电力电子技术课件2、AC-DC

1、第第2章章. AC/DC变换（整流变换）变换（整流变换）2.1 ( (传统传统) )相控整流电路相控整流电路（Rectifier） 目目 的：将的：将AC可调可调DC。主要类型：相控、斩控（主要类型：相控、斩控（PWM整流）。整流）。i2ThZTu1u2i0u0Th1ZTu1u2i21u0u2Th2i22i0Th1Zu1u2i2u0Th2i0TTh3Th4Th1Zu1u2i2u0D1i0TTh2D2Th1Zu1u2i2u0Th2i0TD1D2DTh1ZuAuBu0i0TTh4Th3Th6Th5Th2uCabc单相单相三相桥式三相桥式2022-3-3112.1 ( (传统传统) )相控整流电路相

2、控整流电路Th1Zu0i0Th4Th3Th6Th5Th2uauaubucubuabuacucbubauabucaubcuacuabuacucbubauabucaubcuac26 1211u0iTh1uGuTh1uo60 1665544332三相桥式三相桥式双反星型双反星型(低压大电流低压大电流)改变触发脉冲位置改变触发脉冲位置(出发角出发角)改改变输出整流电压大小。变输出整流电压大小。触发脉冲形式：触发脉冲形式：宽脉冲脉宽宽脉冲脉宽(70-80o，不多用不多用);双窄脉冲双窄脉冲(宽约宽约 20o相隔相隔60o强触强触);高频脉冲列高频脉冲列(常为常为10k左右左右, 省去省去强触强触, 可靠

3、可靠、数字触发数字触发)。功率因素功率因素cos, 直流脉动直流脉动6f0, 网侧谐波奇次网侧谐波奇次, 大小大小随随而而。 有源逆变有源逆变: + =180o, 一般一般 min30o(考虑重叠角等考虑重叠角等)TuAuBuC1 3 5 4 6 2* * * * * * *a b ca b c多相整流多相整流(12、18、36相相) 多重化：多重化：多组三相桥串多组三相桥串(并并)获取高压获取高压(大电大电流流) 输出输出、低直流脉动低直流脉动、低网侧谐低网侧谐波波顺序控制顺序控制: 输出分为多段输出分为多段, 不不同段投入不同组同段投入不同组, 使使不致过大进不致过大进一步减小谐波影响。一

4、步减小谐波影响。2022-3-3122.1 ( (传统传统) )相控整流电路相控整流电路2.1.2 相控相控( (传统传统) )整流的主要缺陷整流的主要缺陷1. 网侧功率因素低、谐波大网侧功率因素低、谐波大相控整流电路功率因素：相控整流电路功率因素： cos 角。控制触发基波电流因子)( ; II1尤其深控，尤其深控， 较大较大 cos ， (谐波增加谐波增加) 降低。降低。2. 闭环系统难以实现快速调节闭环系统难以实现快速调节 SCR导通后失控导通后失控, 相邻两个转换点之间相隔：单相桥式电路相邻两个转换点之间相隔：单相桥式电路10ms, 三相桥三相桥式式3.3ms, 时滞在时滞在010ms

5、(3.3ms)之间随机分布之间随机分布; 为了抑制输出端纹波为了抑制输出端纹波, 一般带一般带有较大输出滤波电容电感有较大输出滤波电容电感电路难以对扰动做出快速反应。电路难以对扰动做出快速反应。 相控方式本身难以克服上述缺点。相控方式本身难以克服上述缺点。解决之道解决之道PWM整流整流！2022-3-313第第2章章. AC/DC变换变换1.技技术术思思路路 相控：调节相控：调节斩控斩控 PWM调节占空比调节占空比2. 2 PWM整流整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi02. 电路拓扑及工作原理电路拓扑及工作原理 单相电压型为例单相电压型为例电路拓扑如图

6、：电路拓扑如图：Ls: 电路工作在电路工作在Boost 状态所需。状态所需。Lr、Cr: 滤除滤除 i0 中二次谐波。中二次谐波。2022-3-3142. 2 PWM整流整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi0工作原理：工作原理： 假设假设C0足够大，使得足够大，使得u0U0。(1) i00, us0(电源电压正半周电源电压正半周)， D1、D4导通导通, uN = U0 ；i00, us0, D1、T2或或T3 、D4导通导通; is0, D2、T1或或T4 、D3导通导通,电源电源us沿沿Ls短路短路, 此时此时uN = 0, Ls储能储能, 负载负载

7、R则依靠则依靠C0放电维持。放电维持。(3) i00, us0, T1 、T4导通导通, uN = U0 ; i00, T2 、T3导通导通, uN =U0 。负载馈能负载馈能, 与电源与电源us一起向一起向Ls储能。储能。U0U0uNt 由以上分析可见由以上分析可见, 电路工作在电路工作在Boost状态。桥路的输状态。桥路的输入电压入电压uN 波形将如图所示。若波形将如图所示。若uN 波形是采用波形是采用SPWM调制而成，调制而成，uN 中将含有很少的谐波成分。中将含有很少的谐波成分。2022-3-315第第2章章. AC/DC变换变换3. 对调制波的要求对调制波的要求：）（一一般般交交流流

8、等等效效内内阻阻所所示示。可可求求得得：据据此此可可画画得得相相量量图图如如图图的的基基波波，则则有有：、分分别别为为、假假设设有有：）。（实实现现要要求求：设设：ssssmNNNssssssNsNNsssssmsssmsLRRLtgtUuUILjIRUiuIUudtdiLiRutIitUu )sin( 1sin ,sin1111111111 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 进一步分析进一步分析i0。忽略整流电路的内部损耗，则有：忽略整流电路的内部损耗，则有：2022-3-3162. 2 PWM整流整流)2cos(cos 2 )2cos(cos2 sin)sin( 0011001101

9、1001100011 tIIUIUItUIUttUIUiUiuiiUiuommmsmNmmsmNmsmNsNsN令：令： 行。源逆变工作状态交替进整流必定会在整流和有。因此，率因素所需的无功，以保证功侧流动，补充功率将从直流侧向交流，时段，直流分量中的谐波幅值的原因是为何在直流侧施加中含有二次谐波，这就输出电流可见：在。、PWM10cos 0000smrrLiIiCLi2022-3-317第第2章章. AC/DC变换变换 事实上，在电源电压事实上，在电源电压us一定的情况下，改变一定的情况下，改变uN1的幅值以及与的幅值以及与us之间的相位之间的相位差，可以得到差，可以得到PWM整流电路的不同

10、工作状态，如下图所示：整流电路的不同工作状态，如下图所示： 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 整流运行整流运行逆变运行逆变运行 SVG运行运行(Static Var Generator)任意容性任意容性(或感性或感性)运行运行三相三相PWM整流电路分析类似，可参见有关文献。整流电路分析类似，可参见有关文献。2022-3-3182. 2 PWM整流整流4. 电路控制电路控制主要两类控制方案：主要两类控制方案：(1) 间接电流控制间接电流控制PIRsLs 0u0usu0ut

11、 sint cosNu1Lsu1Ru1si0I 又称幅相控制又称幅相控制, 优点优点: 简单易实现简单易实现。不足：不足：(1) 运算系根据系统的静态模运算系根据系统的静态模型，动态性能欠缺型，动态性能欠缺。 (2) 运算使用电路参数运算使用电路参数, 实际参数变化影响控制效果。实际参数变化影响控制效果。构成控制结构。构成控制结构。按照：按照： LRsNUUUU 2022-3-319第第2章章. AC/DC变换变换(2) 直接电流控制直接电流控制PI 0u0usi0usi0Isu 直接电流控制结构简单直接电流控制结构简单，电流调节响应快电流调节响应快，对扰动鲁棒性好对扰动鲁棒性好，故应用较多故

12、应用较多。跟跟踪踪开开关关管管，强强迫迫经经滞滞环环比比较较后后直直接接控控制制再再与与实实际际电电流流，指指令令乘乘得得到到交交流流电电流流与与交交流流输输入入测测量量电电压压相相，指指令令幅幅值值成成正正比比的的直直流流电电流流流流调调节节得得到到与与交交流流输输入入电电比比较较后后，经经与与实实际际电电压压直直流流给给定定电电压压 ssssiiiiIuu PI 000 近多年对于三相近多年对于三相PWM则多采用则多采用SVPWM。2022-3-3110第第2章章. AC/DC变换变换2.3 同步整流同步整流(SR: Synchronous Rectifier) 主要用于低压大电流集成电路

13、中。如，现代高速集成电路的电源电压甚至主要用于低压大电流集成电路中。如，现代高速集成电路的电源电压甚至降到降到1V以下。以下。 对于这种情况对于这种情况，即使采用即使采用SBD (Schottch Barrier Diode) 作为整流管往往作为整流管往往也难以满足要求，因为也难以满足要求，因为SBD通态压降约为通态压降约为0.30.6V：整流管承担了相对于电源电压的较大压降；整流管承担了相对于电源电压的较大压降；整流效率极低，尤其是在高频的开关电源中。整流效率极低，尤其是在高频的开关电源中。 将功率将功率MOS反接作为整流电路中的整流管反接作为整流电路中的整流管称为同步整流称为同步整流，可以

14、较好解，可以较好解决低压大电流情况的上述问题，近多年被广为采用。决低压大电流情况的上述问题，近多年被广为采用。 以以Intersil公司的型号为公司的型号为HUF67145P3的功率的功率MOS为例为例：UDQ=30V, ID=75A，导通电阻导通电阻Ron=4.5m 假设用于输出电压假设用于输出电压2V, 20A负载电流负载电流 (输出功率输出功率40W), 器件导通压降只有器件导通压降只有90mV: 单单管管压降占输出电压的管管压降占输出电压的0.5%; 单单管管耗管管耗1.8 W:占输占输出功率的出功率的4.5%。 若采用通态压降若采用通态压降0.3V的的SBD, 管耗将达管耗将达6W

15、单单管管压降占输出电压的管管压降占输出电压的15%;单单管管耗占输出功率的管管耗占输出功率的15%。 现已开发出导通电阻现已开发出导通电阻Ron=12m，电流却高达电流却高达100A的专用的专用MOS。2022-3-31112022-3-3112 门极驱动信号和源极电压同步，如门极驱动信号和源极电压同步，如源极为高电平时，驱动信号也是高电平源极为高电平时，驱动信号也是高电平则则MOS管导通；反之，源极为低电平时，管导通；反之，源极为低电平时，驱动信号也是低电平，则驱动信号也是低电平，则MOS管关断；管关断；这样就自然实现了整流，而且电流也只这样就自然实现了整流，而且电流也只能由源极能由源极s流

16、向漏极流向漏极D。由于是通过门极。由于是通过门极信号和源极电压同步来实现整流的，因信号和源极电压同步来实现整流的，因此把这种整流方式称为同步整流此把这种整流方式称为同步整流。 功率功率MOS管反接，其固有的体二极管反接，其固有的体二极管极性却是正向的。有时要利用它先导管极性却是正向的。有时要利用它先导通，以便过渡到功率通，以便过渡到功率MOS管进入整流状管进入整流状态。但由于体二极管的正向压降较大，态。但由于体二极管的正向压降较大，常常不希望它导通或导通时问过长。常常不希望它导通或导通时问过长。2.3 同步整流同步整流1. 同步整流原理同步整流原理uGS= 0UDSuGS1uGS2uGS3uG

17、S3 uGS2 uGS1ID MOS的静态输出特性如图所示。正向使用时的静态输出特性如图所示。正向使用时(漏源极电压为正漏源极电压为正)，栅极施加正向电压会形成导，栅极施加正向电压会形成导电通道，栅极不加电压或者施加反向电压则会使电通道，栅极不加电压或者施加反向电压则会使导电通道夹断。导电通道夹断。但但MOS是逆导器件是逆导器件，反向使用时，反向使用时(漏源极电压为负漏源极电压为负)，栅极不加电压或者施加反向，栅极不加电压或者施加反向电压电压MOS也会导通。若栅极再施加正向电压也会导通。若栅极再施加正向电压, 反反而会拓宽导电通道，使而会拓宽导电通道，使导通电阻更小导通电阻更小。 如图如图, 将将MOS反接在半波整流电路中，即构成反接在半波整流电路中，即构成所谓同步整流电路。所谓同步整流电路。 us0, 使使MOS的的uGS 0; us0,使使MOS的的uGS 0: isL1负载负载VD2 构成回路构成回路(电源供能电源供能, L1储能储能) 。同时。同时, L2 经经负载负载VD2构成回路释能构成回路释能, 有有is= iL1, iL= iL1+ iL2。2022-3-31162.4 倍流整流倍流整流*