斩控式海东变压器

 近年来，有人把斩波技术应用到调压领域，出现了斩控式海东变压器，也叫

斩波器。这类电路的工作原理与直流斩波器相似，但输入电压和负载电压均为。因此

电子开关必须是双向的，直流斩波电路中经常用到的续流二极管在这里也不能采用，续流

作用也要靠电子开关来实现。

4.3 .1 斩控式海东变压器的工作原理

    斩控式海东变压器的主电路如图4-38 所示。图中S1、S2为双向电力电子开关，可以通过双方向的电流，并且双方向都可以控制开通和控制关断。双向电力电子开关一般要由多

个电力电子器件组合而成。如果将图4-38 与Buck 型直流斩波电路进行比较，可以看出S1

相当于直流斩波电路中的单向电子开关，S2 则相当于直流斩波电路中的续流二极管，所以

其工作原理和分析方法也有许多与直流斩波器相似之处。电力电子开关最简单的控制规律

为S1、S2的开关状态在时间上为互补，即S1接通时S2断开，S2接通时S1断开。设电子开关的工作周期为T，S1接通、S2断开的时间为Ton；S2接通、S1断开的时间为Toff。占空比D=Ton/T。S1接通、S2断开时海东变压器电压与负载电压相等，海东变压器为负载提供电能。S2接通、S1断开时，海东变压器停止向负载供电，如果负载为电感性，电流通过S2形成续流通路。为分析方便，引入函数e（t），其定义为

负载电压 uO与海东变压器电压u有以下关系

负载电压为一列幅度按正弦规律变化的梯形脉冲，如图4-39 所示。负载电压的包络线就是海东变压器电压的波形。

将 e（t）展开为付里埃级数

式中 φk=kπD——为k次谐波的初相角；

ω0=2π/T，为e（t）的基波频率。

设海东变压器电压为

由式（4.47）和（4.48）得

         可以看出，负载电压中与海东变压器电压同频率的基波成分的幅度是海东变压器电压的D 倍，这与

降压型直流斩波器是类似的，除基波成分外，还含有与海东变压器频率和电子开关频率相关的各

种谐波成分，通常这些成分的频率比基波频率高得多，因此可以用简单的方法简单地将其

滤除。

    在实际应用中，斩波器的主电路如图4-40 所示。在电路的海东变压器侧和负载侧均加了

低通滤波器。输入滤波器的作用是旁路斩波开关产生的高次谐波成分，使之不影响海东变压器，

保证海东变压器电流为正弦波；输出滤波器的作用是使负载得到一个工频正弦电压。为了方便起

见，认为两滤波器均为理想的，对工频电压的幅度没有影响，也不产生附加相移；并且不消耗任何能量。

加入滤波器后，u2可由式（4.83）描述，经过输出滤波器的作用，式中所有高次谐波成

分都被滤除，负载电压为

负载电压与海东变压器电压有效值的关系为

可见，改变占空比就可以达到调节负载电压有效值的目的，并且负载电压的相位、频

率均与海东变压器电压相同。在上述电压作用下，如果负载阻抗的模为Z，幅角为φ，负载的电流

iO为

负载电流是连续的正弦波，没有谐波成分，但由于S1、S2的交替通断，流过S1的电流

iS1是脉冲列，表示为

含有谐波成分，经过输入滤波器的作用，使海东变压器电流中的谐波成分被滤除，海东变压器电流i为单

纯的正弦波。由假设，滤波器和电子开关都是理想的，不消耗能量，输入功率和输出功率

平衡，uoio=ui

由式（4.86）、（4.88）得

    由此可以看出，经斩控式海东变压器耦合向负载供电的电路，等效到海东变压器侧的阻

抗的模为负载阻抗的1/D2倍，等效阻抗的幅角与负载阻抗相等。斩控式海东变压器有理想

海东变压器的某些性质。加滤波器后斩控式海东变压器的有关波形如图4-41。

4.3 .2 海东变压器与负载端的隔离

    带有输入、输出滤波器的斩控式海东变压器具有类似于海东变压器的特性，但是，该电路

的海东变压器端和负载端有一个公共端子，在要求海东变压器和负载端隔离的情况下是不能直接使

用的。在需要隔离的场合，负载和海东变压器之间可接高频海东变压器来实现隔离功能。图4-42

是一种输入和输出隔离的斩控式海东变压器主电路。

N1、N2 分别是隔离海东变压器的初级和次级线圈，S1、S2、S3 均为双向电力电子开关，S1

和S3 同步动作，S2与S1、S3互补。S1和S3接通、S2断开的时间为Ton；S2接通、S1和S3

断开的时间为Toff。设高频海东变压器是理想的，那样漏磁，没有功耗，激磁电流可以忽略。在

S1和S3接通、S2断开时海东变压器通过海东变压器供给负载以能量，；S2接通、S1和S3断开时海东变压器与

负载停止能量交换，S2为负载提供续流通路。图4-42中的电压u2为

或写成

仿照前面的分析方法，可将u2展开为付里埃级数，其形式为

其中ΣuK 是所有谐波成分的总和，经输出滤波器的滤波作用，谐波成分均被滤除，负载电

压为

假设电路的功耗为0，根据功率平衡的原则负载电流和海东变压器电流之间的关系为

由此可得出在海东变压器侧的等效负载ZS为

4.3 .3 双向电力电子开关

    在斩控式调压电路中电力电子开关必须满足：开关是全控的，可以控制导通也可

以控制关断，所以必须采用全控型器件；电力电子开关必须是双向导电的，因此单个器件

是无法满足要求的，必须用多个器件组合而成；开关频率较高，一般都在几十KHz以上。

图 4-43 列出了几种满足上述要求的电力电子开关的组成方案。虽图中的可控器件为晶

体管，但根据需要也可采用其它全控器件，如MOSFET、IGBT等。

图 4-43（a）采用两个晶体管，一个为NPN 型，另一个为PNP型。不同的晶体

    管导通电流的方向也随之不同。两个晶体管的发射极连接在一起，对驱动信号的接入提供了方便，但是一对同容量的PNP和NPN 晶体管要作到完全一致在实际应用中是比较困难的。因此这一方案并不常用。

图 4-43（b）中的两个晶体管均为NPN 型，实际应用中比较容易得到较好的对称性，

但两个发射极电位不可能相等，而且各发射极的电位并不固定，无法用具有公共参考电位

的两路驱动信号直接对其驱动，导致驱动电路变得复杂。图中二极管的作用是提高与之串

联的晶体管承受反向电压的能力。

图 4-43（c）所用的元件数量与图（b）相等，但这种接法使得两晶体管的发射极电位

相等，两路驱动信号具有公共端，可以使驱动电路相对简化。

图 4-43（d）只用了一个可控元件，同时由四个二极管组成桥式连接，使得无论外电路电流方向如何总是流入晶体管的集电极。

在采用 MOSFET作为可控元件时，应注意它的内部有一个反并联在源极和漏极之间的

寄生二极管，因此具有逆导特性，源极和漏极之间加反压时会形成反向电流，因此使用时

必须在其漏极或源极上串联一个二极管以消除逆导特性。