电力电子总复习.pptx

考核要点12.1 电力电子器件概述： 对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述 。 第1页/共83页 电力电子器件的概念和特征2 电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。第2页/共83页 电力电子器件的概念和特征3 电力电子器件的特征 所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。 自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。 第3页/共83页 应用电力电子器件的系统组成4电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电气隔离第4页/共83页5 按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件 主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET（GTO，GTR） 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件 电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。 电力电子器件的分类 第5页/共83页6 电力电子器件的分类按照驱动信号的性质 电流驱动型 （GTO，GTR） 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（MOSFET，IGBT） 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。按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型 （晶闸管） 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 （MOSFET，IGBT） 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 第6页/共83页考核要点72.2 电力二极管： 伏安特性 开关特性 分类和适用场合 主要参数、 第7页/共83页8 1.静特性 伏安特性 2.开关特性 电容效应引起: 关断过程-反向峰值电流IRR，反向恢复时间trr 开通过程-正向恢复 3. 分类和适用场合 普通二极管:1kHz以下 快/超快恢复二极管:高频 肖特基二极管:高频低压（=200V） 4. 参数 额定正向平均电流IF 反向重复峰值电压 反向恢复时间 正向导通压降2.2 电力二极管第8页/共83页9二极管分类：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管 电力二极管的主要类型普通二极管 称整流二极管，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。 其反向恢复时间较长，一般在5 s以上 。 其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高,分别可达数千安和数千伏以上。 快恢复二极管 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5 s以下） 。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。肖特基二极管 优点在于：反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 缺点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感。第9页/共83页 电力二极管的主要参数10正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。对于对于周期性函数周期性函数 f(t)200)()(21)(1tdtfdttfTFTd平均值的定义平均值的定义有效值的定义有效值的定义20202)()(21)(1tdtfdttfTFT 第10页/共83页 电力二极管的主要参数11正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 反向恢复时间trr 引起较大的损耗 di/dt造成较大的电磁干扰, 以及尖峰电压(Ls di/dt) 限制了二极管的开关速度反 向 恢 复 问 题 的 影 响反 向 恢 复 问 题 的 影 响第11页/共83页 电力二极管的主要参数12最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175 C范围之内。浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。第12页/共83页考核要点132.3 晶闸管： 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管器件的电压电流定额计算、 第13页/共83页14断断 通通:1.阳极和阴极之间加正向阳极电压阳极和阴极之间加正向阳极电压 且且 2.门和阴极之间加适当的正向门极电门和阴极之间加适当的正向门极电压压晶闸管晶闸管的通断条件的通断条件维持导通维持导通:阳极和阴极之间的电流大于维持阳极和阴极之间的电流大于维持 电流电流(此时门极电压不起作用此时门极电压不起作用)通通 断断: 阳极和阴极之间的电流小于维持电阳极和阴极之间的电流小于维持电流流 晶闸管的基本特性第14页/共83页15 晶闸管的基本特性关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第15页/共83页16 晶闸管的主要参数通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，A-K电压降平均值电流定额 通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。 维持电流维持电流I IH H 晶闸管维持导通所必需的晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，一般为几十到几百毫安。电流，一般为几十到几百毫安。擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的晶闸管从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。 对于同一个晶闸管来说，约为对于同一个晶闸管来说，约为I IH H的的2424倍倍 浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过最大正向过载电流载电流。第16页/共83页17 晶闸管的主要参数通过非正弦波形的电流时晶闸管额定电流如何计算？电流有效值相等即发热相同的原则电流有效值相等即发热相同的原则将非正弦半波电流的有效值将非正弦半波电流的有效值IT折合成折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值IT=KfIdITav=IT/1.57在实际选用时，一般取在实际选用时，一般取1.52倍的安全裕量倍的安全裕量可以认为，额定有效值电流为1.57ITav第17页/共83页考核要点182.4 典型全控器件： 典型全控器件的电气符号电力MOSFET/IGBT的伏安特性电力MOSFET与IGBT的特点，适用场合电力场电力场效应效应晶体管晶体管门极可关门极可关断断晶闸管晶闸管 绝缘栅双绝缘栅双极极晶体管晶体管电力晶体管电力晶体管、第18页/共83页191. 静特性:电压控制型开关器件 输出特性和转移特性 寄生二极管2. 开关特性:寄生电容引起 开通时间: tON=开通延迟td(on)+上升tr 关断时间: tOF=关断延迟ts(off)+下降tf3. 参数 静态: 通态电阻RDS（正温度系数）, 开启电压UT 动态: tON , tOF , du/dt 极限: 漏源击穿电压; 栅源击穿电压 最大允许漏极电流 最大允许功耗 安全工作区：电流，电压，功耗 电力场效应晶体管第19页/共83页20UIGTRIGBTMOSFETf三种全控开关器件的应用特点：三种全控开关器件的应用特点： 绝缘栅双极晶体管第20页/共83页21第3章 整流电路3.1 单相可控整流电路单相可控整流电路3.2 三相可控整流电路三相可控整流电路3.3 变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路的影响3.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路3.5 整流电路的谐波和功率因数整流电路的谐波和功率因数3.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电路3.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态3.8 整流电路相位控制的实现整流电路相位控制的实现本章小结本章小结第21页/共83页22考核要点考核要点单相可控整流电路、三相可控整流电路，重点掌握：单相半波、桥式全控、全波可控、桥式半控整流电路三相半波、三相桥式全控整流电路的原理分析每种电路在不同负载情况下的移相范围每种电路在任意触发角下的工作波形，包括：输出电压ud、输出电流id；晶闸管上的电压uVT、电流iVT；电源电流i2电阻负载、阻感负载波形的区别能够计算平均输出电压Ud、平均输出电流Id；给定输出电压计算触发角、导通角；考虑安全余量计算晶闸管的额定值（额定电压UN和额定电流IN ）；计算变压器二次侧的容量（二次侧的电压有效值乘以电流有效值 S = U2 I2 ）第22页/共83页23考核要点考核要点变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、重叠角等概念，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响；整流电路的谐波和功率因数分析，了解谐波的概念、各种整流电路产生谐波情况的定性分析，功率因数分析的特点、各种整流电路的功率因数分析。第23页/共83页 单相桥式全控整流电路24a)u (i )ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图3-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形1) 带电阻负载的工作情况电路结构电路结构工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。第24页/共83页 单相桥式全控整流电路25基本数量关系aaa2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（3-9）a 角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：（3-11）2cos19 . 02cos12222ddaaRURURUI(3-10)ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4211cos0.4522UIIRadVTd第25页/共83页 单相桥式全控整流电路26ttt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：（3-12）（3-13）222211(sin) d()sin2222UUIttRRaaaVT2222211(sin)()sin22UUIItdtRRaaa由式（2-12）和式（2-13）得：（3-14）不考虑变压器的损耗时，要不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量求变压器的容量 S=U2I2。12IIVT第26页/共83页 单相桥式全控整流电路272OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图3-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 带阻感负载的工作情况 电路分析 在u2正半周期 触发角a a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。 负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。 u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。 t= +a a时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。 第27页/共83页 单相桥式全控整流电路282OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4 基本数量关系d22212 22sind()cos0.9cosUUttUU aaaa（3-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U晶闸管导通角与无关，均为180。电流的平均值和有效值：dTd12IITdd10.7072III变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。第28页/共83页29 三相半波可控整流电路1)电阻负载电阻负载电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0 。a)b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt图3-13 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形 第29页/共83页30 三相半波可控整流电路30时，输出电压时，输出电压ud和和id波形出现断续，各相晶闸波形出现断续，各相晶闸管导通小于管导通小于120导通角与电流连续关系导通角与电流连续关系第30页/共83页31 三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图3-18 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6ud+ud-第31页/共83页32当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60 时）的平均值为： 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /Raaacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU 三相桥式全控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为ddIII816. 0322第32页/共83页33结论：对于三相桥式整流电路，上桥臂和下桥臂必须同时导通才能形成供电回路。对于阻性负载，可能形成电流断续情况，这时产生某相触发时必须对前一个触发信号进行补发，保证电流通路。补发的方法可采取宽脉冲（大于60）或双窄脉冲。宽脉冲触发或双窄冲触发 （三相全桥整流电路） 三相桥式全控整流电路第33页/共83页34考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。现以三相半波为例，然后将其结论推广。3.3 变压器漏感对整流电路的影响34ik=ib是逐渐增大的， 而ia=Id-ik是逐渐减小的。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断,换流过程结束。VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik。图3-26 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形udidtOtOgiciaibiciaIduaubuca第34页/共83页353.3 变压器漏感对整流电路的影响换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度g g表示。换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。2ddddbakBbkBaduutiLutiLuug g 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则g g 越大； （2） XB越大g g 越大； （3） 当a a90 时，a a 越小g g 越大。21.17cosUUad表表3-2，例，例3-2！第35页/共83页3.8 整流电路相位控制的实现有源逆变逆变（Inversion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：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。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。第36页/共83页37从上述分析中，可以归纳出整流电路产生逆变的条件有二：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。晶闸管的控制角a /2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。3.8 整流电路相位控制的实现第37页/共83页38第4章 逆变电路4.1 换流方式换流方式4.2 电压电压型逆变电路型逆变电路4.3 电流型逆变电路电流型逆变电路4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结本章小结第38页/共83页39考核要点考核要点换流与换流方式：换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换流方式分类：器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流器件换流适用于全控器件，其他三种适用于SCR器件换流和强迫换流属于自换流电网换流和负载换流属于外部换流。第39页/共83页40考核要点考核要点 逆变电路分类方法、特点逆变电路分类方法、特点 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类 负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路 电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。 单相、三相电压型单相、三相电压型/电流型逆变电路电流型逆变电路 各种逆变电路的结构、基本工作方式（导通方式） 能够分析基本逆变电路工作波形，输出电压（电流）的波形 计算输出电压/电流的基波幅值、有效值第40页/共83页41 换流方式分类 器件器件换流（换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。- 晶闸管整流将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 负载负载换流（换流（Load Commutation） 强迫换流（强迫换流（Forced Commutation）第41页/共83页42 换流方式分类 强迫换流（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电容换流。 负载换流（负载换流（Load Commutation）由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。第42页/共83页43 换流方式分类换流方式总结换流方式总结：器件换流适用于全控型器件。其余三种方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭熄灭。第43页/共83页444.2 电压型逆变电路逆变逆变电路的分类电路的分类 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同直流侧是电压源电压源电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI第44页/共83页454.2 电压型逆变电路电压型逆变电路的电压型逆变电路的特点特点图4-5 电压型全桥逆变电路 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。第45页/共83页464.3 电流型逆变电路图4-11 电流型三相桥式逆变电路直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点特点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。 (2) 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。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。第46页/共83页47三相桥式逆变电路 电路结构 6个桥臂组成，一个全控型开关管一个反并联二极管； 三相对称负载星形连接，一端连接各相桥臂中点； 为了分析方便，画做串联的两个电容器，标出假象中点 N。假想中点可以看成由三个半桥逆变电路组成 三相电压型逆变电路图4-9 三相电压型桥式逆变电路第47页/共83页48 三相电压型逆变电路图图4-10 4-10 电压型三相桥式逆电压型三相桥式逆变电路的工作波形变电路的工作波形波形分析负载线电压 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu负载相电压负载中点和电源中点间电压)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu负载三相对称时uUN+uVN+uWN=0)(31 WN VN UNNNuuuu第48页/共83页49 三相电压型逆变电路例：三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，Ud=200V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中7次谐波的有效值UUV7。 解： dUN1mUN145. 02UUUddUN1m637. 02UUUddUV1m1.132UUUddUV1mUV178. 062UUUU0.4520090（V） 0.637200127.4（V） 1.1200=220（V） 0.78200=156（V） UV1mUV1UV722.3(V)72 7UUU第49页/共83页50第5章 直流-直流变流电路5.1 基本斩波电路基本斩波电路5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电复合斩波电路和多相多重斩波电路路5.3 带隔离的直流带隔离的直流-直流变流电路直流变流电路本章小结本章小结第50页/共83页51重点掌握能正确画出Buck/Boost变换器电路构成图掌握Buck/Boost变换器基本工作原理和特点掌握分析方法（CCM和DCM两种工作方式下波形和基本关系推导及规律）CCM和DCM两种方式下外特性计算CCM模式下的输出电流、电压、占空比设计临界连续电感，会判断在某给定参数下的工作方式根据给定的电压纹波值计算滤波电容计算器件承受的电流电压值考核要点考核要点第51页/共83页52为电感电流提供续流通路滤除高频成分D斩波管斩波管Q续流续流D LC低通滤波器低通滤波器 降压斩波电路第52页/共83页53降压斩波电路开关管选型MOSFET？IGBT？依据：电压、电流和功率等级、开关频率功率管最大电流等于电感电流峰值式中Iomax和IGmax为最大输出电流与最大临界电流一般取功率晶体管的最大电流ICM功率管的电压满足10kW20kHz第53页/共83页54降压斩波电路二极管的平均电流和有效电流在低压场合优先选肖特基二极管；电压较高(200V)选超快恢复或快恢复二极管二极管选型二极管的电压满足（2倍裕量）：UDR=2Umax=第54页/共83页55为保证电感在给定负载条件下电感电流连续，有 Iomin=IG将Iomin代入IG表达式，即得到电感L：如果临界连续电流取得过小，则电感过大；电感小、则电流纹波大经验取值: IG=(1/51/3)Iomax轻载时必定工作在断续模式降压斩波电路滤波电感设计iG12U TIDDL第55页/共83页56降压斩波电路滤波电容设计电容电流近似为电感电流的脉动部分电容电流在1/2周期内充电，在1/2周期内放电电流为正时充电，电压上升所以，电容电流：电容纹波电压第56页/共83页57小结工作原理分析：(iL连续)on/off 期间的回路方程- Uo=DUi2、参数计算: Q-电压（稳态承受电压：Ui）, 峰值电流 D-电压（稳态承受电压: Ui), 电流有效值/平均电流定额1、输入电压为V ？% ，输出电压为？V ，占空比的变化范围？=第57页/共83页58小结工作原理分析：(iL连续) L-按临界连续电流设计 C-按输出电压纹波设计min(1)2ioUTDDLI2(1)8icUDDCLfU3、保证整个工作范围电感电流连续时所需的最小电感值？4、保证一定的输出电压纹波时的滤波电容值？第58页/共83页59作业1、降压式DC/DC变换器电路。输入电压为27v10% ，输出电压为15v ，最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。设器件为理想的，工作频率为30KHZ,求： (1) 电感电流连续时，占空比的变化范围（2）保证整个工作范围电感电流连续时所需的最小电感值（3）输出电压纹波为100mV时的滤波电容值 第59页/共83页60作业1、降压式DC/DC变换器电路。输入电压为27v10% ，输出电压为15v ，最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。设器件为理想的，工作频率为30KHZ,求： (1) 电感电流连续时，占空比的变化范围 已知：Ui=27v10%，Uo=15vUo=Dui Uimax=27v+10%=29.7V Uimin=27v-10%=24.3V解得： Dmax=15/24.3=0.617; Dmin=15/29.7=0.505;第60页/共83页61作业1、降压式DC/DC变换器电路。输入电压为27v10% ，输出电压为15v ，最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。设器件为理想的，工作频率为30KHZ，求：（2）保证整个工作范围电感电流连续时所需的最小电感值 电流联系时的最小电感值Pomax=120W， Pomin=10W，Uo=15v，根据P=UI得到：Iomax=8A， Iomin=0.667AUo=UiD=15V，保证电流连续，取D=0.505，计算LL=0.185mH第61页/共83页62作业1、降压式DC/DC变换器电路。输入电压为27v10% ，输出电压为15v ，最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。设器件为理想的，工作频率为30KHZ,求：（3）输出电压纹波为100mV时的滤波电容值 2(1)8icUDDCLfU保证一定电压纹波时，最小的滤波电容值带入：带入：L=0.185mH； Uo=15V； Uc=100mV ；D=0.505 f = 30000 Hz C = 55.74uF第62页/共83页63 升压斩波电路开关管电流max2QPiiIIGmax2iI式中Iimax和IGmax为最大输入电流与最大临界电流一般取功率晶体管的最大电流ICM功率管的电压满足第63页/共83页64 升压斩波电路二极管的平均电流和有效电流在低压场合优先选肖特基二极管；电压较高(200V)选超快恢复或快恢复二极管二极管选型二极管的电压满足（2倍裕量）：UBR=2Uo第64页/共83页65为保证电感在给定负载条件下电感电流连续，有 Iomin=IG将Iomin代入IG表达式，即得到电感L：在D=01/2范围内，D增加，L增加在D=1/21范围内，D增加，L减小在已知的D范围内，应设计最大的电感量经验取值: IG=(1/51/3)Iomax滤波电感设计 升压斩波电路(1)1 11 1()222iiGLOFFOFFU DTU TDDIi TTTTLL第65页/共83页66 升压斩波电路滤波电容设计电容电压纹波是由电感电流充电和电容放电来决定的，单个开关周期充放电大小相等当开关管导通时所以有oonoI TduCIudtC 2%100100100/100ooonoooonooooooUI TUCUI TDP UDPCUf Uf Uggggg第66页/共83页67第6章 交流-交流变流电路6.1 交流调压电路交流调压电路6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路6.3 交交-交变频电路交变频电路6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路本章小结本章小结第67页/共83页68交流交流变流电路的分类及其基本概念；单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性，移相范围；三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；晶闸管相位控制交交变频电路工作原理、特点；各种交流交流变流电路的主要应用；、6.2考核要点第68页/共83页69 单相交流调压电路Ou1uoiouVTtOtOtOt图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。aaa2sin21dsin21121oUttUU负载电压有效值Uo负载电流有效值IoRUIoo晶闸管电流有效值IT)22sin1 (21sin221121aaaRUtdRtUIT功率因数aa2sin211oo1ooUUIUIUSPa 第69页/共83页 交流调功电路70 交流调功电路与交流调压电路的异同比较交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同完全相同不同点不同点 控制方式不同不同交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形进行控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。第70页/共83页71 交流电力电子开关概念概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。与交流调功电路的区别区别并不控制电路的平均输出功率。通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。控制频度通常比交流调功电路低得多。第71页/共83页72第7章 PWM控制技术7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法本章小结本章小结第72页/共83页73需要重点掌握的知识点需要重点掌握的知识点 分类：波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，输入电源是交流或不是恒定的直流称为不等幅PWM波。 实现PWM控制的方法：计算法（特定谐波消除法）；调制法（单极性调制、双极性调制）；跟踪控制方法（滞环比较方式、三角波比较方式）； 载波比；根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制，分段同步调制。 谐波分析：不含低次谐波，单相电路谐波中幅值较高的是c 、2c；三相电路谐波中幅值较高的是c2r和2cr。考核要点第73页/共83页74需要重点掌握的知识点需要重点掌握的知识点 直流电压利用率：逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。 提高直流电压利用率：可提高逆变器的输出能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗。方法：梯形波调制；线电压控制方式（三次谐波注入法）；电压空间矢量调制法。 采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点： 硬件电路简单；属于实时控制方式，电流响应快；不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；采用闭环控制。考核要点、第74页/共83页75等幅等幅PWM波波输入电源是恒定直流 第5章的直流斩波电路 4.2节的PWM逆变电路 7.4节的PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流 6.1节的斩控式交流调压电路 6.4节的矩阵式变频电路OtUd-UdUot7.1 PWM控制的基本原理波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。第75页/共83页76 计算法和调制法调制法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。计算法把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。实现PWM控制有两种基本的方法第76页/共83页77 单极性和双极性PWM调制有什么区别？ 单极性PWM控制方式： 三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性， PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化， 输出的PWM波有三种电平Ud、0、- Ud。 双极性PWM控制方式： 三角波载波始终是有正有负为双极性， 所得的PWM波在半个周期中有正、负两种极性， 输出只有两种电平Ud、- Ud。 计算法和调制法urucuOtOtuouofuoUd-UdurucuOtOtuouofuoUd-Ud第77页/共83页78 异步调制和同步调制根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式 同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。第78页/共83页79 跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。tOiii*+ Ii*- Ii*图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2I的滞环比较器的控制，i就在i*+ I和i*- I的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用 滞环比较方式i*-i Ii*-i -I第79页/共83页80 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。 硬件电路简单。 实时控制，电流响应快。 不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。 闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。 滞环比较方式第80页/共83页81第9章 电力电子器件应用的共性问题9.1 电力