電力電子技術(shù)第九章-電力電子器件的應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)課件

1、第九章電力電子器件的應(yīng)用與實(shí)訓(xùn) 主編第一節(jié)晶閘管的應(yīng)用一、直流電動(dòng)機(jī)可控調(diào)速圖91所示為典型的直流電動(dòng)機(jī)可控整流調(diào)速電路，適用于中小容量的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖9-1直流電動(dòng)機(jī)可控整流調(diào)速電路第一節(jié)晶閘管的應(yīng)用二、過(guò)電壓保護(hù)電路圖9-2過(guò)電壓自斷電晶閘管保護(hù)電路第一節(jié)晶閘管的應(yīng)用三、大功率充電電路圖9-3采用晶閘管組成的大功率充電電路第二節(jié)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用一、三片式開關(guān)穩(wěn)壓電源若交流電壓直接經(jīng)過(guò)工頻整流、濾波后轉(zhuǎn)換為直流電壓，再經(jīng)過(guò)電力電子器件以高頻率的開通與關(guān)斷進(jìn)行功率變換（高頻逆變）,得到2050kHz的高頻脈沖交流電，然后再經(jīng)過(guò)高頻整流與濾波，得到所要求的直流，這樣的電源即稱為開

2、關(guān)電源。圖9-4三片式開關(guān)電源電路圖第二節(jié)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用圖9-5MC34060引腳圖和內(nèi)部電路等效電路a)MC34060的引腳圖b)內(nèi)部等效電路第二節(jié)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用二、高頻自激式振蕩電源以往的熒光燈都采用鎮(zhèn)流器限制燈管電流，鎮(zhèn)流器不僅笨重，而且自身功耗大（約占燈具總功耗的30）、功率因數(shù)低，所以在大量使用熒光燈照明的公共場(chǎng)所需要用體積很大的電容器作無(wú)功補(bǔ)償。圖9-6功率MOSFET高頻自激振蕩器電路第二節(jié)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用1)增加變壓器二次側(cè)匝數(shù)，則二次側(cè)可以輸出高頻高壓，用于各種觸發(fā)點(diǎn)火裝置。2)將圖9-6中整流部分改用電池供電，適當(dāng)選擇變壓器匝數(shù)比，可以在變壓器二次側(cè)輸

3、出任意所需的電壓，在各種便攜式儀器中有廣泛的應(yīng)用，也可將此用于應(yīng)急照明中。由于這類高頻振蕩電源擺脫了笨重的變壓器和濾波器，所以十分輕便，制造也簡(jiǎn)單。這類電源的缺點(diǎn)是高頻振蕩會(huì)干擾電網(wǎng)，也會(huì)通過(guò)空間電磁輻射干擾通信，所以應(yīng)注意屏蔽和交流電源輸入端的濾波。第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用一、彩色電視機(jī)開關(guān)電源電路圖97所示為東芝四片機(jī)芯彩色電視機(jī)開關(guān)電源電路。圖9-7東芝四片機(jī)芯彩色電視機(jī)開關(guān)電源電路第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用1.電路的組成該開關(guān)穩(wěn)壓電源由整流濾波部分、開關(guān)調(diào)整部分、直流輸出電路和保護(hù)電路組成。另由R01、L01組成消磁電路。(1)整流濾波部分220V50Hz交流電從插頭引入，經(jīng)熔斷器FU01，

4、兩級(jí)互感濾波器L08、C23、L06等濾除外來(lái)干擾信號(hào)(同時(shí)也防止開關(guān)振蕩信號(hào)竄入電網(wǎng))后，送入VD01VD04進(jìn)行全波整流，再經(jīng)C07濾波后得到300V左右的紋波直流電壓。 C02C05是為高頻信號(hào)提供通路，防止高頻信號(hào)影響整流電路的正常工作而設(shè)置的。R25是壓敏電阻，用來(lái)吸收開機(jī)和關(guān)機(jī)等產(chǎn)生的過(guò)電壓和浪涌電流，保護(hù)整流二極管。(2)開關(guān)調(diào)整部分開關(guān)調(diào)整部分包括自激振蕩電路和取樣穩(wěn)壓電路兩部分。第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用 自激振蕩電路由開關(guān)管V01、R08、R09、R04L02、開關(guān)變壓器T01的啟動(dòng)組、，正反饋繞組、和正反饋網(wǎng)絡(luò)VD09C09、R06等組成。(3)直流輸出電路在V01截止期間，

5、開關(guān)變壓器T01二次繞組、上感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓，經(jīng)VD16整流，L09、C27型濾波后得到110V主電源直流電壓。C17、L03，L04、C21、C26是為了濾除開關(guān)脈沖中的高頻干擾而設(shè)置的。2.電路特點(diǎn) 開關(guān)管V01與輸入、輸出端并聯(lián)；啟動(dòng)時(shí)沒有其他振蕩激勵(lì)；開關(guān)管V01基極沒有輸入型逆程脈沖，強(qiáng)迫開關(guān)管振蕩同步，因此該穩(wěn)壓電源屬于單端反激式（儲(chǔ)能式）開關(guān)電源，亦稱為并聯(lián)自激調(diào)頻型開關(guān)電源。第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用二、GTR直流斬波器將直流電源的恒定電壓通過(guò)電力電子器件的開關(guān)作用，變換為可調(diào)直流電壓的裝置稱為直流斬波器，亦稱直流直流變換器。直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，

6、可廣泛用于直流牽引調(diào)速，如地鐵車輛、城市無(wú)軌電車和電動(dòng)汽車等；直流斬波器還廣泛用于可調(diào)直流開關(guān)電源和電池供電的設(shè)備中，如通信電源、遠(yuǎn)程控制器和移動(dòng)電話等。第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用隨著電力電子新器件的不斷發(fā)展，直流斬波器將更加廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和家庭生活中。直流斬波器的主控器件可以采用半控型電力電子器件（如晶閘管），也可以采用全控型電力電子器件（如GTR等）。圖9-8GTR組成的直流斬波電路的主電路第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用1.牽引過(guò)程的工作原理將接觸器觸點(diǎn)KM1、KM2、KM3、KM41、KM42閉合。當(dāng)VT（GTR）導(dǎo)通時(shí)，電源U通過(guò)UKM1KM2KM3KM41MKM42LHLVTU回路向電動(dòng)機(jī)M供

7、電，電壓極性為左正右負(fù)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓uABU。當(dāng)VT截止時(shí)，電流續(xù)流回路為MLHLVD1KM3KM41M，電動(dòng)機(jī)兩端電壓uAB0。控制VT的導(dǎo)通和截止時(shí)間，就可以控制電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，其平均電壓為UAB（T）U，為脈寬，T為周期。由此可見，改變和T就可以調(diào)節(jié)UAB，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到斬波調(diào)速的目的。觸發(fā)快速晶閘管VT2可進(jìn)入弱磁運(yùn)行。在牽引工作時(shí)采用恒流控制來(lái)獲得恒加速度啟動(dòng)。第三節(jié)電力晶體管的應(yīng)用2.牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的工作原理VT截止，電樞電流通過(guò)MKM42LHLVD1KM3KM41M回路續(xù)流，由于回路中存在的電阻很小，電樞電流很快衰減到零，當(dāng)HL檢測(cè)到電樞電流為零時(shí)，接觸器進(jìn)

8、行切換，KM3、KM4斷開，KM5閉合，為形成制動(dòng)回路做好準(zhǔn)備，同時(shí)KM6閉合，投入預(yù)勵(lì)磁,加快反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，一旦反電動(dòng)勢(shì)電壓建立后KM6自動(dòng)斷開。3.電制動(dòng)過(guò)程的工作原理電制動(dòng)分為能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)，主要根據(jù)負(fù)載情況而定。第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用一、開關(guān)電源主電路的工作原理圖9-928V/100A開關(guān)電源的原理框圖第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用圖9-1028V/100A開關(guān)電源的主電路第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用二、開關(guān)電源的電壓、電流波形分析開關(guān)電源的電壓、電流波形如圖911所示。輸入激勵(lì)信號(hào)uG1、uG2相差180，使VT1與VT2交替通斷。變壓器一次繞組電壓uP的波形如圖911d所示。通

9、過(guò)變壓器耦合，次級(jí)繞組電壓uS和u S分別通過(guò)二極管VD5、VD6整流，輸出直流電壓uo，如圖911i所示。當(dāng)uS使VD5正偏導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)濾波電感L2向負(fù)載供電，其電流波形如圖911h所示，此時(shí)L2儲(chǔ)能。圖9-11半橋變換電路波形第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用三、主要元器件的選擇與參數(shù)1.IGBT管的電壓、電流計(jì)算與選擇(1)IGBT的電壓交流220V電壓經(jīng)橋式整流濾波，加至逆變橋的電壓約為300V，考慮到裕量，通常選用600V等級(jí)的IGBT管。(2)IGBT的電流由于IGBT管工作在脈沖調(diào)制狀態(tài)，計(jì)算有效電流值較困難，器件的高頻開關(guān)損耗又與工作頻率和緩沖電路等因素有關(guān)，工程計(jì)算是以實(shí)際流過(guò)管子的

10、最大峰值電流再考慮兩倍左右的裕量來(lái)確定管子的電流。第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用2.高頻變壓器鐵心材料與高頻整流元件的選擇高頻變壓器的作用是電壓變換、功率傳遞和輸入輸出隔離。高頻變壓器對(duì)電路的工作狀況有十分重要的影響，主要體現(xiàn)在變壓器漏感和勵(lì)磁電流的影響，工作時(shí)變壓器不能飽和，否則勵(lì)磁電流會(huì)大大增加。選擇鐵心材料時(shí)要考慮高頻鐵損小、飽和磁密高的導(dǎo)磁材料，如C型超微晶磁心或鐵氧體材料。繞組采用雙繞組并繞中心抽頭的工藝結(jié)構(gòu)。第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用3.濾波、軟啟動(dòng)與軟開關(guān)在電路的輸入端接有線路濾波器，其作用一是抑制和吸收電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的強(qiáng)脈沖對(duì)電源的影響，二是利用線路濾波器良好的共模和差模插入損耗，

11、抑制電源產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)對(duì)電網(wǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)電源與電網(wǎng)的隔離和減少電源對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾。在本電路的輸出端與負(fù)載之間亦接有濾波器。第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用四、IGBT管的驅(qū)動(dòng)與控制電路1.IGBT的控制電路控制部分采用CW494（或TL495）集成脈寬調(diào)制器，它是控制部分的核心。該集成控制器與美國(guó)德克薩斯（TEXAS）公司生產(chǎn)的TL495功能一致，為雙列直插式16腳集成電路。CW494的引腳排列及內(nèi)部功能框圖如圖912所示。圖9-12CW494的引腳排列及內(nèi)部功能框圖第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用(1)鋸齒波振蕩器其振蕩頻率由5、6腳外接RT、CT參數(shù)決定，(f1(RTCT)，對(duì)于雙端輸出，振

12、蕩頻率應(yīng)調(diào)整為兩倍的逆變器頻率即40kHz。(2)脈寬調(diào)制控制 脈寬調(diào)制主要由PWM比較器實(shí)現(xiàn)。輸出端8、9、11、10腳有兩種連接方式，一種是將8、11腳接控制電源，9、10腳接負(fù)載（發(fā)射極輸出）；另一種是將9、10腳接地，8、11腳經(jīng)電阻接控制電源，由集電極8、11腳輸出。(3)死區(qū)時(shí)間控制對(duì)于橋式逆變電路，IGBT從一管關(guān)斷到另一管導(dǎo)通之間必須留有死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間由死區(qū)控制比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)穩(wěn)壓與過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)穩(wěn)壓和保護(hù)功能由兩個(gè)誤差放大器來(lái)完成。第四節(jié)IGBT 的 應(yīng) 用2. IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖9-13IGBT的驅(qū)動(dòng)電路第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)原則1.主

13、電路的選擇開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路，即是第四章中介紹的逆變電路，亦稱變換電路。變換電路的形式要根據(jù)負(fù)載要求和給定的電源電壓等技術(shù)條件進(jìn)行選擇，重點(diǎn)是合理選擇功率開關(guān)管和高頻變壓器，以使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。(1)激勵(lì)方式的選擇激勵(lì)方式選擇的主要依據(jù)是電源輸出功率的大小。(2)電路結(jié)構(gòu)的選擇電路結(jié)構(gòu)選擇的主要依據(jù)一是電源輸出功率的大小，二是電路輸入、輸出電壓的高低。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(3)開關(guān)頻率的選擇開關(guān)頻率與主電路的工作模式，開關(guān)管的類型及發(fā)熱程度，變壓器、濾波器體積的大小，干擾抑制等因素有關(guān)，應(yīng)綜合考慮，不能顧此失彼。目前，對(duì)于軟開關(guān)電源，開關(guān)頻率通常選在數(shù)百千赫以上；對(duì)于硬開關(guān)電源，開關(guān)頻

14、率通常選在20100kHz之間。2.功率器件的選擇這里所說(shuō)的功率器件，主要是指功率開關(guān)管。功率器件選用的主要依據(jù)是電源的輸出功率、開關(guān)頻率和主電路的結(jié)構(gòu)形式。通常在負(fù)載功率較小的自激式變換中采用電力晶體管（GTR）；在負(fù)載功率較小，開關(guān)頻率較高的變換電路中采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）；在負(fù)載功率較大的橋式變換電路中采用IGBT或智能模塊（IPM）。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)3.控制方式的選擇控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較，利用兩者的誤差信號(hào)對(duì)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，將實(shí)際輸出電壓維持在期望電壓附近?？刂品绞接忻}寬調(diào)制（PW

15、M）、脈頻調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制等，目前脈寬調(diào)制（PWM）控制方式應(yīng)用較多。能實(shí)現(xiàn)PWM控制的集成電路有多種，設(shè)計(jì)控制電路時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選用。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)二、開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法 開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是主電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以主電路的參數(shù)為依據(jù)，選擇恰當(dāng)?shù)墓β书_關(guān)管、高頻變壓器及整流、濾波等元器件。對(duì)于控制電路來(lái)說(shuō)，通常選用典型的集成控制器，只計(jì)算和選取可調(diào)元器件，而其他元器件可參照常用電路的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或大致估算來(lái)選取。1. 功率開關(guān)管的計(jì)算與選用選擇功率開關(guān)管時(shí)要考慮的主要因素是元器件可能承受的最高反向電壓和流過(guò)元器件的最大電流。為了敘述方便，下面以電力晶體管（GT

16、R）為例來(lái)說(shuō)明。(1)功率開關(guān)管耐壓的選擇加在功率開關(guān)管集電極、發(fā)射極之間的電壓與變換電路的類型有關(guān)，見表4-1。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)在半橋和全橋式變換電路中，功率開關(guān)管集電極、發(fā)射極間的電壓應(yīng)為最高直流輸入電壓Umax與干擾尖峰電壓U之和，即(2)功率開關(guān)管電流的選擇功率開關(guān)管電流的選擇決定于晶體管的功耗和發(fā)熱程度，所以通過(guò)開關(guān)管的電流應(yīng)小于其極限參數(shù)Icm。對(duì)于單端反激變換電路第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)2. 主變壓器的設(shè)計(jì)主變壓器設(shè)計(jì)的任務(wù)是選取變壓器鐵心，計(jì)算繞組匝數(shù)，確定導(dǎo)線直徑，以及明確相應(yīng)的工藝要求。圖9-14雙端電路電壓磁通變化規(guī)律第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(1)變壓器鐵心的選取

17、根據(jù)變壓器的視在功率(設(shè)計(jì)容量)確定鐵心尺寸，根據(jù)變壓器工作頻率和效率選取鐵心材料，兩者綜合確定鐵心型號(hào)。圖9-15單端電路磁滯回線工作情況圖9-16單端變換電路電壓磁通變化規(guī)律第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(2)繞組匝數(shù)的計(jì)算首先根據(jù)鐵心截面積確定變壓器一次繞組的匝數(shù)NP，然后根據(jù)NP確定二次繞組匝數(shù)NS。(3)繞組導(dǎo)線截面的計(jì)算表9-1銅導(dǎo)線的電流穿透深度第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)3.整流、濾波元件的計(jì)算與選擇對(duì)于直流變換器來(lái)說(shuō)，高頻變壓器二次側(cè)接整流、濾波電路，其作用是將高頻矩形波電壓變成符合要求的直流電壓。整流電路的主要形式有變壓器中點(diǎn)抽頭全波整流和橋式整流，前者用于輸出低電壓、大電流的情況，

18、后者用于輸出高電壓、小電流的情況。由于中點(diǎn)抽頭全波整流電路只用兩只整流二極管，與橋式整流電路相比，可以減少二極管的管壓降，提高變換器的效率。所以在滿足輸出電壓要求的情況下，多數(shù)采用中點(diǎn)抽頭全波整流電路。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)三、開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)實(shí)例 開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的步驟，一般是確定電路的結(jié)構(gòu)形式和工作頻率、選擇功率開關(guān)元件、變壓器計(jì)算、整流濾波元件的計(jì)算與選擇等。對(duì)于不同的變換器來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)內(nèi)容基本相同。這里以半橋式變換電路為例，說(shuō)明電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。1.電路結(jié)構(gòu)形式與頻率的選擇(1)主電路的選擇因?yàn)樽儞Q電路的輸入電壓較高，輸出功率較大，不適于選用單端電路，半橋式變換電路具有卓越的抗不平衡能力，開關(guān)管承受的反向電壓較低(近似等于電源電壓E)，電路的可靠性較全橋電路好，所以主電路采用半橋式變換電路。第五節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(2)控制電路的選擇因?yàn)門L494集成控制器保護(hù)性能完備，外圍元器件少，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，應(yīng)用參考資料容易查找，所以采用該集成電路作為本變換電路的控制器。(3)驅(qū)動(dòng)