第十一章 直流脉宽调制(PWM)变换器-改

+ US –
b）换流时
只有VT2导通。
+ US –
c）VT2导通时
R IR
VT1
– + C
R1 VT2
R
+
– C
R1 VT2
VT1
使VT1承受反向电压而关断
5-14
第三节 不可逆输出PWM变换器 引言
PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。
U 化简得： d ton tof f tof f US T tof f US
T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。 。 T / toff ——升压比；升压比的倒数记作b ，即 b T b和的关系： b 1 因此， 1 U Ud s
b
1 1 Us
这样的电路又称直流降压斩波器。
工作原理
在一个开关周期内， 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
Ug
0
ton T t
V T
Ug
1
E _ + M
C
+ Us _
U, i
Us id
VD
0 ton T
t
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
制动状态的一个周期分为两个工作阶段：

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 VT1 使它 不能导通。
Ug2 ton T
VT2 Ug2 VD2 _ id VD1 _
C
Ug1
0
0
E
+
M
VT1
ton T
4
直流斩波电路采用的就PWM技术
6-15
引言
PWM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。
VT2
VD2 Ug2 id VT1
1
Ug2 ton T 0 Ug1 0
-
E M
+
VD1
ton T
Ug1
_
C
Us +
一般电动状态

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。
3-8
tof f
二、 升压斩波电路
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 ：U s I U d I d 。
与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。
3-9
第二节 晶闸管直流斩波器
一、晶闸管的换流
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过程，也称为换相或换向 。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。
第十一章
PWM变换器
第一节 直流斩波电路· 引言 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、升压斩波电路、 。
O
>t ω
u
O
ωt
>
6-19
1 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
u
SPWM波
> ωt ωt
>
u
O O
O
>t ω
u
O
ωt
>
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。
6-20
1 PWM控制的基本思想
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：
5-12
(三)强迫换流
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。 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。
C充电
+ US –
R IR
VT1
– + C
a）VT1导通时
R1 VT2
IR
US R
5-13
(三)强迫换流
换流时 VT1和VT2都导通。
2)负载换流（Load Commutation） 3)强迫换流（Forced Commutation）
5-11
（二）负载换流 V
D
L
+ US –
a）电路图
iT
R
由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，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。
R
ud
–
is
0
开关S断开时，电源US和电 感L同时向负载提供能量。
id
0
ton toff
b) 波形
图 升压斩波电路及工组波形
3-7
二、 升压斩波电路
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US It on 设开关S断开时间为toff，则此期间电感L释放能量为U d Us Itof f 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： US It on U d Us Itoff
0s
5ms
所需波形
10ms
等效的PWM波
15ms
20ms
25ms
30ms
6-23
第三节 不可逆输出PWM变换器
一、无制动作用的不可逆输出PWM变换器
功率开 关器件
VT
Ug
+
C +
E M _
滤波电 容器
Us _
直流电源 电压
续流二 极管
VD
（a）电路原理图
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
3-3
一、理想斩波器（降压斩波电路）
数量关系 电流连续
负载电压平均值：
Ud ton ton tof f Us ton T U s U s
i1 i2 Idmin Idmax t1 O ud U S ton t
off
id
t
O
T
t
ton——斩波开关导通的时间 toff——斩波开关关断的时间 α——工作率（或称占空比） T——斩波周期 T=ton+toff
3-1
第一节 直流斩波器的工作原理
一、理想斩波器（降压斩波电路）
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。
电路结构
+ US –
S + VD –
L
ud
续流二极管
id
负载
R
3-2
一、理想斩波器（降压斩波电路）
工作原理
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。
Ud
O -U d
wt
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。
U
d
O
-
wt
U
d
6-21
1 PWM控制的基本思想
等幅PWM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PWM波
输入电源是交流或不是 恒定的直流
Us +
• 工作原理与波形

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
•一般电动状态

在0 ≤ t ≤ ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为 负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢 两端，电流 id 沿图中的回路1流通。
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。
5-10
一、晶闸管的换流
1) 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。
3-4
一、理想斩波器（降压斩波电路）
斩波电路三种控制方式
此种方式应用 最多
T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T —频率调。 ton和T都可调，改变占空比—混合型。
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
t=t1时开关S断开 ，二极管VD 续流，负载电压ud 近似为零， 负载电流呈指数曲线下降。