DCAC逆变电路及原理总结ppt课件

1、 引言换流方式电压型逆变电路电流型逆变电路 缓冲电路无损缓冲电路 逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换整流和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要运用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不延续电源、感应加热电源等电力电子安装的中心部分都是逆变电路。 逆变电路的根本任务原理 换流方式分类以单相桥式逆变电路为例阐明最根本的任务原理图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t

2、2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。直流电交流电 逆变电路最根本的任务逆变电路最根本的任务原理原理 改动两组开关改动两组开关切换频率，可改动输出切换频率，可改动输出交流电频率。交流电频率。图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流ioio和和uouo的波形一样，相位的波形一样，相位也一样。也一样。阻感负载时，阻感负载时，ioio相位滞相位滞后于后于uouo，波形也不同。，波形也不同。换流换流电流从一个支路向另一个支

3、路转移的过程，电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。也称为换相。开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可经过门极关断。研讨换流方式主要是研讨如何使器件关断。1逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源1单相半桥逆变电路u图56 单相半桥电压型逆变电路及其任务波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1

4、V2VD1VD2VD1VD2任务原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反响。VD1、VD2称为反响二极管,它又起着使负载电流延续的作用，又称续流二极管。优点：电路简单，运用器件少。优点：电路简单，运用器件少。缺陷：输出电压幅值为缺陷：输出电压幅值为Ud/2Ud/2，负载上的功，负载上的功率为全桥的率为全桥的1/41/4，开关管接受的电压为，开关管接受的电压为UdUd，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压且直流侧需两

5、电容器串联，要控制两者电压平衡。平衡。 根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：i2P/UdUd/2R 对于电阻电感：i2P/UdcosUd/2Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振负载， 其等效电阻为：R=Ud2/4P=3.78 负载上的电流有效值为：iUd/2R=72.75A 开关管上的电压：U=(23)Ud=11001650V 电流：I=(1.52)(2

6、)1/2i=154205A5-122) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路外形一样，幅值高出一倍。 改动输出交流电压的有效值只能经过改动直流电压Ud来实现。图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式utOtOtOtOtO b)G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo2单相电压型全桥逆变电路的特点 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压根本无脉动。 (2)输出电压幅值为Ud的矩形波，负载上的功率为半桥逆变器的4倍，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反响的无功

7、能量提供通道，逆变桥各臂并联反响二极管。 (4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。 根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：iP/UdUd/R 对于电阻电感：iP/UdcosUd/Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振负载， 其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125 负载上的电流有效值为：iUd/R= 36.36A 开关管上的电压：U=(23)Ud=1

8、1001650V 电流：I=(1.52)(2)1/2i=77102A5-16 阻感负载时，还可采用移相得方式来调理输出电压移相调压。a)图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo V3的基极信号比V1落后q 0 q 180 。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改动q就可调理输出电压。3 带中心抽头变压器的逆变电路图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Ud和负载参数一样，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全一样。与全桥电路的比较：比全桥电路少用

9、一半开关器件。器件接受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。必需有一个变压器 。交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反响通道。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。 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位 因负载不同而不同。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍运用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。1) 电路原理 由四个桥臂构成，每个桥臂由IGBT组成。 任务方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐

10、振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 负载电压波形根本上是正弦波。1) 电路原理图512 单相桥式电流型并联谐振式逆变电路 由四个桥臂构成，每个桥臂的IGBT管组成 任务方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图513并联谐振式逆变电路任务波形2) 任务分析一个周期内有两个一个周期内有两个导通阶段和两个换导通

11、阶段和两个换流阶段。流阶段。t1t2t1t2：V1V1和和V4V4稳定导通阶段，稳定导通阶段，i i=Id=Id，t2t2时辰前在时辰前在C C上建立了左正右负的电压。上建立了左正右负的电压。t2t3t2t3：t2t2时时V2V2和和V3V3开通，进入换流阶开通，进入换流阶段。段。LTLT使使V1V1、V4V4不能立刻关断，电流有一个不能立刻关断，电流有一个减小过程。减小过程。V2V2、V3V3电流有一个增大过程。电流有一个增大过程。4 4个个IGBTIGBT全部导通，负载电容电压经两个全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。并联的放电回路同时放电。LT1LT1、VT1VT1、VT

12、3VT3、LT3LT3到到C C；另一个经；另一个经LT2LT2、VT2VT2、VT4VT4、LT4LT4到到C C。t=t4时，时，VT1、VT4电流减至零而关电流减至零而关断，换流阶段终了。断，换流阶段终了。t4t2= tg 称为换流时间。称为换流时间。io在在t3时辰，即时辰，即iVT1=iVT2时辰过时辰过零，零，t3时辰大体位时辰大体位于于t2和和t4的中点。的中点。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图513并联谐振式逆变电路任务波形电压型逆变电路电

13、压型逆变电路输入端并接大电容，提供恒压输入端并接大电容，提供恒压源，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电源，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电流大小由负载决议，波形由负载性质决议。电阻型流大小由负载决议，波形由负载性质决议。电阻型负载的电压和电流波形均为矩形波；纯电感电流波负载的电压和电流波形均为矩形波；纯电感电流波形为三角波；当采用形为三角波；当采用RLC谐振负载，且开关频率谐振负载，且开关频率与谐振频率一致，负载上的波形电压和电流都是正与谐振频率一致，负载上的波形电压和电流都是正弦波。弦波。电流型逆变电路电流型逆变电路输入端串联大电感，提供恒流输入端串联大电感，提供恒流源，输出电

14、流是矩形波，含有较多谐波，幅值为电源，输出电流是矩形波，含有较多谐波，幅值为电感电流，输出电压的大小由负载决议，电压波形由感电流，输出电压的大小由负载决议，电压波形由负载性质决议。电阻型负载的电压和电流均为矩形负载性质决议。电阻型负载的电压和电流均为矩形波；纯电感电流波形为三角波。波；纯电感电流波形为三角波。 缓冲原理 器件损坏，不外乎是器件在开关过程中蒙受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而呵斥的。缓冲电路的作用，就是改动器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，维护器件平安运转。5-255-26(a) 开通损耗波形 (b) 关断损耗波形图中 tdon 开通延迟时间tr

15、 开通上升时间trr二极管的反向恢复时间t doff关断延迟时间t tail尾部电流itail下降时间tf关断下降时间(d i/ d t)on开通电流上升率IRRM二极管反向恢复电流5-27每个脉冲 I GB T 的开通损耗近似为( mJ )：每个脉冲 I GB T 的关断损耗近似为：每个脉冲二极管的关断损耗近似为： I GB T 的总开关损耗可近似表示为：式中 fsw逆变器的载波频率5-28d(a) C缓冲电路 (b) RC缓冲电路(c) RCD缓冲电路 (d) 放电阻止型RCD缓冲电路 C缓冲电路： 采用薄膜电容，接近IGBT安装，其特点是电路简单，用作对瞬变电压有效而低本钱的控制，接在C

16、1和E2之间两单元模块或P和N之间六单元模块，缺陷是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡。 RC缓冲电路： 其特点是适用于斩波电路，但在运用大容量IGBT时，必需使缓冲电阻的阻值增大，否那么，开通时集电极电流过大，使IGBT的功能遭到一定限制。5-29 RCD缓冲电路： 与RC缓冲电路相比，其特点是添加了缓冲二极管，从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为： 式中：L为主电路中的分布电感， IC为IGBT关断时的集电极电流， f为IGBT的开关频率，C为缓冲电 容，Ud为直流电压。5-30RCD型截止缓冲电路适用于较大功率IGBT

17、模块，缓冲二极管D可箝制瞬变电压，从而能抑制由于母线寄生电感能够引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3。 放电阻止型RCD缓冲电路： 与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损耗小，适宜于高频开关，在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为：5-31 IGBT采用缓冲电路后典型关断电压波形如下图。图中，VCE起始部分的毛刺V1是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算： V1=LSdi/dt1 式中：LS为缓冲电路的寄生电感； di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流上升率，其最恶劣的值接近0.02IcA/ns。 5-32采用缓冲电路后IGBT关断电压波形 5-

18、33假设V1已被设定，那么可由式1确定缓冲电路允许的最大电感量。例如，设某IGBT电路任务电流峰值为400A，V1100V， 那么在最恶劣情况下， di/dt=0.02400=8A/ns 由式1得 LS=V1/di/dt=100/8=12.5nH 图中V2是随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升的峰值，它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关，可用能量守恒定律求值。如前所述，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中，因此有 LPI2/2=CV22/22 式中：LP为母线寄生电感； I为任务电流， C为缓冲电容的值； V2为缓冲电压的峰值。 从式1和式2不

19、难看出，大功率IGBT电路要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低V1，而且可以减小缓冲电容C的值，从而降低本钱。5-34实践的功率电路设计中可采用以下措施来减小所需电容值采用平板式汇流母线, 正负极重叠在一同, 中间用绝缘板隔开, 以获得最小母线寄生电感由于C值与关断电流的平方成正比,所以采取必要的限流技术来限制功率电路的最大电流由于C值反比于V2的平方, 所以假设允许V2与IGBT的VCE之间有一定的裕度那么可使缓冲电容值明显减小。 在电路设计中应根据实践情况选取适当的缓冲维护电路，抑制IGBT关断时的浪涌电压，在装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，

20、接线越短越好，越粗越好。 对缓冲电路的要求是： 尽量减小主电路的布线电感L； 吸收电容应采用低感最好无感吸收电容，它的引线应尽能够短，最好直接接在IGBT的端子上； 吸收二极管应选用快开通和软恢复二极管，以防止产生开经过电压和反向恢复引起的较大振荡电压。5-35RC吸收回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进展钳位，二是抑制电路中因dV/dt对器件所引起的冲击，在感性负载中，开关器件关断的瞬间，假设此时感性负载的磁通不为零，根据愣次定律便会产生一个自感电动势，对外界辞放磁场储能，为简单起见，普通都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式耗费掉。RC缓冲电路并联在IGBT两端。

21、其作用包括抑制过电压、减小开关损耗、限制电压上升速率以及消除电磁干扰等几个方面；(1)抑制过电压IGBT关断时，线路电感会产生与直流电压同向的感应电压 L di / dt，当没有缓冲电路时，由于diL / dt很大，使IGBT的C、E极之间构成很高的过电压。当过电压大于IGBT所能接受的极限电压时，会损坏器件。所以，为了使IGBT可靠任务,必需为电感中的贮能提供一条释放回路，以大幅度降低关断瞬间电感的电流变化率,防止因过电压损坏IGBT。5-36 (2)减小功率开关管损耗 IGBT关断时, IGBT的功率损耗取决于集电极与发射极之间的电压以及流过管子的电流瞬时值，两者乘积的积分值越小越好。运用

22、缓冲电路可以改动IGBT关断过程中的电压、电流波形，从而减小IGBT的功率损耗。由图2 可知,当无缓冲电路时,电压VCE瞬间升至最大值,而此时IGBT的电流IC也是最大值,这种情况下功率损耗最严重。5-37(a) 无缓冲电路(b) 有缓冲电路采用RC缓冲电路后，VCE将逐渐升高,从而防止IC和VCE同时到达最大值的不利情况。所以，缓冲电路可以减小IGBT的关断损耗。 (3)限制电压上升率 过大的电压上升率duCE / dt会在IGBT的PN结中构成很大的位移电流,它能够误使IGBT内部寄生晶闸管开通,导致栅极失去控制造用,这就是所谓的动态擎住景象。IGBT两端并联的RC缓冲电路可以限制duCE

23、 / dt的大小,有效地处理IGBT的动态擎住问题。 (4)消除电磁干扰 在设备调试运转过程中,当无缓冲电路时，IGBT管两端的电压会产生高频振荡,呵斥电磁干扰。采用缓冲电路即可抑制VCE的高频振荡,起到消除和减少电磁干扰的作用。5-38 缓冲电路中,缓冲电阻R 越小,电容C越大,那么缓冲电路的作用越明显。但同时要思索功率损耗等要素。 IGBT关断后,缓冲电容C上储存电能,当下次IGBT开通后,这部分能量以热能方式耗费在R上。5-39电阻R 的功耗为:IGBT开通后，电容C必需在再次关断前放电终了，以确保电容电压的初始形状一直为零。为此， RC放电时间常数必需遭到限制。普通假设超越3倍时间常数

24、可以放完电,那么:3RCRCTon式中 Ton =DTs DIGBT导通占空比 Ts 开关周期1缓冲缓冲RC的参数计算的参数计算为了减少功率损耗,普通要求PR 120W 计算电阻值时,还必需限制放电电流,使放电电流Idis小于集电极电流IC的1 /4,即：5-40式中 IC 集电极电流(A)2隔直电容的参数计算对于全桥逆变电路，偏磁是一个必需仔细处理的问题,偏磁的积累将引起变压器的磁饱和，从而导致逆变“颠覆。采用串联耦合隔直电容的方法来隔直纠偏，隔直电容的参数可采用如下计算方法：式中 LR 变压器二次侧折算到一次侧的等效电感与一次侧电感之和(单位:H) fR LR与C组成的串联谐振电路的谐振频

25、率(单位: kHz)为了使耦合电容线性,普通选f R= 0. 1 f。 此外,电容充电电压不宜过大,普通以5% 10% Vs为好,即需满足如下不等式:5-41式中 VC 充电电压; IC 充电电流; t充电时间, DIGBT导通占空比 Ts 开关周期; Vs 电源电压。 例：设计要求为频率25kHz,额定功率20 kW，效率85%。全桥式逆变器由功率开关管IGBT1 IGBT4和高频变压器等主要器件组成， IGBT的4 个缓冲电路由RC组成，是为了防止4个IGBT在关断时产生过高的电压上升速率和减少IGBT的关断损耗。求RC。5-42 电源输入电压为380VAC，那么Vce=537.4V5-4

26、3又由于PR 120W，因此，缓冲电容为:实践选用C = 0. 01F5-44 计算缓冲电阻：IC = 75 A，所以：I=P/VCE=20000/537.4=37A，IC取2倍的I，那么实践选取R = 30实践电阻功率为：=0.50.0110-6537.4225103=36WRC取值为：C=0.01 F/1200V，R=30/50W 为了确保功率开关管平安可靠地任务，那么功率开关管必需任务在平安区。但在硬开关条件下，功率开关管在开通和关断过程中能够接受过压、过流，过大的di/dt和dv/dt的冲击，使开关管发热，如不采取维护措施，能够使功率开关管超出平安任务区而损坏。为此，在功率电路中，通常

27、设置缓冲电路或采用软开关技术，以防止瞬时过压、过流，过大的di/dt和dv/dt，减小开关损耗，确保开关管任务在平安任务区。5-45 缓冲电路的方式很多，可根据不同的场所合理选用。常用的缓冲电路，简单的有无源的并联RC电路、并联RCD缓冲电路、RCD限幅箝位缓冲电路等，还有较复杂的有源缓冲、软开关电路等。有源缓冲电路在电路构造、控制方法上都比较复杂，本钱价钱也比较高。而无源缓冲电路往往是用缓冲电容C吸收功率开关器件关断时的能量，然后耗费在电阻R上，虽然可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路的变换效率，并且在大功率场所，需求大功率的电阻，而耗费掉大量能量，甚至改动了设备的任务环境。为此，为了简

28、化电路，提高变换效率，有必要研讨无源无损缓冲吸收电路。5-46 CD2型无源无损缓冲电路：一只电容和两只二极管构成 CLD2型无源无损缓冲电路：一只电容、一只电感和两只二极管构成的5-47 CD2型无源无损缓冲电路5-48CD2型无源无损缓冲电路可以运用于半桥和全桥变换电路直流电源电压为E，电容Cs1，Cs2和开关管S1，S2各为一桥臂构成半桥电路，L，C，R为等效的输出电路，其中L包含功率电路中的寄生电感。VD1，VD2分别为S1，S2的反并联二极管。S1的缓冲吸收电路由图1中虚线框内电容C1和二极管VD11，VD12组成。S2的缓冲吸收电路那么由电容C2和二极管VD21，VD22组成。CLD2型缓冲电路5-49(a)导通方式1导通方式 S1导通，