数选择： 北方交通大学电气工程系

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）北方交通大学电气工程系

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

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。北方交通大学电气工程系

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：北方交通大学电气工程系

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）北方交通大学电气工程系

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）北方交通大学电气工程系

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，脉动率减小北方交通大学电气工程系

第四章 直流斩波器 （ DC-DC 变换器 ）