第11章 直流脉宽调制器.ppt
第11章 直流脉宽调制（PWM）变换器,将固定电压的直流电源变换成大小可调的直流电源的DC-DC变换器，称为直流斩波器。直流斩波器采用的斩控方式，常用的是脉宽调制（PWM）。,11.1 直流斩波器的工作原理,一. 理想斩波器,直流斩波器的工作原理图如下页所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开。当S接通时，直流电源向负载提供能量；当S断开时，电感储存的能量通过续流二极管VD释放能量，负载电流继续流。,输出电压平均值：,ton：斩波开关导通时间;,toff：斩波开关关断时间;,T：斩波周期;,：工作率（占空比）;,由此可见，负载电压平均值受斩波器工作率的控制，改变常有两种方法：,1）脉冲宽度调制 保持斩波率 不变，只改变导通时间ton 。,2）频率调制器，保持导通时间ton或关断时间toff不变 ，改变斩波周期T（即斩波频率f）。,由于频率调制有很多不足，在实际应用中常采用脉冲宽度调制（PWM），即直流脉宽调制变换器。,脉宽调制变换器中，电流的定量分析计算不要求。,二. 升压斩波器,当斩波开关S接通时，电感L与直流电源US接通，电感储存能量；当斩波开关S断开时，电感L的感应电压uL极性与图示相反，它与电源电压顺串通过二极管加在负载两端，电感释放能量给负载。,当开关S闭合期间，电源输送给电感的能量为,当开关S断开期间，电感释放给负载的能量为,在一个斩波周期里，对于稳态的无损系统，电感L储存和释放的能量是相等的，即,11.2 晶闸管直流斩波器,一. 晶闸管的换流,所谓换流（换相），是指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。,换流的成败，关键在于应该关断的晶闸管能否可靠关断。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，要使其关断，必须使阳极电流减小到维持电流之下，并且还要有足够的关断时间。要使晶闸管可靠迅速关断，常采用在阳、阴极间施加反向电压的方法。反向电压to的时间应大于晶闸管的关断时间tq,即,换流方式常用如下三种方法：,1） 电源换流 因电源电压是正负交替的正弦电压，只要合理安排触发脉冲，就可使导通的晶闸管承受反压而关断。,2）负载换流 凡具有电流过零或提供一定超前电流的负载，均不需要附加的换流环节而使变流器自然换流。,图示电路中，当VT触发导通时，RLC电路接通直流电源，当 时，电容C振荡充电。当uc=Us时，iT最大，L中感应电势为零，此后iT开始减小， uc继续上升，当uc=2Us时，晶闸管电流降到零，此时晶闸管承受反压而关断。,3）强迫换流 强迫换流需要专门的换流环节，它可使晶闸管在任何需要的时刻关断。对原来导通的晶闸管强行施加反向电压，使之电流迅速降为零。由于反压时间远小于工作周期，这种换流也称为脉冲换流。为了可靠换流，换流脉冲应有足够的宽度和幅值。,右图是电压换相的斩波器控制电路，主开关是晶闸管VT1，它的换相电路由辅助晶闸管VT2、二极管VD、电感L和电容C 组成。电路工作前，电容C已充电至电源电压US 。其充电路径两条：,1）起动开关先闭合，然后断开；,2）首先触发辅助晶闸管VT2，通过US、C、VT2和负载进行充电，当充电电流衰减到零时VT2随之关断。,二. 电压换相晶闸管斩波器电路,为了关断VT1，t2时刻触发晶闸管VT2导通，此时电容C被接到VT1两端，使其承受反压而关断。VT2导通瞬间，负载电压跃变为：US+uc=2US ，即为电源电压的两倍。,在t0时刻触发VT1，负载与电源接通Ud=US，id经VT1流通，同时电容C经VT1、L和VD振荡放电。当C反向充电到-US后，由于VD的反向闭锁作用，在触发VT2之前，电容C上反向电压一直保持不变。,VT1关断后，电容C通过电源US、VT2和负载再充电至US 时，充电电流衰减到零。VT2管在t3时刻自然关断。同时续流二极管VDR正向偏置而导通，于是负载电流就通过VDR进行续流 。在t=T时刻再次触发VT1，重复上述过程。,从以上分析可见，由晶闸管组成的斩波器开关，需要强迫换流电路，控制过程复杂。目前大多采用高开关频率的自关断器件（如IGBT）实现。,11.3 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,V的栅极由脉宽可调的脉冲电压ug驱动。,VD是V截止时，电枢回路的续流二极管,ug为正，V饱和导通，电源电压US通过V加到电机电枢两端，Ud=US。,ug为负，V截止，电机电枢失去电源，电枢电流经VD续流，Ud=0。电机得到的平均端电压为：,这种电路，电枢电流方向始终是一个方向，对电机不能产生制动作用。,二. 有制动作用的不可逆输出PWM变换器,要使电动机制动，必须给电枢回路提供反向电流id的通路，为此设置功率开关器件V2，如下图所示。,ug1为正， ug2为负， V1导通， V2关断，电源电压US经V1加到电机电枢上。在USE的情况下，电流id沿回路1从A点流向B点，电流逐渐增大，电机工作在电动状态。,重载,轻载,ug1为负， ug2为正， V1关断， 切断电机电源，电感L中的自感电势维持电流id沿回路2经VD2管继续流动，电机仍工作在电动状态。这时ug2虽为正，但VD2正向压降限制了V2不能导通。,轻载,重载,若电枢电流id在ton到T期的t2时刻衰减到零，则在t2到T期间反电动势E使V2管导通，电枢电流沿回路3反向流动，电动机进行能耗制动。到了t=T，V2关断。 id又开始沿回路4经VD1续流，直到t= t 4时刻， id衰减到零，V1由于这时ug1为正而开始导通，周而复始。在一个开关周期内V1，VD2，V2，VD1轮流导通。,若EUS，图f所示，回路4发电反馈制动，回路3能耗制动。,4,3,11.4 可逆输出PWM变换器,V1、V4同时导通和关断；,V2、V3同时导通和关断；,一. 双极式可逆PWM变换器,V1 V4,D2 D3,ug1 、ug4当正脉冲较宽时，tonT/2,电机电枢电压Ud为正,电机正转;当正脉冲较窄时，tonT/2, 电枢电压Ud为负,电机反转; 如果正负脉冲宽度相等。 Ton=T/2, Ud=0,电机停止。,图e)为重载时电流波形, 图f)为轻载时波形。,输出电压UAB在一个周期正、负相间，因此称为双极式。双极式PWM变换器的优点如下：,1）电流一定连续；,2）可使电机在四象限运行；,3）电动机停止时微振电流能消除静磨擦死区，起到动力润滑作用；,4）低速时，每个开关管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证开关管可靠导通，低速平稳性好；,其缺点是：,1）四个开关管都处于开关状态，开关损耗大；,2）容易发生上下两管直通的现象，降低了装置的可靠性；,3）电流中交流分量较大，电动机损耗大。,二. 单极式可逆PWM变换器,PWM变换器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压（+UAB或-UAB），在另一阶段中UAB=0，故称为“单极式”。主回路与双极式相同。,当控制信号uc为正时，V1和V2交替地导通和关断，V3一直关断，V4一直导通，变换器输出电压UAB为正，电机正转；当控制信号uc变负时，V3和V4交替地导通和关断，V1一直关断，V2一直导通，变换器输出电压UAB为负，电机反转；电路及工作波形如下页所示。,当控制信号uc为正时，V1和V2（实际上因续流二极管的箝位，V2不通）交替地导通和关断，V3一直关断，V4一直导通，变换器输出电压UAB为正，电机正转；,当控制信号uc变负时，V3和V4交替地导通和关断，V1一直关断，V2一直导通，变换器输出电压UAB为负，电机反转；,正转波形,V1 V4,V4 D2,表11.4-1 双极式和单极式可逆PWM变换器比较,三. 单极式倍频可逆PWM变换器,四. 受限单极式可逆PWM变换器,五. 受限单极式倍频可逆PWM变换器,略,11.5 PWM变换器的控制电路,PWM功率变换电路还有一套控制电路实现其各种工作模式，它一般由产生调制信号的振荡器、电压脉冲变换与分配器以及功率变换电路中开关管的驱动保护电路组成。,一、产生调制信号的振荡器,1、三角波振荡器,图中A1的门限电压为：,三角波的振荡频率为：,A2为一积分电路,ui,u+,用节点电压法求U+并令其为0求出门限电压,锯齿波振荡频率为：,当A1输出+UZ，A2的积分时间常数为：1=R4/R5C,当A1输出-UZ，A2的积分时间常数为： 2= R4C,1,2,二、电压脉冲变换器,电压脉冲变换器原理图,它的原理是用一个直流控制信号uc和一个固定频率的三角波(或锯齿波)叠加，产生一个等幅的、占空比与uc成比例的方波脉冲序列，通过脉冲分配器，作为功率变换电路中开关管的驱动信号。用uc调制脉冲宽度的变化，从而实现对功率变换电路输出电压的控制。,1、双极式脉宽调制器,当UC=0时，调节UP使电压比较器的输出电压uM为宽度相等的正负方波。,当UC0时，三角波过零时间提前，负方波时间变长。,当UC0时，三角波过零时间后移，负方波时间变短。,2、单极式脉宽调制器 （了解）,保护二极管,保护二极管,A1、A2构成电压比较器,三角波,3、倍频单极式脉宽调制器(了解）,三、脉冲分配器（了解）,本章小结（略）,
