第4章逆变电路

1、第第4 4章章 DC/ACDC/AC逆变电路逆变电路本章内容本章内容逆变的定义、逆变电路的分类；逆变的定义、逆变电路的分类；典型典型电压型逆变电路电压型逆变电路的基本组成、工作原理和特性；的基本组成、工作原理和特性；电压型逆变电路的应用实例（开关电源和变频器）；电压型逆变电路的应用实例（开关电源和变频器）；电流型逆变电路电流型逆变电路的基本组成、特点、工作原理；的基本组成、特点、工作原理；并联型多重逆变电路和串联型多重逆变电路。并联型多重逆变电路和串联型多重逆变电路。主要内容：主要内容：逆变把直流电变成交流电逆变器实现逆变的装置逆变电路将直流电逆变成交流电的电路。一般指无源逆变电路第第4 4章

2、章 DC/ACDC/AC逆变电路逆变电路概述概述第第4 4章章 DC/ACDC/AC逆变电路逆变电路概述概述逆变电路应用广泛，在各种直流电源、电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的电路核心部分都是逆变电路。4.1 逆变概念4.1.1 逆变的定义4.1.2 逆变电路的分类4.1.3 换流方式4.1.1 4.1.1 逆变的定义逆变的定义uS1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成负载S1S2S3S4iouoUS 逆变电路原理图 阻抗性负载波形u当开关S1、S4 闭合，S2、S3断开时，负载电压uo =USu输出uo为交流电

3、，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。u当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo = US4.1.1 4.1.1 逆变的定义逆变的定义u 当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同 电阻型负载波形阻感性负载波形u当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同直流电到交流电的直流电到交流电的变换称为逆变。变换称为逆变。4.1.2 4.1.2 逆变电路的分类逆变电路的分类根据输出电能去向，分为有源逆变电路和无源逆变电路两种。根据直流侧电源性质，分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种根据输出相数，分为单相逆变电路和多相逆变电路两种。根据逆变电路的结构，分为半桥式、全桥式和推挽式逆

4、变电路。4.1.2 4.1.2 逆变电路的分类逆变电路的分类根据逆变电路的器件，分为由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路和由无关断能力的半控型器件（如普通晶闸管）组成的半控型逆变电路两种。根据按所用的电力电子器件的换流方式，可 分 为 自 关 断 （ 如 G T O , G T R , 电 力MOSFET,IGBT等）、强迫换流、电网换流以及负载谐振换流逆变电路。有源逆变和无源逆变u有源逆变：其交流侧接在交流电网上根据输出电能去向，分为有源逆变电路和无源逆变电路两种。无源逆变：交流侧直接和负载连接有源逆变过程为：直流电逆变器交流电交流电网无源逆变过程为：直流电逆变器交流电负载（如电

5、机）有源逆变和无源逆变u有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等方面。u无源逆变电路常用于开关电源、交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等。电压型逆变电路和电流型逆变电路 电压型逆变电路（Voltage Source Type Inverter-VSTI ）直流侧是电压源 电流型逆变电路（Current Source Type Inverter-CSTI ）直流侧是电流源根据直流侧电源性质，分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。电压型逆变电路广泛应用于由自关断器件组成的开关电源、变频器等装置中。4.1.3 换流方式换流的概念 电流从一个支

6、路向另一个支路转移的过程称为换流，也称为换相。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。换流方式分类： 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。电网换流（Line Commutation） 利用电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不适用于没有交流电网的无源逆变电路。4.1.3 换流方式强迫换流（Forced Commutation） 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。直接耦合式强迫换流原理图负载换流（Lo

7、ad Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。负载换流的电流型逆变电路4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.2.1 单相电压型逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路4.2.3 电压型逆变电路的应用4.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 本节介绍单相和三相电压型逆变电路的基本组成、工作原理和特性。 电压型逆变电路（Voltage Source Type Inverter-VSTI ）直流侧是电压源电压型逆变电路，也称电压源型逆变电路。电压型逆变电路的特点电压型逆变电路的特点：1）直流侧电压基本无脉动。直流侧为电压源或并联大电容，相当于电压源。2）输出电压为矩形波，

8、交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。4.2.1 单相电压型逆变电路1半桥逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成单相半桥电压型逆变电路+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点4.2.1 单相电压型逆变电路1半桥逆变电路单相半桥电压型逆变电路+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2控制方式:开关器件V1和

9、V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。 分析稳态波形 假设电容电压基本不变 V1 / VD1导通时负载电流计算公式+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2单相半桥电压型逆变电路2dooURidtdiL初值io(0)输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2输出电流io波形随负载情况而异。 V1 / VD1导通时uo =Ud/2 io按指数规律上升. V2 / VD2导通时uo =-Ud/2 io按指数规律下降.V1 / VD1导通时等效电路ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相半桥电压型逆变电路感性负载

10、工作波形 t2时刻以前V1通，V2断 t2时刻给V1关断/ V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。 t3时刻io降为零，VD2截止，V2开通，io将反向。 t4时刻给V2关断/V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。+- -RLUdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2单相半桥电压型逆变电路 VD1或VD2导通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2单相半桥电压型逆变电路感性负载工作波形+- -RLUdiouoV1V2VD1

11、VD2Ud2Ud2单相半桥电压型逆变电路 V1或V2导通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。二极管反馈二极管反馈二极管是负载向直流侧反馈能量的通道续流二极管续流二极管使负载电流连续u可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。1半桥逆变电路二极管作用半桥逆变电路特点半桥逆变电路特点优点 简单，使用开关器件少，抗电路不平衡能力强 缺点 输出交流电压幅值只有Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两者电压均衡半桥逆变电路常用于几k

12、W以下的小功率逆变电源2全桥逆变电路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型全桥逆变电路(全桥逆变电路）电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对。禁止上下桥臂同时导通控制方式成对桥臂同时导通，两对桥臂交替导通。2 全桥逆变电路 V1 、V4/ VD1、VD4导通时负载电流计算公式dooURidtdiL初值io(0) V1 、V4/ VD1、VD4导通时uo =Ud， io按指数规律上升. V2 、V3/ VD2、VD3导通时uo =-Ud， io按指数规律下降.tOuoUm- -Um工作波形tOiot1t2

13、t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型全桥逆变电路2全桥逆变电路工作波形l电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形uo形状相同，但幅值高出一倍，Um=Udt tt tOOOOuo oU Umm- - U Ummi io ot t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6V V1 1V V2 2V V1 1V V2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2l 输出电流io波形和半桥电路的io形状相同，幅值增加一倍工作原理+- -CRLUdV1V2

14、V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型全桥逆变电路基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为:.5sin513sin31sin4tttUudoddo1mUUU27. 14ddoUUU9 . 0221主要数量关系ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作波形输出电压有效值:doUU 输出电压谐波分析将幅值为Ud 的矩形波uo展开成傅里叶级数，得:主要数量关系输出电流计算:dooURidtdiL0tt2初值iomdooURidtdiLt2tt4初值ioM负载为RL时，输出电流io的基波分量为:)sin()(4)(2201tLR1Utid

15、ttOOuoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作波形+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio电压型全桥逆变电路?输出电压=Ud不变采用移相方式调节输出电压移相调压移相调压V4的栅极信号比V2落后q 2全桥逆变电路实质:调节输出电压脉冲的宽度调电压单相全桥逆变电路的移相调压方式+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioV1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补V3的基极信号比V1落后q ( 0 q 180)控制方案:tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4iot1t2t3iotOuo单

16、相全桥逆变电路的移相调压方式lt1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，因io不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流，因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt1时刻前V1和V4导通，输出电压uo=Ud 电流上升t1t2间V1、VD3导通t1uo工作原理tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt2时刻V1和V2栅极信号反向， V1截止， V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道， uo= -Ud, 电流下降,t20时刻电流=0t

17、2t20间VD2、VD3导通t20iot1t2t3iotOuot1uol t20时刻,负载电流过零开始反向， VD2和VD3截止， V2和V3开始导通， uo=- Ud工作原理tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiot20t3间V2、V3导通t20iot1t2t3iotOuot1uo输出电压uo的正负脉冲宽度为 ，改变 ，可调节输出电压tOuG1tOuG2tOq quG3tOuG4工作原理+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiolt3时刻V3和V4栅极信号再次反向， V3截止， V4不能立刻导通，

18、 VD4导通续流， uo=0t3t4间V2、VD4导通t20iot1t2t3iotOuot1uot4lt4时刻V1和V2栅极信号再次反向， 进入下一个开关周期若逆变输出功率为数千瓦到数百千瓦，可采用MOSFET, IGBT等高频自关断器件，若逆变电路输出功率很大，其电路中的开关器件应采用GTO、IGCT 优点是器件承受电压不高，输出功率大全桥逆变电路特点全桥逆变电路特点缺点是使用的开关器件多，驱动较复杂，适用于大功率的逆变器3 3带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUdV1V2VD1VD2l交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩

19、形波交流电压3 3带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUSV1V2VD1VD2V1断开、V2导通等效电路3 3带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUSV1V2VD1VD2V2断开、V1导通等效电路3 3带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUdV1V2VD1VD2l 当Ud和负载参数相同、变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:11:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同l交替驱动两个IGBT，经变压器

20、耦合给负载加上矩形波交流电压l两个二极管的作用是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道3 3带中心抽头变压器的逆变电路带中心抽头变压器的逆变电路l必须有一个变压器 带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUdV1V2VD1VD2l 带中心抽头变压器的逆变电路比全桥电路少用一半开关器件，但器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。4.2.2 4.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路三相电压型桥式逆变电路通常应用的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。NN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR4.2.2 4.2.2

21、三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路每次换流都是在同一相上下两臂之间进行控制方式:l电压型三相桥式逆变电路可用180导电方式，上下桥臂驱动信号互补l各相开始导电的角度依次相差120 在任一瞬间将有三个桥臂同时导通U相输出电压波形相输出电压波形当桥臂1导通时， uUN =Ud /2Ud /2Ud /2V1V4V1uUNttUG当桥臂4导通时， uUN=Ud /2 uUN的波形是幅值为Ud/2 的矩形波 NN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR电压型三相桥式逆变电路180导电模式工作波形V、W两相波两相波形和形和U相类似相类似, ,只是相

22、位依次相差120V3V6V3tV6V5V2tV2V1V4V1tUGuUNUd /2Ud /2tuVNt120uWNt120其中负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为uNNNN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuNN+-UVWV1VD 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dUR 负载相电压)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu)(31 WN VN UNNNuuuu负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得:NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuNN+-UVWV1VD

23、 5VD 2VD 6VD 3VD 1VD 4V3V5V4V6V22dU2dURuUNUd/2Ud /2tuVNt120uWNt120uNNtUd /6)(31 WN VN UNNNuuuu负载相电压波形uUN= uUN- uNNtuUN负载参数已知时，可由uUN波形求出U相电流iU波形，负载的阻抗角j不同，iu的波形形状和相位都有所不同2Ud /3三相桥式逆变电路输出相电压展开成傅里叶级数得:式中，n=6k1, k为自然数111)120sin(12)120sin(12sin12ndWNndVNndUNtnnUutnnUutnnUu电压谐波分析1sin12ndUNtnnUu电压谐波分析输出相电压

24、有效值UUN为:相电压基波幅值为:ddUN1mUUU637. 02dUNUNUtduU471. 021202电压谐波分析负载线电压有效值UUV为:负载线电压:11)120sin(12sin12ndVNndUNtnnUutnnUu1)6sin(6cos14ndUVtnnnUudUVUVUtduU816.021202式中，n=6k1, k为自然数电压谐波分析SdUV1mUUU1 . 132线电压基波幅值为:ddUV1mUV1UUUU78. 062线电压基波有效值为:负载线电压:1)6sin(6cos14ndUVtnnnUu输出电压中谐波成份约4.5%dUVUU816.0已知线电压有效值为:直通的防

25、止在180导电方式逆变电路中，为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路直通，要采取“先断后通”的方法。为防止直通,应先关断导通桥臂的器件, 并留有短暂的时间（称为死区时间），然后再开通应导通桥臂的器件。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。死区时间的存在加大了输出波形的谐波成份。4.2.3 4.2.3 电压型逆变电路的应用电压型逆变电路的应用电压型逆变电路的应用十分广泛，典型应用:l开关电源开关电源l变频器变频器1 1开关电源原理与设计开关电源原理与设计开关电源通常是指利用自关断器件和PWM控制技术制成的高频开关式直流稳压电源，在用电

26、设备中得到了普遍应用。开关电源具有如下优点： 用材少 体积小 重量轻 效率高）开关电源的性能指标）开关电源的性能指标主要的电气性能指标：输入电源的相数、频率输入电源的相数、频率：根据输出功率的不同，可采用单相或三相电源供电。输出功率高于5kW时通常采用三相电源供电，以使三相负荷均衡。额定输入电压、容许电压波动范围额定输入电压、容许电压波动范围：在容许输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。额定输入电流额定输入电流：在额定输入电压、额定输出功率时的输入电流。 输入功率因数输入功率因数：输入有功功率与视在功率的比值。）开关电源的性能指标）开关电源的性能指标主要的电气性能指标：额定输出直流电压额定输

27、出直流电压：指在额定输出电流时的最大输出直流电压。额定输出电流额定输出电流：额定输出电压时供给负载的最大平均电流。稳压精度稳压精度：指在容许的工作条件范围内，实际输出直流电压与额定工作条件时理想输出直流电压的比值。它反映了电源的控制精度。最大纹波电压最大纹波电压：在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。 效率：效率：指输出有功功率与输入有功功率的比值。开关电源包括主电路与控制电路两大部分 l主电路由输入整流滤波、功率因数校正、逆变电路、输出整流滤波等组成能量传递通道开关电源原理框图2）开关电源的设计原理l主电路以外的电路统称为控制电路,它

28、保证主电路正常工作，并获得设计期望的技术指标2）开关电源的设计原理l控制电路设计的基本任务是根据主电路形式确定合适的控制方法及其实现，此外应考虑必要的故障检测与保护电路。l主电路设计包括主电路形式的选择，开关工作频率，功率器件选型与额定参数的确定，变压器与电感参数的计算等。开关电源设计包括主电路设计与控制电路设计 2）开关电源的设计原理采用PWM控制方案电路设计的主要内容:（1 1）主电路形式选择）主电路形式选择 可选择半桥、全桥、单端正激/反激等电路形式（2 2） 开关工作频率开关工作频率 开关频率越高，所需要的滤波电感、电容容量越小，脉冲变压器体积也越小，然而开关器件的损耗也越大，对开关器

29、件的开关速度要求也越高，干扰抑制等问题也更复杂 综合选择确定开关工作频率。(3) (3) 功率器件的确定功率器件的确定 根据输出功率要求与主电路开关工作频率，可基本选定功率器件类型。一旦选定器件类型，则容易根据器件特点、主电路形式与输入输出指标确定功率器件的额定参数。磁性元件包括变压器、电感等。磁性元件设计是主电路设计的重要内容。l根据电路工作要求确定电感量大小或变压器变比。l根据对温升的限制决定允许铜耗的大小。铜耗的限制确定线圈截面积或线圈电流密度的选择范围。l确定磁性元件铁芯材料选择及绕组匝数等。(4) (4) 磁性元件设计磁性元件设计磁性元件设计内容：l在电感平均电流I、电感量L、线圈电

30、流密度J确定后，还应选择磁芯并计算电感绕组匝数、气隙长度等。电感器的设计l电感设计首先根据电路工作要求确定流过电感的平均电流及允许电流纹波的大小，同时还应给定允许的电感温升(电感铜耗)。l根据电路形式、平均电流与允许纹波大小确定所需电感量大小。l对于电感温升的限制决定允许的电感铜耗大小。铜耗的限制确定线圈截面积或线圈电流密度的选择范围。根据上式可选择或制作电感磁芯，使其窗口面积与截面积之积稍大于上述计算值。SBLINm设所选磁性材料的最大直流磁通密度为Bm，绕组匝数N为JNIkW磁芯窗口面积应满足k为窗口面积利用系数，通常在0.30.6之间。JkBLIWSm2LSNlg20设磁路气隙为lg，为

31、防止磁芯饱和，根据安培环路定律有:变压器的设计包括变比确定、磁芯材料及磁芯形式选择、绕组匝数及导线规格等。l变压器设计基本要求：a)变比的选择应使得输入电压降到允许的最低值时，仍能得到必要的最大输出电压；b) 磁芯不会饱和；c)尽可能提高变压器的利用效率：如使原、副边线圈损耗相等，铜耗与铁损相等；d)温升不超过允许的范围；e)原、副边线圈漏感要小；f)符合必要的安全规范等。变压器的设计变压器的设计l磁芯最大磁感应强度为Bm，磁芯截面积为S，绕线用窗口面积为W。变压器的设计变压器的设计l变压器原边由方波电压激励，频率为f，原边电压最大幅值为U1max，最小幅值为U1min，最大电流为I1，匝数为

32、N1l原、副边绕组电流密度为Jl副边绕组最小电压幅值为U2min，最大电流为I2，匝数为N2设计条件设计条件: 为保证最大占空比Dmax下输出额定电压Uo，要求副边最小电压满足：oDFUUDUmaxmin2DFoUUUDUUNNnmin1maxmin2min121SfBDUNm4maxmax11有关设计和计算公式有关设计和计算公式其中UDF为副边整流二极管及线路压降之和。 变比n为为保证最大输入电压与最大占空比下磁芯不会饱和，根据法拉第定律有:假定窗口面积被充分利用，则有:JINJInNJINJINJINkW11211122112有关设计和计算公式有关设计和计算公式式中k为窗口利用系数。式中，

33、P为变压器输出最大功率。 DFoUUUDnmin1maxmin1max1min1max1222)(UUkfJBPUUkfJBUUIWSmmDFoSfBDUNm4maxmax11mkfJBIUDWS21max1max 变压器设计过程为：选择或制作一磁芯，使其实际窗口面积与磁芯截面积之积略大于计算值，确定原、副边绕组匝数，原、副边导线截面积。最后，对变压器的功耗、温升、励磁电流等进行计算，验证设计是否合乎要求。min1max1min1max1222)(UUkfJBPUUkfJBUUIWSmmDFo变压器的设计变压器的设计2）开关电源的设计原理）开关电源的设计原理(5) 控制电路设计v控制电路的核心

34、是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望电压附近的目标。v目前，能实现PWM控制的集成芯片很多，也可利用单片机实现PWM控制。例例4-14-1设某设备需要一直流稳压电源，输出电压Uo=24V，最大输出电流Io=20A，输出电压纹波峰峰值不超过0.24V，输出电流5A时副边电感电流仍然连续。采用PWM控制方案，最大占空比Dmax=0.9。设输入直流电压变化范围为245350V，且采用隔离变压器的桥式逆变+二极管整流电路结构。试设计满足上述要求的电路主要参数。开关电源设计开关电源设计例例因输

35、出功率不大，可选MOSFET作为开关器件，并选逆变工作频率 ，即 usKHzf5020STu1u2IoUoCLD1D2USM4M3M2M1Us=245350V例例4-14-1解解: :依题意，所求电源电路原理图如图所示。 (1) 电路结构假设开关器件导通压降及原边线路压降之和为5伏，则 最小值为 V，最大值 V1U240min1U345max1Uu1u2IoUoCLD1D2USM4M3M2M1Us=245350V例例4-14-1解解: :（2）变压器设计 当输入电压取最小值245伏时，占空比达到最大，设此时副边电压幅值为 ，则： 2U24max2oDFVVDU 为副边二极管及线路压降之和，取

36、V，由上式得： VDFV3DFV302U变比 830/240n例例4-14-1解解: :（3）副边滤波电路设计 在副边电感电流临界连续时，输出平均电流等于电感电流纹波峰峰值的一半。24)1 (LSSLSoinLTUDDnRDUI4)1 (LSRTDL当输出电压24伏、电流5安时 欧。显然当变压器原边电压取最大值时占空比最小，对应电流连续要求的电感取最大值。 8 . 4LR例例4-14-1解解: :（3）副边滤波电路设计 62. 0)(max1minUVUnDDFo最小占空比 4)1 (minLSRTDL661012. 9410208 . 438. 0LH取L=10uH例例4-14-1解解: :

37、（3）副边滤波电路设计 当变压器原边电压取最大值时占空比最小，此时滤波电感中电流纹波最大，输出电压纹波也最大。 桥式变换器输出电压纹波峰峰值可表示为： LCfnDUDUo2max18)1 ( F610417*oULfnUC=2max1minmin8)1 (DDoU24. 0345max1U62. 0minDL=10H例例4-14-1解解: :（4）主要电力电子器件的选择 MOSFET耐压可选为(23)*350=1000V通过MOSFET电流为Io/n=20/8=2.5A可选MOSFET额定直流电流为:5A副边整流二极管耐压可选为(23)*350/8=100V额定电流可选为(1.52)*20*0

38、.7/1.57=20A2 2变频器变频器变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的设备。u作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛u可以节能、提高产品和劳动生产率等u变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成整流电 路逆变电 路控制电 路M变频器基本结构AC中间环节 DC运行指令AC主电路整流电路逆变电路中间直流环节整流电路将交流电变换成直流电；直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波；逆变电路将中间环节输出的直流电转换为频率和电压都任意可调的交流电。 2 2变频器变频器控制电路主控制电路信号检测电路基极驱动电路外部接口电路保护电路控制电路将检测电路得到的各种信号送到运

39、算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。 2 2变频器变频器1 1） 交交- -直直- -交变频器的基本原理交变频器的基本原理 交-直-交变频器是一种目前被广泛应用在交流电动机变频调速中的变频器。它是先将恒压恒频（CVCF:Constant Voltage Constant Frequency）的交流电通过整流器变成直流电，再通过逆变器将直流电变换成可控交流电的间接型变频电路。 按照不同的控制方式，交-直-交变频器可分为以下四种形式。 可控 整流 逆变可控整流器调压、六拍逆变器结构框图(1) 采用可控整流器调压、逆变器调频的控

40、制方式。调压和调频在两个环节上分别完成，器件结构简单，控制方便。工作模式为三相六拍，每周换相六次，其主要缺点是电网端功率因数较低；输出的谐波较大。这类控制方式现在采用较少。AC50Hz调压调频DCACV V V F不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器结构框图（2）采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的控制方式。它有三个环节，整流器由二极管组成，只整流不调压；调压环节由斩波器单独进行，用脉宽调压，该方法克服了功率因数较低的缺点。但由于输出逆变环节不变，所以仍有较大谐波的缺点。AC50Hz调压调频DCACVVVF不控整流斩波器逆变DC不控整流器整流、脉宽调制逆变器结构框图（3）采用不控整流

41、器整流、PWM逆变器同时调压调频的控制方式。该方法较好地解决输入功率因数较低和输出谐波大的问题。PWM逆变器采 用了全控式电力电子开关器件，因此输出的谐波大小取决于PWM的开关频率以及PWM的控制方式AC50Hz调压调频DCACVVVF 不控 整流 PWM 逆变器PWM整流器整流、PWM逆变器调压调频结构框图（4) 采用PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的控制方式。整个系统对电网的谐波污染可以控制得很低，同时具有较高的功率因数。而且通过PWM控制可使系统进行再生制动，即可以使异步电机在四象限上运行。AC50Hz调压调频DCACVVVFPWM可控整流PWM逆变器中间环节优点:功率因数高、能量可

42、双向流动缺点：控制复杂，使用IGBT多电流型变频器u当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，输出交流电压是矩形波或阶梯波电压型逆变器逆 变 器电压型变频器 + - UdCd逆变器 + - LdUdId中间直流环节u当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，输出交流电流是矩形波或阶梯波电流型逆变器2）变频电路中泵升电压处理图示为常用交-直-交电压型PWM变频电路。整流器只能由电源向直流侧输送能量。不能再生反馈的电压型变频电路AC（负载）AC（电源）图中逆变电路的能量是可以双向流动的，在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压。当向中间直流环节反馈的

43、负载能量较大时，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。2 2）变频电路中泵升电压处理为了限制泵升电压，可采用带有泵升电压限制电路的电压型变频电路：泵升电压限制电路由开关器件V0 和能耗电阻R0组成，与直流侧电容并联。当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。这种电路可运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。AC负载AC电源V0R0带有泵升电压限制电路的电压型变频电路2 2）变频电路中泵升电压处理利用可控变流器实现再生反馈的电压型变频电路：当负载回馈能量时，中间直流电压上升，使不可控整流电路停止工作，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回

44、电网。利用可控变流器实现再生反馈的电压型变频电路 AC负载AC电源3 3）变频器的主要参数计算）变频器的主要参数计算对采用二极管整流、IGBT作为主开关的交直交型变频器中二极管、IGBT及中间环节滤波电容的参数进行计算。假设电机绕组采用星形联接方式、额定负载时的相电压Ue、相电流Ie、功率因数角为 ，变频器采用三相输入，电网相电压U1，频率f。j 为简化计算，不考虑器件损耗。 直流侧输出额定功率为Ud * Id Ud 二极管整流环节输出的平均直流电压 Id直流脉动电流平均分量 （1）中间环节滤波电容的参数计算jcos3ededIUUI根据功率平衡原则，有:fdTCR)53(通常滤波电容C的选择

45、应满足：dddIUR 等效负载电阻Rd为:Tf:电容一次放电时间，对三相不可控整流， Tf T/8(2)二极管的参数计算 二极管的额定电压根据输入相数、相电压确定。对三相输入、电网相电压U1情形，二极管的额定电压可选为 二极管的额定电流可选为 式中kv为考虑谐波成分影响的系数。16) 32(UURRM57. 13/)25 . 1 ()(dvAVFIkI 二极管整流环节输出的平均直流电压为Ud，考虑电网电压波动为a%，关断时等效电感引起的直流环节电压尖峰为U，则直流环节最高电压Udmax=（1+ a%）Ud+U。IGBT的额定电压可选为 max) 5 . 11 . 1 (dCEMUU 考虑电网电

46、压波动为-a%时也应输出额定功率，此时直流脉动电流平均分量Idmax为%)1/(maxddIIIGBT的额定直流电流可选为 :max) 25 . 1 (dCII （3）IGBT的参数计算4.3 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.3.1 单相电流型逆变电路4.3.2 三相电流型逆变电路电流型逆变电路逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源电流型逆变电路主要特点电流型逆变电路主要特点1) 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。2) 交流侧输出电流为矩形波，与负载性质无关; 而输出电压波形和相位因负载不同而不同。3) 采用负载换流方式，不必给开关器件

47、反并联二极管。4.3.1 单相单相电流型逆变电路电流型逆变电路在电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。换流换流 电路从一个支路向另一个支路的转移，也称换相换相。它分为器件换流器件换流 、电网换流、电网换流、负载换流、强迫换流。负载换流、强迫换流。 4.3.1 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个小电抗器LT，用来限制晶闸管开通时的di/dt。1 1 基本原理基本原理l使桥臂1、4和桥臂2、3以10002500Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。关键：理解晶闸管如何关断单相桥式电流型（并联谐振式）

48、逆变电路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LT 4.3.1 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l 采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压容性负载。lR和L串联为感应线圈的等效电路，负载功率因数很低，同时考虑到负载换相需要，故并联补偿电容器C。lC 、 L和R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LT 4.3.1 4.3.1 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路l交流输出电流波形接近矩形波。l控制逆变基波频率接近负载电路谐振频率，使负载电压波形接近

49、正弦波。单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LTl 设开通VT2、VT3前， VT1和VT4已稳定导通一段时间，io=Id ，在电容C上建立了左正右负的电压电路工作原理电路工作原理i1C+ uo -VT1ioVT2IdVT3VT4i3LTVT1、VT4导通等效电路LTVT2、VT3承受正电压，可触发导通l 设t2时刻触发VT2和VT3电路工作原理电路工作原理换流阶段：VT1、VT4 VT2、VT3uVT1UG2、3uoUG1、4tiott2i1i3t3换流 t3t2换流时间换流时间 t3 -t2 =tl t3时刻后VT1和VT4关断电路工

50、作原理电路工作原理t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotVT2、VT3导通阶段t4l t4时刻触发VT1和VT4电路工作原理电路工作原理换流阶段：VT2、VT3 VT1、VT4t5换相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4l t5时刻后VT2和VT3关断电路工作原理电路工作原理VT1、VT4导通等效电路t5换相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4电路工作原理电路工作原理t5换相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4换相时间：tg= t5- t4 =

51、t3- t2tg晶闸管在电流减小到零后，仍需一段时间才能恢复正向阻断能力。为保证可靠换流，应在电容电压过零前td时间触发晶闸管。 td= tg+ tbtb应大于晶闸管的关断时间tqtd为触发引前时间td电路工作原理电路工作原理换相时间：tg= t5- t4 = t3- t2td= tg+ tbtb应大于晶闸管的关断时间tqtd:触发引前时间t5换相 t5t4t3UG2、3t2UG1、4tuVT1i1i3iouotUG1、4t4tgtdtbtj= tg/2+ tbtj : 负载阻抗角j对应时间tj通过控制触发脉冲时刻可有限度地控制逆变频率解决自励方式起动问题方法先用他励方式，系统开始工作后再转入

52、自励方式附加预充电起动电路自励方式自励方式实际工作过程中，为保证电路正常工作，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整的控制方式他励方式他励方式固定工作频率的控制方式电流型逆变电路应用问题：负载变化2 2定量计算定量计算以某中频电源为例讨论逆变电路主要参数的设计计算。设要求最大直流电流IdM，输入侧直流电压Ud 。(1) 换向重叠时间t的计算 近似认为换向期间电流线性变化，则 若管子允许电流上升率id=di/dt, 则 由于换流时间相对中频周期而言，换流时间很短，可近似认为负载电流为矩形波。，tIdtdidTtiItTdd/dgdgiItdM由换向重叠时间可导出限流电感值2 2定量计算定量计算

53、(2) 触发引前时间t的计算 取快速晶闸管的关断时间tq，为安全换相取t=1.5tq, 则 t=t+t。 (3)中频电流、电压和输出功率的计算 忽略换换向重叠时间t，i0可近似成矩形波，展开成傅里叶级数上式中基波电流有效值为 .5sin513sin31sin4tttIidodd1o9 . 024III2 2定量计算定量计算 ( (设逆变频率设逆变频率谐振频率谐振频率) ) 忽略逆变电路的功率损耗，则逆变电路输入的有功功率即直流功率）等于输出的基波功率（高次谐波不产生有功功率），即 Pe=UdId=UaI01cos , 将上式代入可得:中频输出功率为 式中R1对应于某一阻抗角 时，负载阻抗电阻分

54、量 Ua 负载电压基波分量jcos22daddIUIUjjjcos11.1cos22ddaUUU12RUPaaj2定量计算由上式可见，调节直流电压Ud或改变逆变频率(导致阻抗角改变)，都能改变中频输出功率大小。12223. 1cosRUpdaj (4)逆变晶闸管的选择 考虑负载电压近似正弦波，可选逆变晶闸管额定电压为 URM = (23) 。 额定电流IT(AV)=(1.52) .由于逆变桥中电流为矩形波，所以，IT=0.707IdM。aU257. 1TI4.3 4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.3.1 单相电流型逆变电路4.3.2 三相电流型逆变电路4.3.2 4.3.2 三相电流型逆

55、变电路三相电流型逆变电路l串联二极管式晶闸管逆变电路主要用于中大功率交流电动机调速系统M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6串联二极管式晶闸管逆变电路 1串联二极管式晶闸管逆变电路的工作原理l电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用，各桥臂之间换流采用强迫换流方式，电容C1C6为换流电容4.3.2 三相电流型逆变电路串联二极管式晶闸管逆变电路 1串联二极管式晶闸管逆变电路的工作原理M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT

56、5VT6l若不考虑二极管的换流过程, 逆变器向负载输出120的矩形波电流。因逆变器在一个周期内发生六次换流，所以也称为六阶梯波逆变器。l电路为120导电工作方式，每个臂一周期内导电120，按VT1VT6的顺序每隔60依次导通。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，在上下桥臂组内依次换流，为横向换流tOtOtOtOIdiViWuUViU电流型三相桥式逆变电路输出波形 l输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各120的矩形波l输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲,这是由于逆变器中的换流过程而产生的串联二极管式晶闸管逆变电路 l对共阳极晶闸管，电容器与导通晶闸管相连一端极性为正，另

57、一端为负，不与导通晶闸管相连的另一电容器电压为零M3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6电流型三相桥式逆变电路换流过程分析 l共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似，只是电容器电压极性相反l在分析换流过程中，常用等效换流电容概念等效换流电容概念+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3换流过程各阶段的电流路径l 假设换流前VT1和VT2导通，C13电压UC0左正右负 恒流放电 换流过程可分为 两个阶段 二极管换流iu/ivtuC13tt1换流过程波形lt1时刻给VT3触发脉冲导

58、通，而VT1被施以反向电压而关断+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3换流过程各阶段的电流路径l Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段iu/ivtuC13tt1t2换流过程波形l C13电压uC13下降到零之前，VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间tq就能保证可靠关断+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWc)VT1VT2VT3VD

59、1VD2VD3C13IdiViViU=Id- -iV+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3换流过程各阶段的电流路径t2时刻uC13降到零，之后在U相负载电感的作用下，开始对C13反向充电。忽略负载电阻压降，则在t2时刻uC13=0后，二极管VD3正向偏置导通，开始流过电流iV，VD1流过充电电流iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段，直到t3时刻iu/ivtuC13tt1t2t3换流过程波形+ - -U VWb)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id- - +UVWc)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViVi

60、U=Id- -iV- - +U VWd)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id+ - -U VWa)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT3换流过程各阶段的电流路径l 随着C13充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，iV逐渐增大，到t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束l t3以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段iu/ivtuC13tt1t2t3换流过程波形2 2逆变电路中各元件参数计算逆变电路中各元件参数计算 逆变电路中各元件参数可按如下计算选择：（1）晶闸管 考虑安全系数1.52倍，晶闸管的额定电流为： IT(AV)=(1.52)