CH变流电路基础PPT课件

1、现代电源技术现代电源技术第二章 常用电源电路及其控制技术第1页/共112页第1章第2页2.1 电力电子器件电源技术是电力电子技术的应用电力电子器件是电力电子技术的基础 电力电子器件的概念和特征（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数（2） 工作在开关状态，又称为（3）需驱动电路（4）讲究散热设计，安装散热器第2页/共112页第1章第3页器件的功率损耗： 通态损耗、断态损耗、开关损耗、驱动损耗pu,iuitt通态损耗开关损耗断态损耗iuibub驱动损耗第3页/共112页第1章第4页 电力电子器件的分类u按被控制性能分：(1) 不可控器件(2) 半控型器件(3) 全控型器件

2、第4页/共112页第1章第5页u 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间间 信号的性质，分为两类：信号的性质，分为两类：l电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制l电压驱动型电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。实际上是通过电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件场控器件，或场效应器件场效应器件第5页/共112页第1章第6页u 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件由一种载流子参与导电的器件 双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器

3、件 复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 第6页/共112页第1章第7页 常见的几种电力电子器件 电力二极管 晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管第7页/共112页第1章第8页电力二极管与电力二极管与PNPN结结 PN结的单向导电性PN结的反向击穿 当反向电压增加到一定电压时，反向电流急剧增大iu雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象。PN结能够承受的电压有限分为雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿三种。雪崩击穿和齐纳击穿可恢复第8页/共112页第1章第9页PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的空间电荷区就是一个平板电容器，其电荷量在外加电压变化时发生相同的变化

4、，呈现电容效应，称之为结电容结电容。 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关状态时结电容可能与电路的杂散电感引起高频振荡，影响电路的正常工作。使用时应加以注意。第9页/共112页第1章第10页晶闸管晶闸管门极触发：为了节省驱动功率，驱动信号通常采用脉冲信号-AGKIA 导电性能导电性能：可控的单向导电开关元件 晶闸管是最早的器件，仍然是应用最广的器件之一第10页/共112页第1章第11页 晶闸管工作电压、电流高，功率大，使用中应注意的问题：w 阳极电压上升率du/dt过高w 阳极电流上升率di/dt过高w 结温较高保护第11页/共112页第1章第12页电力晶体管电力晶体管 GTR特点：耐

5、压高、通流能力强；电流驱动型器件，驱动功率大。BECBECBECNPN型PNP型单管GTR达林顿GTR第12页/共112页第1章第13页电力晶体管电力晶体管GTR驱动电路的驱动电路的要求要求:驱动电路对GTR的工作有很大的影响。 (1) GTR导通时，正向注入的基极电流应能保证GTR在最大负载下维持饱和导通，电流的上升率应充分大，以减少开通时间；开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区(2) 关断时反向注入的电流峰值及下降率应充分大，以减少关断时间；第13页/共112页第1章第14页(3) 关断后，应在基射极之间加一定幅值（6V左右）的负偏压，使GTR可靠关断，防止

6、二次击穿。理想的GTR 基极驱动电流波形: tib第14页/共112页第1章第15页 GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿w 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿w 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变第15页/共112页第1章第16页二次击穿w 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降w 导致器件的永久损坏第16页/共112页第1章第17页 安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线（二次击穿功率Psb = UsbIsb）限定SOA

7、OIcIcMPSBPcMUceUceMIcuCEibub第17页/共112页第1章第18页电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSFETn导电特性：P 转 N 型沟道N 沟道MOSFET模型结构导电沟道的形成与栅极电压UGS有关MOSFET是沟道导电器件栅源之间的绝缘层很薄，UGS20V将导致绝缘层击穿。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19漏极源极门极第18页/共112页第1章第19页n MOSFET的特点：驱动电路简单，需要的驱动功率小开关速度快，工作频率高电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 常常将MOSFE

8、T并联使用第19页/共112页第1章第20页v功率MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通GSD功率MOSFET无反向阻断能力GSD第20页/共112页第1章第21页v MOSFET极间电容GDCGDCGSSCDS极间电容的等效电路：输入电容：Cin = CGS + CGD第21页/共112页第1章第22页n MOSFET的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关

9、断损耗第22页/共112页第1章第23页绝缘栅双极晶体管IGBT（ Insulated-gate Bipolar Transistor ）GTR和MOSFET复合，结合二者优点，具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E第23页/共112页第1章第24页IGBT对驱动电路的要求： 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大 IGBT栅极正向驱动电压一般为+15V+20V，反偏电压一般为-

10、2-10V。对于大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制 所形成的尖峰电压。IGBT多用于高频开关电路，容易产生干扰，所以栅极驱动电路到IGBT模块的引线应尽可能短，引线应采用绞线或同轴电缆屏蔽线。第24页/共112页第1章第25页IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器 专用驱动电路抗干扰能力强、集成化程度高、速度快、保护功能完善，是实现IGBT的最优驱动。EXB840第25页/共112页第1章第26页功率模块与功率集成电路 功率模块 Power Module 将多个功率器件封装在一个模块中 IGBT模块 功率集成电路 Power Integrated Circuit（PIC） 将器件

11、与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上模块化的两种形式：u 模块化简化了用户电路设计和参数调整工作，成为机电一体化的理想接口第26页/共112页第1章第27页器件的保护器件的保护 对器件的保护有： 过电流、过电压、 du/dt 、 du/dt、栅极过压欠压等1），过电流保护过电流检测 过电流保护第27页/共112页第1章第28页EGCAND过电流信号UCE(sat)ICa)b)IGBT 的过电流检测a） 通态饱和压降与集电极电流的关系 b）过电流检测电路IGBT过电流检测方法：集-射极电压识别法第28页/共112页第1章第29页IGBT过电流保护控制方法：要求：当

12、发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBTEXB840防止过电压第29页/共112页第1章第30页2），过电压保护阻容保护非线性元件：压敏电阻、硒碓等第30页/共112页第1章第31页L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs放电阻止型吸收电路RC吸收电路第31页/共112页第1章第32页CRGDSCRGDSCRGDSRGRC浪涌电压吸收电路栅极电阻抑制关断过电压第32页/共112页第1章第33页 半桥电路IGBT 的过电压抑制电路Pa)b)Nc)PNPN第33页/共112页2.2 AC/DC变换技术第34页/共112页第1章第35页2.2 AC/DC变换技术按

13、组成的器件分：不可控、半控、全控整流电路的分类整流电路的分类：按电路结构分：桥式电路和零式电路按交流输入相数分：单相电路、三相和多相电路AC/DC变换（整流）电路：出现最早的电力电子电路多采用：晶闸管相控整流方案第35页/共112页第1章第36页一、单相桥式全控整流电路一、单相桥式全控整流电路RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,41. 带电阻负载的工作情况第36页/共112页第1章第37页2cos19 . 0)(dsin2122UttUUd负载电压平均值:负载电压有效值负载电压有效值:2sin21)()sin2(12

14、22UtdtUU整流电路的整流电路的功率因数功率因数:22sincos22IUUISP第37页/共112页第1章第38页cos01=0时， cos1；增加， cos减小；第38页/共112页2. 2. 带阻感负载带阻感负载TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4cos9 . 02dUU 第39页/共112页第1章第40页q0t0IdVT1VT2VT3VT4RLVD000i2ttttiDiT1id-iT2iT1u2ud-u2idiDi2udu2iT1阻感负载带续流二极管的电路

15、第40页/共112页第1章第41页3. 带反电动势负载a)b)REidudidOEudtIdOtq第41页/共112页第1章第42页单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt单相全波和单相桥式全控整流电路的区别第42页/共112页第1章第43页二、三相半波可控整流电路a)b)c)d)e)f)u2abcTRudidVT2VT1VT3uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt共阴极接法共阳极接法第43页/共112页 a = 30 时的波形 30 的情况tttt=60u2uaubucOOOOuGudi

16、VT1abcTRudidVT2VT1VT3=30u2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac第44页/共112页tttt=60u2uaubucOOOOuGudiVT1abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3udiauaubucibiciduacuabuacOtOtOtOtOtOtuVT1a)b)c)d)e)f)u2abcTRudidVT2VT1VT3uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt三相半波可控整流电路，a=60时的波形比较第45页/共112页第1章第46页三、三相桥式全控整流电路三、三相桥式全控整流

17、电路bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1第46页/共112页三相桥式三相桥式双脉冲触发双脉冲触发u2oRudidabcVT1VT3VT5VT4VT6VT20u2t2uaubucuatuabuacubcubaucaucbuabuacubcud00ugtt12345612ug12345616第47页/共112页第1章第48页四、有源逆变逆变的概念 逆变（invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程有源逆变交流侧和（无限大）电网连结。移相控制无源逆变交流侧不与电网联接，而直接接到负载。调频控制逆变分：第48页/共112页第1章第49页有源逆变有源逆变产生的

18、条件：（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压（2）晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值由于负载反电动势的作用， 的变化范围：0 - 180UdId+-P交流侧直流侧a), 整流UdId-+P交流侧直流侧b), 逆变EEcos0dUUd第49页/共112页第1章第50页a)b)图2 -45R+-电能M102u10u20udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEM电能MR+-102udidLVT1VT2u10udu20u10OOttIdidUdEMEMiVT1iVT2iVT1iVT2iVT1iVT2iVT2id=iVT +iVT12i

19、d=iVT +iVT12iVT1iVT2iVT1有源逆变电路逆变电路单相全波电路的整流和逆变 单相全波电路的整流和逆变第50页/共112页2.3 DC/AC变换技术第51页/共112页第1章第52页一、DC/AC 变换器的分类：，按负载分：有源逆变无源逆变，按输入直流电源分：电压型逆变电流型逆变，按电路结构分：半桥全桥推挽其它形式第52页/共112页第1章第53页，按输出端相数分：单相三相多相第53页/共112页第1章第54页二、单相逆变电路，单相半桥电压型逆变电路Ud/2第54页/共112页第1章第55页, 单相全桥电压型逆变电路:tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t4第55

20、页/共112页第1章第56页3，推挽式逆变电路*第56页/共112页第1章第57页三、三相逆变电路三相电压型桥式逆变电路应用最广，可看成由三个半桥逆变电路组成：每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 任一瞬间有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流（波形）第57页/共112页第1章第58页四、逆变电路PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）PWM控制技术在逆变电路中应用最广基于等效面积原理，PWM波形可等效各种波形第58页/共1

21、12页第1章第59页逆变电路的控制方式ioOtuouo fuoUd- UdOtuG1 ,G4tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t4第59页/共112页第1章第60页PWM波形的生成方法： 计算法 调制法 跟踪法tOua)b)图6-3Out第60页/共112页第1章第61页1,调制法期望的输出波形作为调制信号ur等腰三角波或锯齿波作为载波uc载波以等腰三角波应用最多urucPWM0tturuc1比较器进行调制得到期望的PWM波第61页/共112页三相桥式PWM逆变电路波形 图6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud

22、2Ud2Ud2Ud3Ud32Ud图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud第62页/共112页第1章第63页2, PWM跟踪控制法：跟踪控制法：把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化调节器逆变器负载ei*iUd第63页/共112页第1章第64页滞环比较方式的电流跟踪控制负载L+图6-22-iii*VD1VD2V1V22Ud2UdO图6-23tiii*+Ii*-Ii*特点: （1）硬件电路简单 （2）实时控制，电流响

23、应快 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波 第64页/共112页第1章第65页五、五、 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低 第65页/共112页第1章第66页五、五、 PWM整流电路及其控制方整流电路及其控制方法法PWM整流电路p 把逆变电路中的PWM控制技术用于整流电路，是其逆向功率变换p控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也

24、称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器 PWM整流/逆变第66页/共112页第1章第67页PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理单相全桥PWM整流电路逆变电路的方法对V1V4进行SPWM控制，就可以在交流输入端AB产生一个SPWM波uAB 负载usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+uduAB第67页/共112页第1章第68页PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量uABf ，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动当正弦信号波频率和电源频率相同时，

25、is也为与电源频率相同的正弦波us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定 usisuABfLsRsuLuR第68页/共112页第1章第69页PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理改变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与us相位差为所需角度 usisuABfLsRsuLuR相量图ABfRLsUUUU第69页/共112页第1章第70页PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 注意点： PWM整流电路实际上是整流电路实际上是升压斩波电路工作，所以：直流电压高于交流电源电压峰值才能正常工作负载usLsisRsV1V2V

26、4V3ABVD3VD1VD2VD4+uduAB第70页/共112页第1章第71页三相PWM整流电路工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相负载图6-30CuaLsiaRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+udCV5VD5V6VD6ubibucic第71页/共112页2.4 DC/DC变换技术第72页/共112页第1章第73页DC/DC变换电路的类型 直接变换-斩波电路 降压斩波电路（Buck Chopper） 升压斩波电路（Boost Chopper） 升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper 间接变换-AC-DC-AC 正激电路正激电路 forward

27、converter 反激电路反激电路FlyBackFlyBack 半桥电路 全桥逆变电路全桥逆变电路 推挽电路推挽电路 Push-pull Circuit 第73页/共112页第1章第74页1，降压斩波电路BuckEV+-MRLVDioEMuouGtttOOOTEGtontoffioi1i2I10I20t1uouEETtEtttUonoffonono电流连续时PWM控制方式第74页/共112页第1章第75页2，升压斩波电路BoostEVRLVDa)Cioi1uGuob)uGioI1OOttEtTEtttUoffoffoffono泵升电路，不允许输出开路第75页/共112页第1章第76页3，升降

28、压斩波电路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILEEtTtEttU1ononoffono第76页/共112页第1章第77页4，Cuk斩波电路 Buck电路：输入电流纹波大 Boost电路：输出电流纹波大 Boost -Buck电路：输出、输入电流纹波大电流纹波会对电源、负载产生电磁干扰第77页/共112页第1章第78页Cuk斩波电路ERVDC1VL1L2uoC2RC1BASEi1L1L2i2uCuAuBuoC2L1、C1 储能元件， L2、C2 滤波画出i1、i2的波形？第78页/共112页第1章第79页5 5，正激电路，正激电路+UiSVD1VD2L

29、N1N3N2VD3UoW2W1W3变压器的磁心复位-S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源 SuSiLiSOttttUiOOO第79页/共112页第1章第80页6 6，反激电路，反激电路+UiSVDN1N2UoW1W2 反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO第80页/共112页第1章第81页半桥电路半桥电路+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2u1tUi/2S1ttS2TtON第81页/共112页第1章第82页全桥电路全桥电路+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS

30、1N2+-+-uduTUiUoW2W1第82页/共112页第1章第83页推挽电路推挽电路+S1S2VD1VD2LUiN1N1N2N2UoS1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态第83页/共112页第1章第84页案例 600VDC-24VDC 5KW第84页/共112页2.5 AC/AC变换技术第85页/共112页第1章第86页 AC/AC变换的类型：间接变换：AC-DC-AC直接变换：AC-AC用途：变频、变压、恒压恒频、静止无功补偿等第86页/共112页第1章第87页交- 交变频 单相交

31、- 交变频ZPNuouotPNUdocos第87页/共112页第1章第88页两组变流电路的控制两组变流电路的控制 无环流工作方式 即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲有环流 b工作方式ZPNuo第88页/共112页第1章第89页 三相交交变频电路星形公共交流母线第89页/共112页第1章第90页案例 设计：直流脉冲电源，单相交流电源220VAC，输出直流脉冲50KHz、07VDC、030A可调恒流输出。uot第90页/共112页小结小结第91页/共112页第1章第92页电力电子器件的工作状态 返回 信息电子电路中BJT通常工作于放大状态iuibub双极晶体管BJTERi = bi

32、bu = E - iR电力电子电路中BJT(GTR)通常工作于开关状态关断：i 0, u EiuibubER导通：u 0, i E/RiuibubER第92页/共112页第1章第93页电力电子系统的组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的系统组成 返回 第93页/共112页第1章第94页理想的理想的GTR GTR 基极驱动电流波形基极驱动电流波形tOib 返回 第94页/共112页第1章第95页GTR 的二次击穿特性GTR 的二次击穿特性ICUCE0二次击穿A(Usb, Isb)一次击穿 返回 第95页/共112页第1章第96页一次击穿二次击穿A(Usb, Isb)一次击穿截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 返回 第96页/共112页第1章第97页MOSFET驱动电路GDCGSS驱动电路 返回 第97页/共112页第1章第98页IGBT半桥模块a) 外形b) 电路结构 返回 第98页/共112页第1章第99页GTRGTR抗饱和电路GTRiBVD1VD2VD3iB 返回 第99页/共112页第1章第100页EXB系列驱动器及典型应用线路RGV1D16451932140V20VEXB840R1C2V2IGBT双绞线过电流保护输出控制信号15C1过电流保护A 返回