《電力電子技術(shù)》課件第7章

第7章典型電力電子裝置介紹7.1開關(guān)電源7.2UPS不間斷電源7.3有源功率因數(shù)校正器

7.1開關(guān)電源

7.1.1開關(guān)電源的基本工作原理

1．線性穩(wěn)壓電源的工作原理及其特點

穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源。

在電子技術(shù)等課程中所介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源，它的特點是，起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)。線性穩(wěn)壓電源如圖7-1所示，由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器、串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器等組成。圖7-1線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性，但同時存在以下缺點：

(1)輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大。

(2)電壓調(diào)整器件(圖7-1所示中的三極管)工作在線性放大區(qū)內(nèi)，損耗大，效率低。

(3)過載能力差。

2．開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)，這種電源中起電壓調(diào)整和實現(xiàn)穩(wěn)壓控制功能的器件始終以

開關(guān)方式工作。圖7-2所示為輸入、輸出隔離的開關(guān)電源基本框圖。圖7-2開關(guān)電源的基本框圖

3．開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理

在開關(guān)電源中，變換電路起著主要的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓作用，是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管開關(guān)周期的占空比來實現(xiàn)的。占空比的概念為：設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T，在一個周期內(nèi)，導通時間為ton，則占空比定義為D＝ton／T。在開關(guān)電源中，改變占空比的控制方式有兩種，即脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PWF)。在脈沖寬度調(diào)制中，保持開關(guān)頻率(開關(guān)周期T)不變，通過改變ton來改變占空比D，從而達到改變輸出電壓的目的。即當D越大，濾波后輸出電壓也就越大；D越小，濾波后輸出電壓越小，如圖7-3所示。圖7-3

PWM控制方式

4．開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點

開關(guān)穩(wěn)壓電源具有如下的優(yōu)點：

(1)功耗小，效率高。

(2)體積小，重量輕。

(3)穩(wěn)壓范圍寬。

(4)電路形式靈活多樣。7.1.2隔離式高頻變換電路

1．正激式變換電路

所謂正激式變換電路(Forward)，是指開關(guān)電源中的變換器不僅起著調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定的作用，而且作為振蕩器產(chǎn)生恒定周期T的方波，后續(xù)電路中的脈沖變壓器也具有振蕩器的作用。圖7-4正激變換電路(a)原理圖；(b)開關(guān)管V1的驅(qū)動波形ui；(c)uf波形當控制電路使V1截止時，變壓器原、副邊輸出電壓均為零。此時，變壓器原邊在V1導通時存儲的能量經(jīng)過線圈N3和二極管VD3反送回電源。變壓器的副邊由于輸出電壓為零，

因此二極管VD1截止，電感L通過二極管VD2續(xù)流并向負載釋放能量，因電容C1的濾波作用，此時負載上所獲得的電壓保持不變，其輸出電壓為

2．半橋變換電路

半橋變換電路又可稱為半橋逆變電路，其原理圖如圖

7-5(a)所示。

兩個輸入電容C1、C2的容量相同，其中A點的電壓UA是輸入電壓Ui的一半，即有UC1＝UC2

＝Ui／2。開關(guān)管V1和V2的驅(qū)動信號分別為ug1和ug2，由控制電路產(chǎn)生兩個互為反相的PWM信號，如圖7-5(b)所示。圖7-5半橋變換電路及波形(a)原理圖；(b)波形圖

3．全橋變換電路

將半橋電路中的兩個電解電容C1和C2換成另外兩只開關(guān)管，并配上相應(yīng)的驅(qū)動電路即可組成圖7-6所示的全橋變換電路。驅(qū)動信號ug1與ug4相同，ug2與ug3相同，而且ug1、ug4與ug2、ug3互為反相。圖7-6全橋變換電路7.1.3開關(guān)電源的應(yīng)用

圖7-7所示為由開關(guān)電源構(gòu)成的電力系統(tǒng)用直流操作電源的電路，其中圖(a)為主電路，圖(b)為控制電路。主電路采

用半橋變換電路，額定輸出直流電壓為220V，輸出電流為

10A，包含圖7-2中所有的基本功能模塊。下面簡單介紹各

功能模塊的具體電路。圖7-7直流操作電源電路(a)主電路；(b)控制電路

1．交流進線濾波器

電磁干擾EMI為英文ElectromagneticInterference的縮寫。為了防止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進入電網(wǎng)或者電網(wǎng)的噪聲進入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作，必須在開關(guān)電源的輸入端施加EMI濾波器。有時又稱EMI濾波器為電源濾

波器，用于濾除電源輸入輸出中的高頻噪聲(150kHz～

30MHz)。圖7-8所示為一種常用的高性能EMI濾波器，

該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。圖7-8交流進線EMI濾波器

2．啟動浪涌抑制電路

當開啟電源時，由于將對濾波電容C1和C2充電，接通電源的瞬間電容相當于短路，因此會產(chǎn)生很大的浪涌電流，其大小取決于啟動時交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。

3．輸出控制電路

控制電路是開關(guān)電源的核心，它決定開關(guān)電源的動態(tài)穩(wěn)定性。該開關(guān)電源采用雙閉環(huán)控制方式，如圖7-9所示。圖7-9直流開關(guān)電源控制系統(tǒng)原理框圖

4．SG3525的管腳功能

SG3525系列開關(guān)電源PWM控制集成電路是美國硅通用公司設(shè)計的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量小，適用于各種開關(guān)電源。圖7-10所示為SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

框圖。圖7-10

SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

5．IGBT驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用日本三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動模塊M57962L。該驅(qū)動模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動和過流保護集

于一體，能驅(qū)動電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400A的IGBT。IGBT驅(qū)動電路的接線圖如圖7-11所示。圖7-11

IGBT驅(qū)動電路

7.2

UPS不間斷電源

7.2.1

UPS的分類

1．離線式UPS

離線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-12所示，它由充電器、蓄電池組、逆變器、交流穩(wěn)壓器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等部分組成。圖7-12離線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖離線式UPS的特點：

(1)當市電正常時，市電只是通過交流穩(wěn)壓后直接輸出至負載，因此對市電噪聲以及浪涌的抑制能力較差。

(2)存在轉(zhuǎn)換時間。

(3)保護性能較差。

(4)結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，控制容易，成本低。

2．在線式UPS

在線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-13所示，它由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)(轉(zhuǎn)換)開關(guān)等部分組成。圖7-13在線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖由于在線式UPS總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應(yīng)特性好，波形畸變小，因此，其供電質(zhì)量明顯優(yōu)于離線式UPS。目前大多數(shù)UPS，特別是大功率UPS均為在線式。

在線式UPS的特點如下：

(1)輸出的電壓經(jīng)過UPS的處理，輸出電源品質(zhì)較高。

(2)無轉(zhuǎn)換時間。

(3)結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。

(4)保護性能好，對市電噪聲以及浪涌的抑制能力強。

3．在線交互式UPS

在線交互式UPS的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-14所示，它由交流穩(wěn)壓器、逆變/整流電路、雙向轉(zhuǎn)換器等組成。市電正常工作時經(jīng)交流穩(wěn)壓器后直接輸出給負載，此時通過雙向轉(zhuǎn)換器，逆變器工作在整流狀態(tài)，作為充電器向蓄電池組充電。當市電掉電時，逆變器則將電池能量轉(zhuǎn)換為交流電輸出給負載。圖7-14在線交互式UPS的結(jié)構(gòu)框圖在線交互式UPS的特點：

(1)具有雙向性轉(zhuǎn)換器設(shè)計，UPS電池充電間較短。

(2)存在轉(zhuǎn)換時間。

(3)控制結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。

(4)保護性能介于在線式與離線式UPS之間，對市電噪聲和浪涌的抑制能力較差。7.2.2

UPS電源的整流器

如圖7-15所示是單相全控橋式PWM整流電路，其中起整流作用的開關(guān)器件采用全控器件IGBT。圖7-15單相全控橋式PWM整流電路單相全控橋式PWM整流電路的工作原理為：在交流電源us的正半周期，控制電路關(guān)斷V2、V3，而在V1、V4的控制極輸入SPWM控制脈沖序列，則在A、B兩點間獲得正半周期的SPWM波形，如圖7-16所示。圖7-16單相全控橋式PWM整流電路波形圖7-17給出了如何實現(xiàn)電源電流is與電壓us同相位的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓環(huán)為外環(huán)，其作用是用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定整流輸出電壓；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是使整流電路交流側(cè)的電流is與電壓us相位相同。圖7-17直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.2.3

UPS中的逆變器

正弦波輸出的UPS通常采用SPWM逆變器，這是抑制諧波分量的最有效的方法之一，有單相輸出，也有三相輸出。下面以單相橋式脈寬調(diào)制逆變器為例，說明它的基本工作原理。如圖7-18所示，對于小功率的UPS，電路中的開關(guān)器件一般采用MOSFET管；而對于大功率的UPS，則采用IGBT管。圖7-18

UPS單相逆變電路在圖7-18中，V1、V2和V3、V4不能同時導通，否則將使輸入直流電源短路，這個電路只在V1、V4和V2、V3間交替導通與關(guān)斷，負載上才有連續(xù)的交流矩形波。如果在輸出電壓的半個周期內(nèi)V1和V4導通和關(guān)斷許多次，在另外半個周期內(nèi)V2和V3也導通和關(guān)斷同樣的次數(shù)，并且在每半周期內(nèi)開關(guān)器件的導通時間按正弦規(guī)律變化，那么輸出波形如圖7-19

所示。圖7-19

UPS單相逆變電路輸出波形逆變器是UPS的核心部分，這不僅由它的功能所決定，也可從它的控制電路的復雜程度看出來。目前逆變器的主電路已比較完善，但是逆變器的控制電路卻千變?nèi)f化，差別很大。一般而言，UPS電源逆變器的控制電路除了與整流電路一樣，通過電壓閉環(huán)控制，實現(xiàn)輸出電壓的自動調(diào)節(jié)和自動穩(wěn)壓外，還要實現(xiàn)相位跟蹤。圖7-20中所示的電壓給定信號U*d、電壓反饋信號uF、PI調(diào)節(jié)器即可完成上述功能。圖7-20

UPS逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7.2.4

UPS中的鎖相技術(shù)

基本的鎖相環(huán)路由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器組成，如圖7-21所示。圖7-21基本鎖相環(huán)路的方框圖7.2.5

UPS中的靜態(tài)開關(guān)

所謂靜態(tài)開關(guān)是一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無觸點通、斷組件。如圖7-22(a)所示為光/電雙向晶閘管耦合器非零電壓開關(guān)，當輸入端1、2輸入信號時，光/電雙向晶閘管耦合器B導通，門極由R2、B形成通路觸發(fā)雙向晶閘管。這種電路相對于輸入信號的交流電源的任意相位均可同步接通，稱為非零電壓開關(guān)。圖7-22兩種靜態(tài)開關(guān)(a)非零電壓開關(guān)；(b)零電壓開關(guān)為了進一步提高UPS的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開關(guān)，將市電作為UPS的后備電源，在UPS發(fā)生故障或維護、檢修時，無間斷地將負載切換到市電上，由市電直接供電。靜態(tài)開關(guān)的主電路比較簡單，一般由兩只晶閘管或一只雙向晶閘管組成，單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)如圖7-23所示。圖7-23單相輸出UPS靜態(tài)開關(guān)原理圖

7.3有源功率因數(shù)校正器

7.3.1有源電力濾波器和有源功率因數(shù)校正

消除電力系統(tǒng)的諧波有無源技術(shù)和有源技術(shù)兩種辦法。

圖7-24有源濾波器圖7-25

APFC的基本原理框圖7.3.2畸變電流的產(chǎn)生與APFC的基本原理

圖7-26(a)所示為傳統(tǒng)的整流濾波電路，整流二極管只有在輸入電壓ui大于負載電壓uo時才導通。也就是說只有在電容C充電期間才有電網(wǎng)的輸入電流ii，該電流為峰值很高的脈沖電流，如圖7-26(b)所示。由于輸入電流波形畸變導致功率因數(shù)下降，并產(chǎn)生高次諧波分量，因此污染電網(wǎng)。圖7-26傳統(tǒng)整流電路及波形圖(a)整流濾波電路；(b)波形圖采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)是解決上述問題的有效途徑。APFC技術(shù)的基本思想是將輸入交流電進行全波整流，在整流電路與濾波電容之間加入DC/DC變換，通過適當控制使輸入電流的波形自動跟隨輸入電壓的波形，即整流器的輸出電流跟隨它輸出的直流脈動電壓波形，且要保持儲能電容電壓穩(wěn)定，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出和單位功率因輸入，APFC基本電路如圖7-27所示。圖7-27

APFC基本電路7.3.3有源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)

APFC的電路結(jié)構(gòu)有雙級式和單級式，如圖7-28所示。圖7-28有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)(a)雙級式；(b)單級式7.3.4有源功率因數(shù)校正的控制

有源功率因數(shù)校正(Boost-APFC)技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流，使之在對濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同，從而避免電流脈沖的形成，達到改善功率因數(shù)的目的。Boost-APFC原理電路圖如圖7-29所