CH2變流電路基礎(chǔ)課件

現(xiàn)代電源技術(shù)第二章常用電源電路及其控制技術(shù)2.1電力電子器件電源技術(shù)是電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子器件的概念和特征（1）能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)（2）工作在開關(guān)狀態(tài)，又稱為電力電子開關(guān)（3）需驅(qū)動電路（4）講究散熱設(shè)計，安裝散熱器2器件的功率損耗：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗pu,iuitt通態(tài)損耗開關(guān)損耗斷態(tài)損耗iuibub驅(qū)動損耗3按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間 信號的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 實際上是通過電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件5

按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件

6常見的幾種電力電子器件電力二極管晶閘管電力晶體管電力場效應(yīng)晶體管絕緣柵雙極晶體管7PN結(jié)的電容效應(yīng)：

PN結(jié)的空間電荷區(qū)就是一個平板電容器，其電荷量在外加電壓變化時發(fā)生相同的變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱之為結(jié)電容。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)狀態(tài)時結(jié)電容可能與電路的雜散電感引起高頻振蕩，影響電路的正常工作。使用時應(yīng)加以注意。9晶閘管門極觸發(fā)：為了節(jié)省驅(qū)動功率，驅(qū)動信號通常采用脈沖信號----觸發(fā)脈沖AGKIA

導(dǎo)電性能：可控的單向?qū)щ婇_關(guān)元件晶閘管是最早的器件，仍然是應(yīng)用最廣的器件之一10晶閘管工作電壓、電流高，功率大，使用中應(yīng)注意的問題：陽極電壓上升率du/dt過高陽極電流上升率di/dt過高結(jié)溫較高保護11電力晶體管GTR驅(qū)動電路的要求:驅(qū)動電路對GTR的工作有很大的影響。GTR導(dǎo)通時，正向注入的基極電流應(yīng)能保證GTR在最大負載下維持飽和導(dǎo)通，電流的上升率應(yīng)充分大，以減少開通時間；開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)(2)關(guān)斷時反向注入的電流峰值及下降率應(yīng)充分大，以減少關(guān)斷時間；13(3)關(guān)斷后，應(yīng)在基射極之間加一定幅值（6V左右）的負偏壓，使GTR可靠關(guān)斷，防止二次擊穿。理想的GTR基極驅(qū)動電流波形:

tib14GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變15

安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線（二次擊穿功率Psb=UsbIsb）限定IcuCEibub17電力場效應(yīng)晶體管PowerMOSFET導(dǎo)電特性：P轉(zhuǎn)N

型溝道N溝道MOSFET模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)電溝道的形成與柵極電壓UGS有關(guān)MOSFET是溝道導(dǎo)電器件柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。漏極源極門極18

MOSFET的特點：驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小開關(guān)速度快，工作頻率高電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置

常常將MOSFET并聯(lián)使用19MOSFET極間電容GDCGDCGSSCDS極間電容的等效電路：輸入電容：Cin=CGS+CGD21MOSFET的驅(qū)動電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15~20V關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗22絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者優(yōu)點，具有好的特性

1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件E23IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器專用驅(qū)動電路抗干擾能力強、集成化程度高、速度快、保護功能完善，是實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動。EXB84025功率模塊與功率集成電路功率模塊

PowerModule—將多個功率器件封裝在一個模塊中IGBT模塊功率集成電路

PowerIntegratedCircuit（PIC）

—將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上

模塊化的兩種形式：模塊化簡化了用戶電路設(shè)計和參數(shù)調(diào)整工作，成為機電一體化的理想接口26器件的保護對器件的保護有：過電流、過電壓、du/dt、du/dt、柵極過壓欠壓等1），過電流保護過電流檢測

過電流保護27IGBT過電流保護控制方法：要求：當發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBTEXB840防止過電壓292），過電壓保護阻容保護非線性元件：壓敏電阻、硒碓等30放電阻止型吸收電路RC吸收電路31CRGDSCRGDSCRGDSRGRC浪涌電壓吸收電路柵極電阻抑制關(guān)斷過電壓32半橋電路IGBT的過電壓抑制電路Pa)b)Nc)PNPN332.2AC/DC變換技術(shù)342.2AC/DC變換技術(shù)按組成的器件分：不可控、半控、全控整流電路的分類：按電路結(jié)構(gòu)分：橋式電路和零式電路按交流輸入相數(shù)分：單相電路、三相和多相電路AC/DC變換（整流）電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路多采用：晶閘管相控整流方案35一、單相橋式全控整流電路1.帶電阻負載的工作情況36負載電壓平均值:負載電壓有效值:整流電路的功率因數(shù):功率因數(shù)與控制角有關(guān)37cosja01p功率因數(shù)與控制角有關(guān):=0時，cosj=1；增加，cosj減??；382.帶阻感負載39q0wta0IdVT1VT2VT3VT4RLVD000i2wtwtwtwtiDiT1id-iT2iT1u2ud-u2idiDi2udu2iT1阻感負載帶續(xù)流二極管的電路403.帶反電動勢負載41單相全波可控整流電路單相全波和單相橋式全控整流電路的區(qū)別42二、三相半波可控整流電路共陰極接法共陽極接法43

a=30時的波形

a>30的情況44三相半波可控整流電路，a=60時的波形比較45三、三相橋式全控整流電路46三相橋式

雙脈沖觸發(fā)u2oRudidabcVT1VT3VT5VT4VT6VT20u2wtp2puaubucuawtuabuacubcubaucaucbuabuacubcud0a=0ugwtwt12345612ug1234561647四、有源逆變逆變的概念逆變（invertion） ——把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程有源逆變——交流側(cè)和（無限大）電網(wǎng)連結(jié)。 移相控制無源逆變——交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載。 調(diào)頻控制逆變分：48有源逆變有源逆變產(chǎn)生的條件：（1）有直流電動勢，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓（2）晶閘管的控制角

>p/2，使Ud為負值由于負載反電動勢的作用，的變化范圍：0-180°UdId+-P交流側(cè)直流側(cè)a),整流UdId-+P交流側(cè)直流側(cè)b),逆變EE49有源逆變電路單相全波電路的整流和逆變單相全波電路的整流和逆變502.3DC/AC變換技術(shù)51一、DC/AC變換器的分類：１，按負載分：有源逆變無源逆變２，按輸入直流電源分：電壓型逆變電流型逆變３，按電路結(jié)構(gòu)分：半橋全橋推挽其它形式52４，按輸出端相數(shù)分：單相三相多相53二、單相逆變電路１，單相半橋電壓型逆變電路Ud/254２,單相全橋電壓型逆變電路:tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t4553，推挽式逆變電路***56三、三相逆變電路三相電壓型橋式逆變電路應(yīng)用最廣，可看成由三個半橋逆變電路組成：每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流（波形）57四、ＰＷＭ逆變電路PWM（PulseWidthModulation）控制—脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣基于等效面積原理，PWM波形可等效各種波形58逆變電路的ＰＷＭ控制方式ioOwtuouofuoUd-UdOwtuG1,G4tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t459PWM波形的生成方法：計算法調(diào)制法跟蹤法601,調(diào)制法期望的輸出波形作為調(diào)制信號ur等腰三角波或鋸齒波作為載波uc載波以等腰三角波應(yīng)用最多urucPWM0tturuc1比較器進行調(diào)制得到期望的PWM波61三相橋式PWM逆變電路波形

622,PWM跟蹤控制法：

把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關(guān)器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化調(diào)節(jié)器逆變器負載ei*iUd63滯環(huán)比較方式的電流跟蹤控制特點:（1）硬件電路簡單（2）實時控制，電流響應(yīng)快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波64五、PWM整流電路及其控制方法實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低■65五、PWM整流電路及其控制方法PWM整流電路

把逆變電路中的PWM控制技術(shù)用于整流電路，是其逆向功率變換控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器■PWM整流/逆變66PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路逆變電路的方法對V1~V4進行SPWM控制，就可以在交流輸入端AB產(chǎn)生一個SPWM波uAB■負載usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+uduAB67PWM整流電路的工作原理uAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量uABf，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動當正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定■~~usisuABfLsRsuLuR68PWM整流電路的工作原理改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度■~~usisuABfLsRsuLuR相量圖69PWM整流電路的工作原理注意點：PWM整流電路實際上是升壓斬波電路工作，所以：直流電壓高于交流電源電壓峰值才能正常工作負載usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+uduAB70三相PWM整流電路工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相712.4DC/DC變換技術(shù)72DC/DC變換電路的類型直接變換---斬波電路降壓斬波電路（BuckChopper）升壓斬波電路（BoostChopper）升降壓斬波電路（Boost-BuckChopper間接變換---AC-DC-AC正激電路forwardconverter

反激電路FlyBack半橋電路全橋逆變電路推挽電路Push-pullCircuit

731，降壓斬波電路BuckEV+-MRLVDioEMuouGtttOOOTEGtontoffioi1i2I10I20t1uou電流連續(xù)時PWM控制方式742，升壓斬波電路BoostEVRLVDa)Cioi1uGuob)uGioI1OOtt泵升電路，不允許輸出開路753，升降壓斬波電路764，Cuk斬波電路Buck電路：輸入電流紋波大Boost電路：輸出電流紋波大Boost-Buck電路：輸出、輸入電流紋波大電流紋波會對電源、負載產(chǎn)生電磁干擾77Cuk斬波電路ERVDC1VL1L2uoC2RC1BASEi1L1L2i2uCuAuBuoC2L1、C1儲能元件，

L2、C2濾波畫出i1、i2的波形？785，正激電路變壓器的磁心復(fù)位--S關(guān)斷后變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源

796，反激電路

反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO80半橋電路u1tUi/2S1ttS2TtON81全橋電路82推挽電路兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)83案例600VDC-24VDC5KW842.5AC/AC變換技術(shù)85AC/AC變換的類型：間接變換：AC-DC-AC直接變換：AC-AC用途：變頻、變壓、恒壓恒頻、靜止無功補償?shù)?6交-交變頻單相交-交變頻ZPNuouotPNUdocosa87兩組變流電路的控制①無環(huán)流工作方式——即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖②有環(huán)流a=b工作方式ZPNuo88三相交交變頻電路星形公共交流母線89案例設(shè)計：直流脈沖電源，單相交流電源220VAC，輸出直流脈沖50KHz、0－7VDC、0－30A可調(diào)恒流輸出。uot90小結(jié)91電力電子器件的工作狀態(tài)返回

信息電子電路中BJT通常工作于放大狀態(tài)iuibub雙極晶體管BJTERi=bibu=E-iR電力電子電路中BJT(GTR)通常工作于開關(guān)狀態(tài)關(guān)斷：i0,uEiuibubER導(dǎo)通：u0,iE/RiuibubER92電力電子系統(tǒng)的組成電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成返回

93理想的GTR基極驅(qū)動電流波形tOib返回

94GTR的二次擊穿特性GTR的二次擊穿特性ICUCE0二次擊穿A(Usb,Isb)一次擊穿返回

95一次擊穿二次擊穿A(Usb,Isb)一次擊穿截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce返回

96MOSFET驅(qū)動電路GDCGSS驅(qū)動電路返回

97IGBT半橋模塊a)外形b)電路結(jié)構(gòu)返回

98GTR抗飽和電路GTRiBVD1VD2VD3iB’返回

99EXB系列驅(qū)動器及典型應(yīng)用線路RGV1D