CH2变流电路基础课件

现代电源技术第二章常用电源电路及其控制技术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，又称为电力电子开关（3）需驱动电路（4）讲究散热设计，安装散热器2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3按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间 信号的性质，分为两类：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，或场效应器件5

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

6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7PN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，呈现电容效应，称之为结电容。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。9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----触发脉冲AGKIA

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一10晶闸管工作电压、电流高，功率大，使用中应注意的问题：阳极电压上升率du/dt过高阳极电流上升率di/dt过高结温较高保护11电力晶体管GTR驱动电路的要求:驱动电路对GTR的工作有很大的影响。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；13(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，防止二次击穿。理想的GTR基极驱动电流波形:

tib14GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变15

安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）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IcuCEibub17电力场效应晶体管PowerMOSFET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，UGS>20V将导致绝缘层击穿。漏极源极门极18

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MOSFET并联使用19MOSFET极间电容GDCGDCGSSCDS极间电容的等效电路：输入电容：Cin=CGS+CGD21MOSFET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10~15V，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断损耗22绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）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E23IGBT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。EXB84025功率模块与功率集成电路功率模块

PowerModule—将多个功率器件封装在一个模块中IGBT模块功率集成电路

PowerIntegratedCircuit（PIC）

—将器件与逻辑、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：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26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27IGBT过电流保护控制方法：要求：当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBTEXB840防止过电压292），过电压保护阻容保护非线性元件：压敏电阻、硒碓等30放电阻止型吸收电路RC吸收电路31CRGDSCRGDSCRGDSRGRC浪涌电压吸收电路栅极电阻抑制关断过电压32半桥电路IGBT的过电压抑制电路Pa)b)Nc)PNPN332.2AC/DC变换技术342.2AC/DC变换技术按组成的器件分：不可控、半控、全控整流电路的分类：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35一、单相桥式全控整流电路1.带电阻负载的工作情况36负载电压平均值:负载电压有效值:整流电路的功率因数:功率因数与控制角有关37cosja01p功率因数与控制角有关:=0时，cosj=1；增加，cosj减小；382.带阻感负载39q0wta0IdVT1VT2VT3VT4RLVD000i2wtwtwtwtiDiT1id-iT2iT1u2ud-u2idiDi2udu2iT1阻感负载带续流二极管的电路403.带反电动势负载41单相全波可控整流电路单相全波和单相桥式全控整流电路的区别42二、三相半波可控整流电路共阴极接法共阳极接法43

a=30时的波形

a>30的情况44三相半波可控整流电路，a=60时的波形比较45三、三相桥式全控整流电路46三相桥式

双脉冲触发u2oRudidabcVT1VT3VT5VT4VT6VT20u2wtp2puaubucuawtuabuacubcubaucaucbuabuacubcud0a=0ugwtwt12345612ug1234561647四、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：48有源逆变有源逆变产生的条件：（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

>p/2，使Ud为负值由于负载反电动势的作用，的变化范围：0-180°UdId+-P交流侧直流侧a),整流UdId-+P交流侧直流侧b),逆变EE49有源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502.3DC/AC变换技术51一、DC/AC变换器的分类：１，按负载分：有源逆变无源逆变２，按输入直流电源分：电压型逆变电流型逆变３，按电路结构分：半桥全桥推挽其它形式52４，按输出端相数分：单相三相多相53二、单相逆变电路１，单相半桥电压型逆变电路Ud/254２,单相全桥电压型逆变电路:tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t4553，推挽式逆变电路***56三、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）57四、ＰＷＭ逆变电路PWM（PulseWidthModulation）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58逆变电路的ＰＷＭ控制方式ioOwtuouofuoUd-UdOwtuG1,G4tt1ttt2uG1,4uG2,3uoiot3t0t459PWM波形的生成方法：计算法调制法跟踪法601,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61三相桥式PWM逆变电路波形

622,PWM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*iUd63滞环比较方式的电流跟踪控制特点:（1）硬件电路简单（2）实时控制，电流响应快（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波64五、PWM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■65五、PWM整流电路及其控制方法PWM整流电路

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，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器■PWM整流/逆变66PWM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V1~V4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+uduAB67PWM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，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■~~usisuABfLsRsuLuR68PWM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69PWM整流电路的工作原理注意点：PWM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usLsisRsV1V2V4V3ABVD3VD1VD2VD4+uduAB70三相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712.4DC/DC变换技术72DC/DC变换电路的类型直接变换---斩波电路降压斩波电路（BuckChopper）升压斩波电路（BoostChopper）升降压斩波电路（Boost-BuckChopper间接变换---AC-DC-AC正激电路forwardconverter

反激电路FlyBack半桥电路全桥逆变电路推挽电路Push-pullCircuit

731，降压斩波电路BuckEV+-MRLVDioEMuouGtttOOOTEGtontoffioi1i2I10I20t1uou电流连续时PWM控制方式742，升压斩波电路BoostEVRLVDa)Cioi1uGuob)uGioI1OOtt泵升电路，不允许输出开路753，升降压斩波电路764，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77Cuk斩波电路ERVDC1VL1L2uoC2RC1BASEi1L1L2i2uCuAuBuoC2L1、C1储能元件，

L2、C2滤波画出i1、i2的波形？785，正激电路变压器的磁心复位--S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源

796，反激电路

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SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO80半桥电路u1tUi/2S1ttS2TtON81全桥电路82推挽电路两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态83案例600VDC-24VDC5KW842.5AC/AC变换技术85AC/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86交-交变频单相交-交变频ZPNuouotPNUdocosa87两组变流电路的控制①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②有环流a=b工作方式ZPNuo88三相交交变频电路星形公共交流母线89案例设计：直流脉冲电源，单相交流电源220VAC，输出直流脉冲50KHz、0－7VDC、0－30A可调恒流输出。uot90小结91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=bibu=E-iR电力电子电路中BJT(GTR)通常工作于开关状态关断：i0,uEiuibubER导通：u0,iE/RiuibubER92电力电子系统的组成电力电子器件在实际应用中的系统组成返回

93理想的GTR基极驱动电流波形tOib返回

94GTR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

95一次击穿二次击穿A(Usb,Isb)一次击穿截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce返回

96MOSFET驱动电路GDCGSS驱动电路返回

97IGBT半桥模块a)外形b)电路结构返回

98GTR抗饱和电路GTRiBVD1VD2VD3iB’返回

99EXB系列驱动器及典型应用线路RGV1D