新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 第8章 新能源汽車電子電路轉(zhuǎn)換

第8章新能源汽車電子電路轉(zhuǎn)換8.1DC/AC逆變電路8.1.1DC/AC逆變電路概述8.1.2

電壓型逆變電路8.1.3

電流型逆變電路8.1.1DC/AC逆變電路概述1.DC/AC逆變電路的認(rèn)知DC/AC逆變電路,是應(yīng)用電力電子器件將直流(DC)電轉(zhuǎn)換成交流(AC)電的一種變流裝置，如圖8-1所示。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛,在已有的各種電源中,蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源,當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí),就需要逆變電路。(a)(b)圖8-1DC/AC逆變電路(a)單相逆變電路框圖

(b)單相逆變電路框圖2.DC/AC逆變電路的分類（1）按輸出電能的去向可分為有源逆變電路和無源逆變電路。（2）按電流波形分可分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。（3）按輸出相數(shù)分可分為單相逆變電路和三相逆變電路。（4）按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型和電流型

(a)(b)圖8-2單向橋式逆變器主電路與波形圖(a)主電路(b)波形圖8.1.2電壓型逆變電路1.電壓型逆變電路的特點(diǎn)（1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容,直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。（2)輸出電壓為矩形波,輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。（3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無功功率。2.電壓型逆變電路的類型電壓型逆變電路分為單相電壓型逆變電路和三相電壓型逆變電路。單相電壓型逆變電路分為半橋逆變電路、全橋逆變電路和帶中心抽頭變壓器的逆變電路。三相電壓型逆變電路應(yīng)用最廣泛的是三相橋式逆變電路。8.1.2電壓型逆變電路

（a）

（b）圖8-3半橋逆變電路與電壓波形（a）逆變電路（b）電壓波形8.1.2電壓型逆變電路

(a)(b)圖8-4全橋逆變電路與電壓波形(a)全橋逆變電路(b)電壓波形

8.1.2電壓型逆變電路圖8-5帶中心抽頭變壓器的逆變電路8.1.2電壓型逆變電路（4）三相電壓型逆變電路，如圖8-6所示，由

3個(gè)單相逆變電路組合而成，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路。三相電壓型逆變電路基本工作方式如下：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3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上、下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。圖8-6三相電壓型逆變電路8.1.3電流型逆變電路電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。電流型逆變電路可分為單相電流型逆變電路和三相電流型逆變電路。電流型逆變電路的主要特點(diǎn)：（1)直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。（2)交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。（3)電流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反向并聯(lián)二極管。1.單相電流型逆變電路（1)電路原理。單相電流型逆變電路如圖8-7所示，由4個(gè)橋臂構(gòu)成,每個(gè)橋臂的品閘管各串聯(lián)1個(gè)電抗器,用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。（2）工作方式。實(shí)際工作過程中,感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化,必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整,這種控制方式稱為自勵(lì)方式。8.1.3電流型逆變電路圖8-7單相電流型逆變電路

8.1.3電流型逆變電路圖8-8三相電流型逆變電路8.2AC/DC變換電路8.2.1AC/DC變換電路概述8.2.2不可控AC/DC變換電路1.AC/DC變換電路的功能AC/DC變換電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。新能源汽車電源電路中的AC/DC變換電路主要由整流二極管組成，其主要作用是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電。2.AC/DC變換電路的分類新能源汽車電源電路中的AC/DC變換電路按AC/DC變換電路主要有單相半波整流電路、單相全波整流電路、三相橋式整流電路三種類型。8.2.1AC/DC變換電路概述8.2.2不可控AC/DC變換電路1.單相半波整流電路（1）整流電路。半波整流電路是電源電路中一種最簡(jiǎn)單的整流電路,它的電路結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,由整流變壓器、二極管及負(fù)載組成。單相半波整流電路與波形如圖8-9所示。(a)(b)圖8-9單相半波整流電路與波形(a)

整流電路

(b)波形1.單相半波整流電路(2)工作原理。當(dāng)u為正半周時(shí),二極管VD正向?qū)?當(dāng)u為負(fù)半周時(shí),二極管VD反向截止。

(3)輸出電壓和輸出電流。負(fù)載電阻上得到的是一個(gè)半波整流電壓,整流電壓雖然是單方向的,但其大小是變化的,稱之為脈動(dòng)直流電壓,如圖8-10所示。整流輸出電壓平均值U=0.45U。8.2.2不可控AC/DC變換電路圖8-10半相整流電路波形變化2.單相橋式整流電路（1）整流電路。為了克服半波整流電路的缺點(diǎn),在實(shí)際電路中多采用全波整流電路,最常用的全波整流電路是橋式整流電路。橋式整流電路由4個(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成,如圖8-11a所示。8.2.2不可控AC/DC變換電路u(a)(b)圖8-11單相橋式整流電路與電壓波形(a)整流電路

(b)電壓波形8.2.2不可控AC/DC變換電路

8.2.2不可控AC/DC變換電路8.2.2不可控AC/DC變換電路3.三相橋式整流電路圖8-13三相橋式不可控整流電路負(fù)載電壓波形8.3AC/AC變換電路8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路8.3.2變頻AC/AC變換電路8.3AC/AC變換電路AC/AC變換電路是把一種形式的交流(AC)電能轉(zhuǎn)變成另一種形式的交流(AC)電能的電力電子裝置、稱為交流/交流變換電路。采用品閘管等電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的AC/AC變換電路可分為兩大類:一類是頻率不變僅改變電壓大小的AC/AC變換電路,稱為恒頻變壓AC/AC變換電路;另一類是直接將一個(gè)較高頻率交流電變?yōu)檩^低頻率交流電的相控方式降頻降壓變換電路,稱為變壓變頻AC/AC變換電路。8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路恒頻變壓AC/AC變換電路,通常稱為交流調(diào)壓電路,是指由晶閘管等電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的,把一種交流電變成另一種同頻率不同電壓的交流電變換裝置。按所變換的相數(shù)不同,交流調(diào)壓電路可分為單相交流調(diào)壓電路及三相交流調(diào)壓電路。交流調(diào)壓器的控制方式有整周波通斷控制,相位控制,斬波控制三種。斬波控制中,晶閘管要帶有強(qiáng)迫關(guān)斷電路或采用IGBT等可自關(guān)斷器件,在每個(gè)電壓周波中,開關(guān)器件多次通斷,使電壓斬波成多個(gè)脈沖,通過改變導(dǎo)通比即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。三種控制方式的輸出電壓波形如圖8-14所示。相位控制交流調(diào)壓又稱相控調(diào)壓,是交流調(diào)壓中的基本控制方式應(yīng)用最廣。圖8-14交流調(diào)壓三種控制方式的輸出電壓波形

8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路(a)(b)圖8-15電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路圖及其波形(a)主電路

(b)波形8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路1.晶閘管單相交流調(diào)壓電路(2)電阻-電感性負(fù)載(阻感負(fù)載)。阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形如圖8-16所示,阻感負(fù)載是交流調(diào)壓電路最具代表性的負(fù)載。由于電感的儲(chǔ)能作用,負(fù)載電流的變化滯后于電壓的變化,因而和電阻性負(fù)載相比具有新的特點(diǎn)。負(fù)載電流在電源電壓過零后還要延遲一段時(shí)間才能降到零,即電壓過零時(shí)晶閘管不關(guān)斷,還將繼續(xù)導(dǎo)通到負(fù)半周,延遲的時(shí)間與負(fù)載功率因數(shù)角φ(φ=arctan(?L/R))有關(guān);電流過零時(shí)晶閘管關(guān)斷。綜上所述,交流調(diào)壓電路帶電感-電阻性負(fù)載時(shí),為使電路正常工作,需保證:①φ<α<π。②采用寬度大于60°的寬脈沖或脈沖列。(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

2.三相交流調(diào)壓電路若把三個(gè)單相交流調(diào)壓電路接在對(duì)稱的三相電源上,讓其互差2π/3相位工作,如三相交流調(diào)壓電路,其主電路的連接形式繁多,其中如圖8-17所示的無中性線的星形聯(lián)結(jié),它的波形正負(fù)對(duì)稱,負(fù)載中及電路中都無諧波電流,因此得到廣泛的應(yīng)用。8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路圖8-17三相負(fù)載無中性線星形連接的調(diào)壓電路8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路2.三相交流調(diào)壓電路圖8-18所示為電阻負(fù)載星形聯(lián)結(jié)的三相交流調(diào)壓器,為分析其工作原理,首先要確定觸發(fā)脈沖起始控制點(diǎn),電阻負(fù)載時(shí)相電流和相電壓同相位,且相電壓過零時(shí)刻開始,相應(yīng)的二極管開始導(dǎo)通。圖8-18電阻負(fù)載星形聯(lián)結(jié)的三相交流調(diào)壓器2.三相交流調(diào)壓電路(1)觸發(fā)延遲角α=0。圖8-19所示為α=0°時(shí)的電壓波形。晶閘管觸發(fā)信號(hào)在各相電壓的自然過零點(diǎn)給出,任何時(shí)刻每相均有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通,三相電壓直接接到三相電阻R上,電壓、電流及所α=0°有晶閘管的導(dǎo)通都是三相對(duì)稱的。8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路

8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路

8.3.1恒頻變壓AC/AC變換電路

8.3.2變頻AC/AC變換電路

8.3.2變頻AC/AC變換電路1.單相變頻AC/AC變換電路（a)（b)圖8-22變頻AC/AC變換電路及波形（a)電路（b)輸出電壓波形8.3.2變頻AC/AC變換電路2.三相變頻AC/AC變換電路三相交流/交流變換電路電路接線形式主要有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式兩種。(1)公共交流母線進(jìn)線方式。圖8-23所示的是采用公共交流母線進(jìn)線方式的三相變頻AC/AC變換電路原理圖,它由三相彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位差為120°的單相交流/交流變換電路組成,它們的電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。(2)輸出星形聯(lián)結(jié)方式。圖8-24所示的是采用輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相變頻AC/AC變換電路原理圖,電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。三相變頻AC/AC變換電路的特點(diǎn)如下:①直接一次變換,效率較高；②可方便實(shí)現(xiàn)四象限工作；③低頻輸出波形接近正弦波。8.3.2變頻AC/AC變換電路2.三相變頻AC/AC變換電路圖8-24采用輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相變頻AC/AC變換電路原理圖圖8-23采用公共交流母線進(jìn)線方式的三相變頻AC/AC變換電路原理圖8.4PWM控制電路8.4.1PWM控制電路概述8.4.2PWM控制電路的應(yīng)用8.4.1PWM控制電路概述脈沖寬度調(diào)制技術(shù)通常利用半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定周期和寬度的電壓脈沖序列,以實(shí)現(xiàn)變壓、變流、變頻、控制和消除諧波的目標(biāo)。在嵌入式微控制器中,PWM模塊的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制,廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。圖8-25中心對(duì)稱型PWM信號(hào)和邊沿對(duì)稱形型PWM信號(hào)8.4.1PWM控制電路概述1.PWM信號(hào)的類型8.4.1PWM控制電路概述2.PWM信號(hào)的占空比圖8-26一個(gè)PWM信號(hào)8.4.1PWM控制電路概述3.PWM數(shù)字信號(hào)的發(fā)生對(duì)于周期和占空比相同的PWM信號(hào),中心對(duì)稱型PWM信號(hào)和邊沿對(duì)稱型PWM信號(hào)的高低電平跳變的時(shí)刻不同。對(duì)于占空比不同的PWM信號(hào),每個(gè)周期的PWM信號(hào)的電平跳變的時(shí)刻也不相同。嵌入式微控制器常配置PWM模塊,它的基本組成有時(shí)鐘、PWM計(jì)數(shù)器、PWM占空比寄存器、比較器和PWM周期寄存器等,如圖8-27所示。圖8-27PWM數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的框圖8.4.1PWM控制電路概述3.PWM數(shù)字信號(hào)的發(fā)生PWM信號(hào)的波形如圖8-28所示。（a）

（b）圖8-28PWM信號(hào)波形圖（a）中心對(duì)稱形（b）邊沿對(duì)稱形8.4.1PWM控制電路概述3.PWM數(shù)字信號(hào)的發(fā)生

8.4.1PWM控制電路概述3.PWM數(shù)字信號(hào)的發(fā)生

8.4.2PWM控制電路的應(yīng)用1.PWM直流斬波電路

8.4.2PWM控制電路的應(yīng)用1.PWM直流斬波電路(1)PWM直流斬波原理用可控的功率開關(guān)管代替開關(guān),輸入一定的控制信號(hào),控制電路的交替通斷,獲得可調(diào)的輸出電壓,達(dá)到降壓的目的。如圖8-30所示是基本斬波電路與輸出電路波形。(a)(b)圖8-30基本斬波電路與輸出電壓波形(a)基本斬波電路

(b)輸出電壓波形8.4.2PWM控制電路的應(yīng)用1.PWM直流斬波電路(1)PWM直流斬波原理

8.4.2PWM控制電路的應(yīng)用1.PWM直流斬波電路

(a)