第2篇-电力电子电路拓扑课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/1/18,2-,#,2-,1,2.1,变流电路拓扑概述,电力电子装置最根本任务是实现电能的变换，因此也称为变换器，其对应的电路称变流电路或变换电路，通常有,：,AC,DC,，,DCDC,，,DCAC,，,ACAC,变换器最基本的性能要求,直流输出的性能要求,输出电压（流）的大小：静态精度,纹波：输出最大值与最小值的差值,纹波系数：输出最大值与最小值的差与输出平均值的比,交流输出的性能要求,交流电的基本要素：,波形,、,大小,、,频率,三种。,2-12.1 变流电路拓扑概述 电力电子装置最根本,2-,2,2.1,变流电路拓扑概述,波形,：一般情况要求输出正弦波，失真度？,正弦波电压可表示为：,对于周期性的非正弦波电压，可分解为,傅里叶级数,：,基波（,fundamental,）,频率与工频相同的分量,谐波,频率为基波频率大于,1,整数倍的分量,谐波次数,谐波频率和基波频率的整数比,n,次谐波电流含有率以,HRI,n,（,Harmonic Ratio for,I,n,）,表示：,电流谐波总畸变率,THD,i,（,Total Harmonic distortion,）,定义为：,2-22.1 变流电路拓扑概述波形：一般情况要求输出正,2-,3,2.1,变流电路拓扑概述,大小,：由于交流电是瞬时变化的，其大小的表示方法可以用,瞬时值,表示，或用,有效值（幅值）,及,相位,描述；,频率,：交流电输出正负变化周期所对应的频率,对交流输出来说，除了对输出大小和频率的精度要求外，输出波形的谐波含量小也是一个非常重要的指标。,交流输入侧的性能要求,交流输入侧一般为电网，其主要考虑的是对电网的影响应尽可能小，因此一般要求功率因数高、谐波污染小,变换器的动态性能指标,主要包含变换器在各种扰动条件下输出的稳定性、超调量、动态稳定时间等指标。,2-32.1 变流电路拓扑概述大小：由于交流电是瞬时变,2-,4,2.1,变流电路拓扑概述,变换器的主要类型,整流电路（,ACDC,）,二极管不可控桥式整流（往往带大电容滤波）,单相、三相,晶闸管可控整流,三相大功率场合,开关电源方式（一般为：,ACDC,DCDC,）,ACDC,常采用二极管整流，由,DCDC,调节输出,谐波及功率因数,无源,LC,滤波及补偿、,PFC,电路、,PWM,整流电路,2-42.1 变流电路拓扑概述变换器的主要类型,2-,5,2.1,变流电路拓扑概述,直流变换电路（,DCDC,）,非隔离直接变换,6,种基本电路：,Buck,、,Boost,、,Buck-Boost,、,Cuk,、,Sepic,、,Zeta,输入输出隔离的直流变换,常用电路：正激式、反激式、半桥、全桥、推挽式,高频变压器：铁芯材料、线圈工艺、效率,输出级整流,器件：快速恢复二极管、肖特基二极管、,MOSFET,电路：半波、全波、桥式、同步整流、交错并联,2-52.1 变流电路拓扑概述直流变换电路（ DCD,2-,6,2.1,变流电路拓扑概述,逆变电路（,DCAC,）,有源逆变,晶闸管三相桥式可控变流电路、双桥,12,脉可控变流电路,无源逆变,单相逆变：半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变电路,三相逆变：三相三桥臂桥式逆变、三相四桥臂桥式逆变,单相逆变组合、波形重构技术、多电平逆变,DC,变换式逆变：两台,DC,变换器合成,高频链逆变：高频变实现输入输出隔离,2-62.1 变流电路拓扑概述逆变电路（ DCAC）,2-,7,2.1,变流电路拓扑概述,交交变换电路（,ACAC,）,交流调压,晶闸管电路：单相交流调压、三相交流调压,全控器件：斩控式交流调压电路,交交变频,晶闸管电路：三相交交变频电路,全控器件：矩阵式变换器、双,PWM,变流电路,2-72.1 变流电路拓扑概述交交变换电路（ ACA,2-,8,2.2,整流电路,ACDC,整流电路有：二极管不可控整流、晶闸管可控整流、高频开关电源、,PWM,整流等许多方式,二极管不可控整流电路,一般仅为输入级电路，而非直接输出带负载,单相桥式不可控整流,电容滤波的单相桥式不可控整流,在,u,2,正半周过零点至,w,t,=0,期间，因,u,2,u,d,，故二极管均不导通，电容,C,向,R,放电,，提供负载所需电流。,至,w,t,=0,之后，,u,2,将要超过,u,d,，使得,VD,1,和,VD,4,开通,，,u,d,=u,2,，交流电源向电容充电，同时向负载,R,供电。,b),0,i,u,d,q,d,p,2,p,w,t,i,u,d,a),+,R,C,u,1,u,2,i,2,VD,1,VD,3,VD,2,VD,4,i,d,i,C,i,R,u,d,2-82.2 整流电路 ACDC 整流电路有：,2-,9,2.2,整流电路,三相桥式不可控整流,某一对二极管导通时，,输出电压等于交流侧线电压中最大的一个,，该线电压既向电容供电，也向负载供电。,当没有二极管导通时，由电容向负载放电，,u,d,按指数规律下降。,a),b),O,i,a,u,d,i,d,u,d,u,ab,u,ac,0,d,q,w,t,p,p,3,w,t,结论：二极管不可控整流，输出电压不可控，网侧电流与电压相位基本相同，但为尖峰电流，谐波大。,电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形,2-92.2 整流电路三相桥式不可控整流某一对二极管导,2-,10,2.2,整流电路,感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形,a),b),u,2,u,d,i,2,0,d,q,p,w,t,i,2,u,2,u,d,b),c),i,a,i,a,O,O,t,t,感容滤波的三相桥式不可控整流,a,）电路,b,）轻载时的电流波形,c,）重载时的电流波形,2-102.2 整流电路感容滤波的单相桥式不可控整流电,2-,11,2.2,整流电路,晶闸管可控整流电路,主要应用于大功率场合：高压直流输电、直流传动、电解、电镀、蓄电池电极的极板化成电源、,等,三相全桥,6,脉波整流电路，如直流传动系统。,整流变压器,三相整流桥,输出电压可以通过控制晶闸管的触发角来调节；,输出电压在工频周期内脉动,6,次，输出直流侧谐波含量为,mk,（,m,=6,k,=1,，,2,，,3.,）次,;,输入网侧电流与电压的相位差由晶闸管触发角,决定；,网侧电流谐波含量为：谐波次数为,mk,1,（,m,=6,k,=1,，,2,，,3),次。,2-112.2 整流电路晶闸管可控整流电路整流变压器三,2-,12,2.2,整流电路,晶闸管三相,12,脉整流电路,三相,12,脉整流电路的工作电流波形,三相,12,脉波整流电路，它是高压直流输电的典型电路。,整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差,30,、大小相等的两组电压。,星形,三角形,0,a),b),c),d),i,a1,I,d,180,360,i,a2,i,ab2,i,A,I,d,i,ab2,w,t,w,t,w,t,w,t,0,0,0,I,d,2,3,3,3,I,d,3,3,I,d,I,d,3,2,3,(1+,),I,d,3,2,3,(1+,),I,d,3,3,I,d,1,3,2-122.2 整流电路 晶闸管三相12脉整流电路 三,2-,13,2.2,整流电路,带,平衡电抗器,的,双反星形,可控整流电路，适应于低压大电流电源场合，如：电解,整流变压器二次侧为两组,匝数相同极性相反,的绕阻，分别接成两组三相半波电路,整流变压器两绕组,极性相反,的目的是为了,消除直流磁通势,平衡电抗器,是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。,带平衡电抗器的,双反星形可控整流电路,2-132.2 整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流,2-,14,2.2,整流电路,电路输出电压仍为,6,脉，但数值比三相全桥电路,小一半,电路输出电流比三相全桥电路,大一倍,。,几种典型的晶闸管触发角时输出电压波形如右图所示。,当,=30,、,60,、,90,时，双反星形电路的输出电压波形,。,90,=,a,。,60,=,a,。,30,=,a,u,d,u,d,u,d,w,t,O,w,t,O,w,t,O,u,a,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,u,b,u,c,u,c,u,a,u,b,2-142.2 整流电路电路输出电压仍为6脉，但数值比,2-,15,2.2,整流电路,晶闸管整流电路的系统结构,为实现对输出的调节与稳定控制，一个完整的晶闸管可控整流电路应由主电路、控制电路组成一个闭环控制系统，其结构框图如下：,三相市电经整流变压器后给晶闸管可控整流电路供电，通过整流获得脉动的直流电，然后经,LC,组成的低通滤波器进行滤波后，获得平直的直流输出，该输出由控制电路采样并反馈到控制系统，经调节产生晶闸管整流电路的触发脉冲角，实现对输出的稳定控制。,2-152.2 整流电路晶闸管整流电路的系统结构三相市,2-,16,2.2,整流电路,晶闸管整流电路的特点,整流变压器工作在工频状态，体积大，重量重；,晶闸管采用移相触发，网侧谐波电流含量大；,直流输出由多个脉动波形组成，需要较大的输出低通滤波器（滤波电感、电容参数较大，因此体积大）,输出精度不高、动态响应慢、纹波系数大；,网侧谐波主要是由固定频率的特征谐波组成；,网侧电流与电压的相位差角等于晶闸管移相角。,2-162.2 整流电路晶闸管整流电路的特点,2-,17,2.2,整流电路,高频开关电源,高频工作的作用,调节过程快，性能指标可以提高；,变压器、滤波器、磁性元件的体积与重量减小，滤波电感电容参数值可减小,变换器功率密度提高,高频工作引起的问题,开关损耗大；,电磁兼容问题突出,电路复杂，分布参数影响大，难度增加,2-172.2 整流电路高频开关电源,2-,18,2.2,整流电路,高频开关电源的结构,取消工频变压器，采用高频变压器,变压器体积；,电路结构比,SCR,可控整流复杂；,通过,PWM,控制来调节高频,DC/DC,变换电路的占空比，实现对输出的调节和稳定；,动态响应快，稳定精度高，纹波小，体积小，重量轻。,2-182.2 整流电路高频开关电源的结构取消工频变压,2-,19,2.2,整流电路,高频变压器,铁芯材料,工频变：硅钢片，,50Hz,，饱和磁密高，电阻率小，,当,f,上升,涡流损耗大，不适于高频工作,高频变：,铁芯为软磁材料，如铁氧体,铁芯特点是：饱和磁密低，电阻率高,涡流损耗小，但易饱和，增加气隙防饱和,变压器绕组,因为,f,上升,匝数下降 ，匝数太少，原副耦合度受影响,为提高原副边的耦合度，采用“三明治绕法”,2-192.2 整流电路高频变压器铁芯材料变压器绕组,2-,20,2.2,整流电路,网侧谐波与功率因数问题及对策,非正弦条件下的功率因数定义,有功功率,视在功率：,电压、电流有效值的乘积，即,S=UI,功率因数,：,定义为有功功率,P,和视在功率,S,的比值，即,畸变系数：,基波电流有效值和总电流有效值之比,位移因数：,基波电压与电流相位差角的余弦,功率因数等于,位移因数,和,畸变系数,的乘积。,2-202.2 整流电路网侧谐波与功率因数问题及对策视,2-,21,2.2,整流电路,谐波及功率因数补偿方法,无源,LC,滤波补偿,设计,LC,参数，使其在待滤谐波的频率处谐振。因此无源滤波器原理简单，补偿容量大，成本低，运行维护费用低。但只能针对特定次谐波，与系统发生谐振的可能性，工程设计应特别注意,LC,滤波器的品质因数选择要恰当，一般在,60,左右,LC,滤波器的参数设计应考虑基波频率的允许波动范围,高次谐波滤波支路的,LC,参数，对基波呈容性，即滤波的同时也具有基波的容性无功补偿作用,滤波器参数的工程设计应注意防止谐振现象发生,2-212.2 整流电路谐波及功率因数补偿方法LC滤波,2-,22,2.2,整流电路,功率因数校正技术（,PFC,）,引入功率因数校正电路，通过对该电路开关器件的高频,PWM,控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数为,1,。当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。,PWM,整流技术,采用全控型开关器件作为整流电路元件，通过对该电路的开关器件进行高频,PWM,控制，使网侧电源电流按正弦规律轮廓变化，并保持与网侧电源电压同相位，则网侧功率因数将为,1,，当然也可以控制网侧电源电流与电压保持一定的电角度，使功率因数为所需要的值。,2-222.2 整流电路功率因数校正技术（PFC）,2-,23,2.2,整流电路,PWM,整流电路,单相桥式,PWM,整流电路,三相桥式,PWM,整流电路,以电源电压,u,s,为参考相位；,采用电流跟踪,PWM,控制，使电源电流,i,s,按正弦规律变化,;,控制系统的高频,PWM,控制，在保持输出电压,u,d,稳定的情况下，同时使网侧电流正弦且与电压同相位；,详细控制策略将在后面分析。,2-232.2 整流电路PWM整流电路 单相桥式PWM,2-,24,2.3,直流变换电路,DCDC,直流电路种类繁多，根据是否有高频变压器隔离措施，其电路结构也有相应的区别。,非隔离的直流变换电路,非隔离直流变换电路不含高频变压器，变换电路相对简单，变换效率也较高。最基本的电路有,6,种：,Buck,电路、,Boost,电路、,Buck-Boost,电路、,Cuk,电路、,Sepic,电路、,Zeta,电路,Buck,电路,分析时，,LC,可作为低通滤波器处理,全控型器件,续流二极管,2-242.3 直流变换电路 DCDC 直流电路种类,2-,25,2.3,直流变换电路,工作原理,降压斩波电路及波形,设开关管,V,周期性地通断，其导通为,t,on,，关断时间为,t,off,，周期为,T,，定义占空比为：,D,=,t,on,/,(,t,on,+ t,off,),= t,on,/ T,。,输出电压的平均值,U,o,为：,U,o,D E,由于,0D1,，所以输出电压小于输入电压的，即降压斩波；,输出电压与输入电压同极性。,Buck,电路工作特点：,V,导通，电源向负载供电，,V,关断，电源不供电；,2-252.3 直流变换电路工作原理降压斩波电路及波形设开关,2-,26,2.3,直流变换电路,保持输出电压,储存电能,Boost,电路,工作原理,0,t,on,：,V,导通，,D,截至，电源给电感,L,供电，储能，有：,t,on,T,：,V,关断，,D,导通，,L,释放能量，与电源一起向负载供电，有：,稳定后，应有：,由此推导出：,2-262.3 直流变换电路保持输出电压储存电能Boost电,2-,27,2.3,直流变换电路,由于,0D1,，所以输出电压大于输入电压的，即升压斩波；,输出电压与输入电压同极性。,电压升高得原因：电感,L,储能使,电压泵升,的作用,电容,C,可将输出电压,保持,住,Boost,电路的几个典型应用场所：,1,）直流电动机传动：电机制动时的能量向电源回馈,2,）用于,单相功率因数校正（,PFC,）,电路,3,）,用于其他交直流电源中,Boost,电路工作特点：,V,导通，电感储能，不给负载供电，,V,关断，电感储能释放，与电源一起向负载供电；,2-272.3 直流变换电路由于0D1，所以输出电压大于,2-,28,2.3,直流变换电路,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,t,O,T,O,E,t,c),u,o,i,o,i,1,i,2,t,1,t,2,t,x,t,on,t,off,I,20,u,o,用于电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形,a,）电路图,b,）电流连续时,c,）电流断续时,用于直流电动机传动,当电机作制动时，转速将下降，其反电势,E,M,随着转速的降低而减小，必有,E,M,E,；,要想通过再生制动时把电能回馈给直流电源，必须采用升压电路。,电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。,直流电源的电压基本是恒定的，可以不并联电容器。,2-282.3 直流变换电路ttTEiOOb)a)i1i2I,2-,29,2.3,直流变换电路,图,3-4,升降压斩波电路,Buck-Boost,电路,工作原理,0,t,on,：,V,导通，,D,截至，电源给电感,L,储能，,C,维持输出电压，此时有：,t,on,T,：,V,关断，,D,导通，电电感,L,释放能量给电容,C,和负载供电，此时有：,电路稳定后应有：,由此可得：,负号表示输入与输出反极性；,2-292.3 直流变换电路图3-4 升降压斩波电路Buc,2-,30,2.3,直流变换电路,当,D0.5,时，输出电压大于输入电压，升压；,所以：,Buck-Boost,电路也称升降压斩波电路,输出电压与输入电压反极性。,Buck-Boost,电路工作特点：,V,导通，电感储能，不给负载供电，,V,关断，电感储能释放，向负载供电；,2-302.3 直流变换电路当D0.5时，输出电压小于输入,2-,31,2.3,直流变换电路,Cuk,电路,V,导通时，,D,截止，,E-L,1,-V,回路和,R-L,2,-,C,-V,回路有电流。,V,关断时，,D,导通，,E-L,1,-,C-,VD,回路和,R-L,2,-VD,回路有电流。,输出电压的极性与电源电压极性相反。,电路相当于开关,S,在,A,、,B,两点之间交替切换。,Cuk,斩波电路及其等效电路,a,） 电路图,b,） 等效电路,2-312.3 直流变换电路Cuk电路V导通时，D截止，E-,2-,32,2.3,直流变换电路,稳态时有：,数量关系,V,处于通态的时间,t,on,，则电容电流和时间的乘积为,I,2,t,on,。,V,处于断态的时间,t,off,，则电容电流和时间的乘积为,I,1,t,off,。由此可得：,优点,（与升降压斩波电路相比）：,输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。,升降压斩波，输入输出反极性,2-322.3 直流变换电路稳态时有：数量关系V处于通态的时,2-,33,2.3,直流变换电路,Sepic,斩波电路,Sepic,电路,工作原理,V,导通，,D,截止，,E,L,1V,回路和,C1V,L,2,回路同时导电，,L,1,和,L,2,贮能,;,V,关断，,D,导通，,E,L,1,C,1,VD,负载,回路及,L,2,VD,负载,回路同时导电，此阶段,E,和,L,1,既向负载供电，同时也向,C,1,充电（,C,1,贮存的能量在,V,处于通态时向,L,2,转移）,Sepic,电路的电源电流和负载电流均,连续,；,升降压，输入输出同极性。,输入输出关系：,2-332.3 直流变换电路Sepic斩波电路Sepic电路,2-,34,2.3,直流变换电路,Zeta,斩波电路,Zeta,电路,工作原理,V,导通，,D,截止，电源,E,经,V,向电感,L,1,贮能,;,输入输出关系：,V,关断，,D,导通，则,L,1,VD,C,1,构成振荡回路，,L,1,的能量转移至,C,1,，能量全部转移至,C,1,上之后，,VD,关断，,C,1,经,L,2,向负载供电。,Zeta,电路的输入、输出电流均是,断续,的。,升降压斩波，输入输出同极性,2-342.3 直流变换电路 Zeta斩波电路Zeta电路输,2-,35,2.3,直流变换电路,输入输出隔离的直流变换电路,采用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，常用电路有,5,种：正激变换电路、反激变换电路、半桥变换电路、全桥变换电路、推挽变换电路,正激变换电路（,Forward,）,为,Buck,插入高频变压器后的变型电路,高频变压器绕组,N1,、,N2,为输入输出主功率传送绕组，,N3,为磁复位绕组,正激变换电路,2-352.3 直流变换电路输入输出隔离的直流变换电路正激变,2-,36,2.3,直流变换电路,正激电路的原理图,正激电路的理想化波形,S,u,S,i,L,i,S,O,t,t,t,t,U,i,O,O,O,开关,S,开通后，变压器绕组,W,1,两端的电压为上正下负，与其耦合的,W,2,绕组两端的电压也是上正下负。因此,VD,1,处于通态，,VD,2,为断态，电感,L,的电流逐渐增长；,S,关断后，电感,L,通过,VD,2,续流，,VD,1,关断。变压器的励磁电流经,N,3,绕组和,VD,3,流回电源，所以,S,关断后承受的电压为：,工作原理,2-362.3 直流变换电路 正激电路的原理图 正激电路,2-,37,2.3,直流变换电路,B,R,B,S,B,H,O,磁心复位过程,变压器的磁心复位,开关,S,开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到,S,关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在,S,关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为,变压器的磁心复位,。,变压器的磁心复位时间为,2-372.3 直流变换电路BRBSBHO 磁心复位过,2-,38,2.3,直流变换电路,输出电压,当输出滤波电感电流连续时，有：,当负载电流较小而导致电感电流断续时，输出电压将有所增加，在负载空载时达到极限的最高电压为：,2-382.3 直流变换电路输出电压当输出滤波电感电流连续时,2-,39,2.3,直流变换电路,反激变换电路（,Flyback,）,为,Boost,插入高频变压器后的变型电路,绕组,N1,、,N2,为输入、输出主功率传送绕组，同名端反向,工作过程：,反激变换电路,S,导通，,VD,关断，,W,1,绕组的电流线性增长，电感储能增加；,S,关断后，,W,1,绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过,W,2,绕组和,VD,向输出端释放。,2-392.3 直流变换电路反激变换电路（Flyback）,2-,40,2.3,直流变换电路,输出电压：,电流连续模式：当,S,开通时，,W,2,绕组中的电流,尚未下降到零,。,输出电压关系：,电流断续模式：,S,开通前，,W,2,绕组中的电流,已经下降到零,。输出电压高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， ，因此反激电路不应工作于负载开路状态。,2-402.3 直流变换电路输出电压：电流连续模式：当S开通,2-,41,2.3,直流变换电路,工作过程,S,1,与,S,2,交替导通，变压器一次侧为,U,i,/2,的交流电压。改变开关的占空比，就改变二次侧整流电压,u,d,的平均值，也就改变了输出电压,U,o,。,S,1,导通时，二极管,VD,1,处于通态，,S,2,导通时，二极管,VD,2,处于通态,;,当两个开关都关断时，变压器绕组,N,1,中的电流为零，,VD,1,和,VD,2,都处于通态，各分担一半的电流。,S,1,或,S,2,导通时电感,L,的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感,L,的电流逐渐下降。,S,1,和,S,2,断态时承受的峰值电压均为,U,i,。,半桥变换电路,半桥电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,T,t,t,t,t,t,t,t,t,on,U,i,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,半桥电路的理想化波形,2-412.3 直流变换电路工作过程半桥变换电路 半,2-,42,2.3,直流变换电路,输出电压：,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。,半桥电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,T,t,t,t,t,t,t,t,t,on,U,i,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,半桥电路的理想化波形,当滤波电感,L,的电流连续时：,如果输出电感电流不连续，输出电压,U,0,将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下有：,2-422.3 直流变换电路输出电压：由于电容的隔直作用，半,2-,43,2.3,直流变换电路,全桥电路中，互为对角的两个开关,同时,导通，同一侧半桥上下两开关,交替,导通，使变压器一次侧形成幅值为,U,i,的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。,当,S,1,与,S,4,开通后，,VD,1,和,VD,4,处于通态，电感,L,的电流逐渐上升；,S,2,与,S,3,开通后，二极管,VD,2,和,VD,3,处于通态，电感,L,的电流也上升。,当,4,个开关都关断时，,4,个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感,L,的电流逐渐下降。,S,1,和,S,2,断态时承受的峰值电压均为,U,i,。,全桥变换电路,全桥电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,on,T,t,t,t,t,t,t,t,t,2,U,i,2,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,全桥电路的理想化波形,2-432.3 直流变换电路全桥电路中，互为对角的两个开关同,2-,44,2.3,直流变换电路,如果,S,1,、,S,4,与,S,2,、,S,3,的导通时间不对称，则交流电压,u,T,中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,输出电压：,滤波电感电流连续时：,输出电感电流断续时，输出电压,U,o,将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：,图,8-23,全桥电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,on,T,t,t,t,t,t,t,t,t,2,U,i,2,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,图,8-24,全桥电路的理想化波形,2-442.3 直流变换电路如果S1、S4与S2、S3的导通,2-,45,2.3,直流变换电路,推挽电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,on,T,t,t,t,t,t,t,t,t,2,U,i,2,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,推挽电路的理想化波形,推挽电路中两个开关,S,1,和,S,2,交替导通，在绕组,N,1,和,N,1,两端分别形成相位相反的交流电压。,S,1,导通时，二极管,VD,1,处于通态，电感,L,的电流逐渐上升。,S,2,导通时，二极管,VD,2,处于通态，电感,L,电流也逐渐上升。,当两个开关都关断时，,VD,1,和,VD,2,都处于通态，各分担一半的电流。,S,1,和,S,2,断态时承受的峰值电压均为,2,倍,U,i,。,推挽变换电路,工作过程,2-452.3 直流变换电路 推挽电路原理图 S1S2,2-,46,2.3,直流变换电路,推挽电路原理图,S,1,S,2,u,S,1,u,S,2,i,S,1,i,S,2,i,D,1,i,S,2,t,on,T,t,t,t,t,t,t,t,t,2,U,i,2,U,i,i,L,i,L,O,O,O,O,O,O,O,O,推挽电路的理想化波形,输出电压,S,1,和,S,2,同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。,滤波电感,L,电流连续时：,输出电感电流不连续时，输出电压,U,o,将高于上述公式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,2-462.3 直流变换电路 推挽电路原理图 S,2-,47,2.3,直流变换电路,Cuk,电路的能量耦合电容是实现输入向输出负载输送能量的关键,插入隔离变压器的,Cuk,变换电路,2-472.3 直流变换电路Cuk电路的能量耦合电容是实现输,2-,48,2.3,直流变换电路,电路,优点,缺点,功率范围,应用领域,正激,电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单,变压器单向激磁，利用率低,几百,W,几,kW,各种中、小功率电源,反激,电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单,难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低,几,W,几十,W,小功率电子设备,计算机设备,消费电子设备电源,全桥,变压器双向励磁，容易达到大功率,结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路,几百,W,几百,kW,大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等,半桥,变压器双向,励,磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低,有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路,几百,W,几,kW,各种工业用电源，计算机电源等,推挽,变压器双向励磁，变压器一次侧电流,回路,中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单,有偏磁问题,几百,W,几,kW,低输入电压的电源,带隔离变压器的各种不同电路的比较,2-482.3 直流变换电路变压器双向励磁，容易达到大功率,2-,49,2.3,直流变换电路,输出级整流,采用高频变压器隔离后的直流变换电路，变压器副边的输出级需要再次整流，常用电路有：半波整流、全波整流、全桥整流、同步整流等,应用场合,单端变换电路一般采用半波整流，如：正激式变换器、反激式变换器；,双端变换电路常采用全波整流或全桥整流,同步整流电路主要应用于超低输出电压场合,2-492.3 直流变换电路输出级整流应用场合,2-,50,2.3,直流变换电路,输出整流器件,要求：高频，管压降小,器件：肖特基二极管，快速恢复二极管、,MOSFET,管,半波整流,正激变换电路,反激变换电路,2-502.3 直流变换电路输出整流器件 正激变换电路 反激,2-,51,全波整流电路和全桥整流电路原理图,2.3,直流变换电路,全波整流,优点：电感,L,的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要,2,个二极管，元件数较少。,缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。,适用场合：输出电压较低的情况下（,100V,）。,2-51 全波整流电路和全桥整流电路原理图2.3 直流变换,2-,52,2.3,直流变换电路,a,）全波整流电路,b,）全桥整流电路,全桥整流,优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。,缺点：电感,L,的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要,4,个二极管，元件数较多。,适用场合：高压输出的情况下。,全波整流电路和全桥整流电路原理图,2-522.3 直流变换电路a）全波整流电路b）全桥整流电路,2-,53,2.3,直流变换电路,同步整流,采用,MOSFET,器件，相应地，也需要驱动电路，电路复杂,;,优点：当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压,MOSFET,具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。,同步整流电路,2-532.3 直流变换电路同步整流 同步整流电路,2-,54,2.4,逆变电路,DCAC,逆变电路分有源逆变、无源逆变两种方式,有源逆变电路,有源逆变电路,交流侧和电网连结。,应用场所：,直流电机可逆调速系统、交流线绕电机的串级调速、高压直流输电,主要源逆变电路：,三相全桥可控变流电路、双桥,12,脉变流电路,逆变和整流的区别,：控制角,不同,0,/2,时，电路工作在,整流,状态。,/2,时，电路工作在,逆变,状态。,定义,=,-,，,称为,逆变角,。,2-542.4 逆变电路 DCAC 逆变电路分有源逆,2-,55,2.4,逆变电路,逆变失败,（逆变颠覆）,逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路,短路,，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成,顺向串联,，形成很大,短路电流,。,触发电路：不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相,晶闸管：晶闸管故障，该断时不断，或该通时不通。,交流电源：缺相或突然消失,换相的裕量角不足：引起换相失败。,逆变失败的原因,2-552.4 逆变电路逆变失败（逆变颠覆） 逆,2-,56,2.4,逆变电路,无源逆变电路,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。,应用场所：,变频调速系统、逆变器、,UPS,等,分类：,电压型逆变、电流型逆变,电压型需反并联二极管；电流型需正向串联二极管,电流型三相桥式逆变电路,电压型单相桥式逆变电路,2-562.4 逆变电路无源逆变电路 电流型三相桥式逆变电路,2-,57,2.4,逆变电路,单相逆变电路,u,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,a),t,t,O,O,ON,b),o,U,m,-,U,m,i,o,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,V,1,V,2,V,1,V,2,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,半桥逆变电路,工作原理,V,1,和,V,2,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,u,o,为矩形波，幅值为,U,m,=,U,d,/2,。,V,1,或,V,2,通时，,i,o,和,u,o,同方向，直流侧向负载提供能量；,VD,1,或,VD,2,通时，,i,o,和,u,o,反向，电感中贮能向直流侧反馈。,VD,1,、,VD,2,称为,反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称,续流二极管,。,2-572.4 逆变电路单相逆变电路u单相半桥电压型逆变电路,2-,58,2.4,逆变电路,全桥逆变电路,全桥逆变电路的同步控制,开关管,V1,和,V4,、,V2,和,V3,成对同步控制导通或关断,V1,和,V4,导通时，输出电压为正；,V2,和,V3,导通时，输出电压为负。两者在一周期内各半周交替切换，则输出电压,u,o,为矩形波，幅值为,U,m=,U,d,。,单相全桥电压型逆变电路,输出电压波形同半桥相同，但电压幅值增大一倍。,改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压,U,d,来实现。,2-582.4 逆变电路全桥逆变电路全桥逆变电路的同步控制单,2-,59,2.4,逆变电路,全桥逆变电路的移相控制,同一桥臂上下两管互补导通，而桥臂之间彼此错开一定的角度。,在,V1,和,V4,同时导通时有正输出电压、,V2,和,V3,同时导通时有负输出电压。其余状态输出电压为零，输出电压,u,o,为脉宽波，幅值为,U,m=,U,d,。,设桥臂之间错开的角度为,(,0,180,),，则输出电压的脉宽为,。,改变,就可调节输出电压，称为,移相调压,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,?,b),u,G1,u,G2,u,G3,u,G4,u,o,i,o,t,1,t,2,t,3,i,o,u,o,单相全桥电压型逆变电路移相控制的工作波形,2-592.4 逆变电路全桥逆变电路的移相控制在V1和V4同,2-,60,2.4,逆变电路,推挽逆变电路,带中心抽头变压器的逆变电路,与全桥电路的比较：,比全桥电路少用一半开关器件。,器件承受的电压为,2,U,d,，比全桥电路高 一倍。,必须有一个变压器 。,交替驱动,V1,、,V2,两个开关管,，,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馈通道。,U,d,和负载参数相同，变压器匝比为,1,：,1,：时，,u,o,和,i,o,波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。,2-602.4 逆变电路推挽逆变电路 带中心抽头变压器的逆变,2-,61,2.4,逆变电路,逆变电路的输出电压及谐波分析,单相半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变等，其输出得到一个正负交变的矩形波；,输出频率等于开关管切换频率，幅值为输入直流电压；,设直流输入电压为,E,，由傅立叶级数分析可得：,问题：,谐波含量大，且均为低次谐波，滤波困难；,输出电压的基波大小不可调；,解决方案：,PWM,调制：通过高频,PWM,调制，使输出的谐波频谱转移到高频区域分布，便于滤波，同时高频,PWM,调制减少谐波分量,波形重构：多个电路模块叠加近似正弦的阶梯波,2-612.4 逆变电路逆变电路的输出电压及谐波分析问题：,2-,62,2.4,逆变电路,三相逆变电路,三个独立的单相逆变电路组成三相逆变电路,图中,H,表示单相,H,桥逆变器,共用一个直流电源时，则输出侧需要变压器实现电气隔离；,如果不用变压器输出，则必须采用三个独立的直流电源,2-622.4 逆变电路三相逆变电路图中H表示单相H桥逆变器,2-,63,2.4,逆变电路,三相三桥臂逆变电路,经典应用场合：电机的变频调速系统,6,个开关管组成三相三桥臂逆变电路,适用于三相负载对称的场合。,电压型逆变电路一般采用,180,导电方式,电流型逆变电路一般采用,120,导电方式,2-632.4 逆变电路三相三桥臂逆变电路6个开关管组成三相,2-,64,2.4,逆变电路,电压型逆变的,180,导电方式,电压型三相桥式逆变电路的工作波形,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,a),b),c),d),e),f),g),h),u,UN,u,UN,u,UV,i,U,i,d,u,VN,u,WN,u,NN,U,d,U,d,2,U,d,3,U,d,6,2,U,d,3,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,。,防止同一桥臂上下两管的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。,(,死区时间,),2-642.4 逆变电路电压型逆变的180导电方式电压型三,2-,65,2.4,逆变电路,i,t,O,t,O,t,O,t,O,I,d,i,V,i,W,u,UV,U,电流型三相桥式逆变电路的输出波形,电流型三相桥式逆变电路,波形分析,输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各,120,的矩形波。,输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。,输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波。,电流型逆变的,120,导电方式,每个开关管一周期内导电,120,，上下两组各有一个开关管导通，换流方式为,横向换流,。,2-652.4 逆变电路itOtOtOtOIdiViWuUV,2-,66,2.4,逆变电路,三相四桥臂逆变电路,对三相负载不对称场合也适用,在三相三桥臂逆变电路的基础上，增加中心线桥臂,可以带三相不对称负载。,相线桥臂和中心线桥臂可分开控制，即相线桥臂按三相三桥臂方式控制，中心线桥臂单独控制,也可以统一模型控制,S1,S2,S3,S4,S5,S6,U,V,W,N,N,2-662.4 逆变电路三相四桥臂逆变电路在三相三桥臂逆变电,2-,67,2.4,逆变电路,三相四桥臂逆变电路,对三相负载不对称场合也适用,在三相三桥臂逆变电路的基础上，增加中心线桥臂,可以带三相不对称负载。,相线桥臂和中心线桥臂可分开控制，即相线桥臂按三相三桥臂方式控制，中心线桥臂单独控制,也可以统一模型控制,S1,S2,S3,S4,S5,S6,U,V,W,N,N,2-672.4 逆变电路三相四桥臂逆变电路在三相三桥臂逆变电,2-,68,2.4,逆变电路,两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器,T,1,和,T,2,串联起来。,输出波形：两个单相的输出,u,1,和,u,2,是,180,矩形波。,二重逆变电路的工作波形,120,60,180,t,O,t,O,t,O,三次谐波,三次谐波,u,1,u,2,u,o,二重单相逆变电路,逆变电路的波形重构技术,几个相同结构的逆变电路相移动后迭加，使输出更接近正弦波 。,2-682.4 逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变,2-,69,2.4,逆变电路,u,1,和,u,2,相位错开,j,=60,其中的,3,次谐波就错开了,360=180,。,变压器串联合成后，,3,次谐波互相抵消，总输出电压中不含,3,次谐波。,u,o,波形是,120,矩形波，含,6,k,1,次谐波，,3,k,次谐波都被抵消。,串联多重,把几个逆变电路的输出串联起来，多用于,电压型,。,并联多重,把几个逆变电路的输出并联起来，多用于,电流型,。,120,60,180,t,O,t,O,t,O,三次谐波,三次谐波,u,1,u,2,u,o,二重逆变电路的工作波形,二重单相逆变电路,2-692.4 逆变电路u1和u2相位错开j =60,其中,2-,70,2.4,逆变电路,三相电压型二重逆变电路,的工作原理,三相电压型二重逆变电路,由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。,两个逆变电路均