第十一章直流脉宽调制(PWM)变换器-改

1、3-1直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。 电路种类基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 。3-2 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载 一、理想斩波器（降压斩波电路）一、理想斩波器（降压斩波电路）3-3工作原理工作原理b)电流连续时的波形降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻开关S闭合，电源US向负载供电，负载电压uo=US，负载电流id按指数曲线上升。t=t1时开关S断开 ，二极

2、管VD续流，负载电压ud近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 一、理想斩波器（降压斩波电路）一、理想斩波器（降压斩波电路）ttOOTUStontoffidi1i2IdminIdmaxt1ud3-4数量关系数量关系电流连续负载电压平均值：sssdUUTtUtttUonoffononton斩波开关导通的时间斩波开关导通的时间 toff斩波开关关断的时间斩波开关关断的时间 工作率（或称工作率（或称占空比）占空比）T斩波周期斩波周期 T=ton+toffttOOTUStontoffidi1i2IdminIdmaxt1ud3-5斩波电路三种控制方式T不变，变ton

3、 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用最多前面介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态3-6保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能 电路结构1) 升压斩波电路的基本原理3-7工作原理假设L值很大。开关S闭合时，电源US向电感L充电，电流恒定i。开关S断开时，电源US和电感L同时向负载提供能量。0id图 升压斩波电路及工组波形b) 波形tontoff0is3-8数量关系设开关S闭合时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设开关S断开时间为toff，则此期

4、间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：offItUsdUonItSUSSdUUoffoffoffontTtttU化简得： T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和的关系：因此，off/tT1bssdU11U1bUTtoffboffItUItonsdSUU3-9电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ： 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。dIUIdsU5-10换流换流电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管元件转移到另一个晶闸管元件的

5、过程，也称为换相或换向换相或换向。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。5-111) 电源换流（Line Commutation）电源提供换流电压的换流方式。将负的电源电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。2)负载换流（Load Commutation）3)强迫换流（Forced Commutation）5-12由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于

6、负载电压的场合，都可实现负载换流。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id 基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以ud接近正弦波接近正弦波。5-13设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流电容换流。IRRUISRC充电充电5-14换流时换流时 VT1和VT2都导通。IR使VT1承受反向电压而关断只有VT2导通。6-15PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制

7、，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。直流斩波电路直流斩波电路采用的就PWM技术6-16PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。6-171）重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出

8、响应波形基本相同图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)6-18b)图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u (t)电压窄脉冲，是电路的输入 。 i (t)输出电流，是电路的响应。 6-19OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out6-20Ou t若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一

9、个正弦半波Out6-21OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。6-22等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流 第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路OwtUd-UdUot6-232）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路

10、直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V图1-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路结构VDUs+UgCVTM+_E（a）电路原理图 M直流电源电压滤波电容器功率开关器件续流二极管这样的电路又称直流降压斩波器。1t0UgtonT在一个开关周期内，n当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端，id上升U, iidUsttonT0图11.3-1简单的不可逆PWM变换器-直流电-动机系统主电路结构VDUs+UgCVTM+_EVDUs+

11、UgCVTidM+_EM20UgtonT在一个开关周期内，n当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流， id下降。idU, iidUsttonT0ssondUUTtU U, iUdEidUsttonT0图1-10b 电压和电流波形0UgtonTUs+UgCVTidM+_EM2VD1电机两端得到的平均电压为ssondUUTtU输出电压方程 改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 = 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比， 电机两端得到的平均电压为M+-VD2VT2VT1VD1ECUs+

12、MVT2Ug2VT1Ug1图1-11a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器id_ 在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图所示的双管交替开关电路。有制动电流通路的不可逆 PWM-直流电动机系统 n一般电动状态 在一般电动状态中，id始终为正值。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：0 t ton期间ton t T 期间M+-VD2VT2VT1VD1E1CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonTn在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压

13、Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。id_M+_VD2VT2VT1VD1E2CUs+MVT2Ug2VT1Ug1实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。0Ug1tonT0Ug2tonTn在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。id_b）一般电动状态的电压、电流波形U, iUdEidUsttonT0图1-10b 电压和电流波形n输出波形： 一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图1-1

14、1b）完全一样。n制动状态 在制动状态中， id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止， VT2开始导通。M+_VD2VT2VT1VD1E4CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonT 制动状态的一个周期分为两个工作阶段：n在 0 t ton 期间，VT2 关断，id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住

15、 VT1 使它不能导通。 _idM+_VD2VT2VT1VD1E3CUs+MVT2Ug2VT1Ug10Ug1tonT0Ug2tonTn在 ton t T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。 id_U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOc）制动状态的电压电流波形M+_VD2VT2VT1VD1E3CMVT2Ug2VT1Ug1id_4在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图c。n轻载电动状态 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小

16、，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。 在 0 t ton 期间:第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；M+_VD2VD1ECMVT2Ug2VT1Ug13id_4210Ug1tonT0Ug2tonT在 ton t T 期间: 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： 在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态； 在2、3阶段，

17、电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。 因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图1-11d。d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U, iUdEidUsttonT041 23O电路之所以为不可逆是因为平均电压电路之所以为不可逆是因为平均电压 Ud始终大于零，始终大于零，电流能够反向，而电压和转速不可反向。电流能够反向，而电压和转速不可反向。表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-12所示。 这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制

18、方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。两个不可逆PWM电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。+UsUg4M+-VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT3ABMUg3VT4图1-12 桥式可逆PWM变换器 使VT4保持通时，电路向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 使VT2保持通时，VT3、VD3和VT4、VD4等效为又一组不可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。1+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT

19、3Ug3VT4Ug4（1）正向运行：n第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；0Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonTidid+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT2（1）正向运行：n第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1

20、 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ；-id+_M+UsUg4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT（2）反向运行：n第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；4+_M+UsUg

21、4Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug40Ug1tonT0Ug2tonT0Ug4tonT0Ug3tonT（2）反向运行：n第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；3-idU, iUdEid+UsttonT0-UsOb) 正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOc) 反向电动运行波形sonsonsond) 12(UTtUTtTUTt

22、U 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（1-19） 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 （1-20）注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。 调速时， 的可调范围为01， 1 0.5时， 为正，电机正转；n当 0.5时， 为负，电机反转；n当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。 = 2 1 这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。U, iUd+UsttonT0-UsO

23、Ud=0,电机停止.但U0，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的ton=T/2 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 6-5511. 变更斩波器工作率的最常用一种方法是( B ) A. 既改变斩波周期，又改变开关关断时间 B. 保持斩波周期不变，改变开关导通时间 C. 保持开关导通时间不变，改变斩波周期 D. 保持开关断开时间不变，改变斩波周期6-5629（4分）如图所示斩波电路，直流电源电压E=100V，斩波频率f=1kHz。若要求输出电压ud的平均值=25V75V可调，试计算斩波器V的工作率的变化范围以及相应的斩波器V的导通时间ton的变化范围。6-5715直流脉宽调制变换器，变更工作率的方法是（ ）A. f不变，ton不变B. f不变，ton变 C. f变，ton不变 D. f变，ton变6-5836题3