DC-AC逆变电路及原理总结.ppt

,补充DC-AC逆变电路,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,引言,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。主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,换流方式,逆变电路的基本工作原理换流方式分类,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,逆变电路的基本工作原理,图5-1逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,逆变电路的基本工作原理,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。,逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,图5-1逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,换流方式分类,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。,开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,电压型逆变电路,1）逆变电路的分类根据直流侧电源性质的不同,单相电压型逆变电路,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工作波形,工作原理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馈。VD1、VD2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。,单相电压型逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。,参数计算与器件选择,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+jLZ=(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,参数计算与器件选择,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)1/2i=154205A,5-12,单相电压型逆变电路,2)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形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式,单相电压型逆变电路,2）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，直流侧电压基本无脉动。(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馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。(4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。,参数计算与器件选择,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+jLZ=(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,参数计算与器件选择,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=11001650V电流：I=(1.52)(2)1/2i=77102A,5-16,单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q（0q180）。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。改变q就可调节输出电压。,单相电压型逆变电路,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和负载参数相同，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相同。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2Ud，比全桥电路高一倍。必须有一个变压器。,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馈通道。,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。,电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,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应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。,单相电流型逆变电路,1)电路原理,由四个桥臂构成，每个桥臂由IGBT组成。,工作方式为负载换相。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。负载电压波形基本上是正弦波。,单相电流型逆变电路,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管组成工作方式为负载换相。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。,单相电流型逆变电路,图513并联谐振式逆变电路工作波形,2)工作分析,一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1t2：V1和V4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2t3：t2时V2和V3开通，进入换流阶段。LT使V1、V4不能立刻关断，电流有一个减小过程。V2、V3电流有一个增大过程。4个IGBT全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。,单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4t2=tg称为换流时间。,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图513并联谐振式逆变电路工作波形,总结,电压型逆变电路输入端并接大电容，提供恒压源，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电流大小由负载决定，波形由负载性质决定。电阻型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RLC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弦波。电流型逆变电路输入端串联大电感，提供恒流源，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定，电压波形由负载性质决定。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。,缓冲电路,缓冲原理器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用，就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。,5-25,IGBT逆变器的开关损耗波形,5-26,(a)开通损耗波形(b)关断损耗波形,图中tdon开通延迟时间tr开通上升时间trr二极管的反向恢复时间tdoff关断延迟时间ttail尾部电流itail下降时间tf关断下降时间(di/dt)on开通电流上升率IRRM二极管反向恢复电流,IGBT逆变器的开关损耗,5-27,每个脉冲IGBT的开通损耗近似为(mJ)：,每个脉冲IGBT的关断损耗近似为：,每个脉冲二极管的关断损耗近似为：,IGBT的总开关损耗可近似表示为：,式中fsw逆变器的载波频率,缓冲电路的几种类型,5-28,（d）,(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,缓冲电路的类型,C缓冲电路：采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，用作对瞬变电压有效而低成本的控制，接在C1和E2之间（两单元模块）或P和N之间（六单元模块），缺点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，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT的功能受到一定限制。,5-29,缓冲电路的类型,RCD缓冲电路：与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，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。,5-30,RCD型截止缓冲电路,适用于较大功率IGBT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可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3。,缓冲电路的类型,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，适合于高频开关，在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为：,5-31,缓冲电路波形,IGBT采用缓冲电路后典型关断电压波形如图所示。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/dt（1）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0.02Ic（A/ns）。,5-32,采用缓冲电路后IGBT关断电压波形,缓冲电路波形,5-33,如果V1已被设定，则可由式（1）确定缓冲电路允许的最大电感量。例如，设某IGBT电路工作电流峰值为400A，V1100V，则在最恶劣情况下，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=CV22/2（2）式中：LP为母线寄生电感；I为工作电流，C为缓冲电容的值；V2为缓冲电压的峰值。,缓冲电路波形,从式（1）和式（2）不难看出，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，从而降低成本。,5-34,实际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,正负极重叠在一起,中间用绝缘板隔开,以获得最小母线寄生电感因为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因为C值反比于V2的平方,所以若允许V2与IGBT的VCE之间有一定的裕度则可使缓冲电容值明显减小。,缓冲电路的总结,在电路设计中应根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，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，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，它的引线应尽可能短，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，以避免产生开通过电压和反向恢复引起的较大振荡电压。,5-35,缓冲电路的作用,RC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行钳位，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，如果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，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。RC缓冲电路并联在IGBT两端。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Ldi/dt，当没有缓冲电路时，由于diL/dt很大，使IGBT的C、E极之间形成很高的过电压。当过电压大于IGBT所能承受的极限电压时，会损坏器件。所以，为了使IGBT可靠工作,必须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,避免因过电压损坏IGBT。,5-36,缓冲电路的作用,(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。使用缓冲电路可以改变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,从而避免IC和VCE同时达到最大值的不利情况。所以，缓冲电路可以减小IGBT的关断损耗。,缓冲电路的作用,(3)限制电压上升率过大的电压上升率duCE/dt会在IGBT的PN结中形成很大的位移电流,它可能误使IGBT内部寄生晶闸管开通,导致栅极失去控制作用,这就是所谓的动态擎住现象。IGBT两端并联的RC缓冲电路能够限制duCE/dt的大小,有效地解决IGBT的动态擎住问题。(4)消除电磁干扰在设备调试运行过程中,当无缓冲电路时，IGBT管两端的电压会产生高频振荡,造成电磁干扰。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,缓冲电路的参数计算,缓冲电路中,缓冲电阻R越小,电容C越大,则缓冲电路的作用越明显。但同时要考虑功率损耗等因素。IGBT关断后,缓冲电容C上贮存电能,当下次IGBT开通后,这部分能量以热能形式消耗在R上。,5-39,电阻R的功耗为:,IGBT开通后，电容C必须在再次关断前放电完毕，以确保电容电压的初始状态始终为零。为此，RC放电时间常数必须受到限制。一般假设超过3倍时间常数可以放完电,则:,3RCRCTon,式中Ton=DTsDIGBT导通占空比Ts开关周期,1缓冲RC的参数计算,为了减少功率损耗,一般要求PR120W,缓冲电路的参数计算,计算电阻值时,还必须限制放电电流,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，偏磁是一个必须认真解决的问题,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)fRLR与C组成的串联谐振电路的谐振频率(单位:kHz)为了使耦合电容线性,一般选fR=0.1f。,缓冲电路的参数计算,此外,电容充电电压不宜过大,一般以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。,缓冲电路的参数计算,例：设计要求为频率25kHz,额定功率20kW，效率85%。全桥式逆变器由功率开关管IGBT1IGBT4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，是为了避免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,缓冲电路的参数计算,电源输入电压为380VAC，则Vce=537.4V,5-43,又因为PR120W，因此，缓冲电容为:,实际选用C=0.01F,缓冲电路的参数计算,5-44,计算缓冲电阻：,IC=75A，所以：,I=P/VCE=20000/537.4=37A，IC取2倍的I，则,实际选取R=30,实际电阻功率为：,=0.50.0110-6537.4225103=36W,RC取值为：C=0.01F/1200V，R=30/50W,无源无损缓冲器,为了确保功率开关管安全可靠地工作，则功率开关管必须工作在安全区。但在硬开关条件下，功率开关管在开通和关断过程中可能承受过压、过流，过大的di/dt和dv/dt的冲击，使开关管发热，如不采取保护措施，可能使功率开关管超出安全工作区而损坏。为此，在功率电路中，通常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，确保开关管工作在安全工作区。,5-45,无源无损缓冲电路,缓冲电路的形式很多，可根据不同的场合合理选用。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结构、控制方法上都比较复杂，成本价格也比较高。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，然后消耗在电阻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，并且在大功率场合，需要大功率的电阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环境。为此，为了简化电路，提高变换效率，有必要研究无源无损缓冲吸收电路。,5-46,无源无损缓冲电路,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,无源无损缓冲电路,CD2型无源无损缓冲电路,5-48,CD2型无源无损缓冲电路可以应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的缓冲吸收电路则由电容C2和二极管VD21，VD22组成。,CLD2型缓冲电路,无源无损缓冲电路,5-49,(a)导通模式,1）导通模式S1导通，S2截止，如图（a）所示。此时S1导通，有电流通过，C1两端电压上正下负，被箝位为电源电压E，故VD12两端电压等于0，而VD11反向截止，其上电压为E，在此模式下电容C1中无电流通过。,无源无损缓冲电路,5-50,(b)充电模式,2）充电模式S1关断，S2截止，如图（b）所示。此时电路中的等效电感L中的电流通过C1，VD11续流，给C1充电，直到充电电流为0。同时C1的电压逐步增加，其峰值取决于S1关断时电流值和电路中等效电感L值，此时，VD12两端电压反偏，其值等于VC1-E，VD11导通。,无源无损缓冲电路,5-51,(c)放电模式,3）放电模式S1截止，S2截止，如图2（c）所示。此时C1两端电压高于电源电压，VD12正偏导通，电容C1迅速通过VD12放电到直流电源，直到电容电压等于电源电压E时，VD12截止。然后等待下一工作周期的到来。,在该电路中，二极管应选用快恢复二极管，而电容容量可根据电路中所需要缓冲的能量来选取。电容首先吸收功率电路中需要缓冲的能量，然后再向电源释放能量，由此将缓冲的能量反馈回电源，从而提高了电路的转换效率。,无源无损缓冲电路,CLD2无源无损缓冲电路,5-52,CD2无源无损缓冲电路在半桥电路中的应用。但是，当电路中需要缓冲吸收的能量较大时则电容电压增量很大，由于二极管VD12的导通电阻值很小，则电容就以一个很大的冲击电流放电，这对电路各器件有损害，降低了电路的可靠性，为此，需要在VD12放电支路中串联一个限流电感L1，在VD22放电支路中串联一个限流电感L2，如图所示。,CLD2型无源无损缓冲电路应用于DC/AC半桥变换器,CLD2型缓冲电路,无源无损缓冲电路,CLD2型无源无损缓冲电路的工作模式，也有3个：其一为导通模式，其二为电容续流充电模式，其三为电容与电感谐振放电模式。前两个工作模式与CD2型缓冲电路相同；,5-53,(a)导通模式,无源无损缓冲电路,5-54,b)充电模式,无源无损缓冲电路,5-55,模式3等效电路如图所示，电容通过EVD12L1谐振放电，放电电流波形如右图所示，谐振放电模式可使二极管VD12实现软开关，能有效限制放电电流冲击。,谐振放电电流波形,(c)谐振放电模式,电容选取原则同前，电感的选取原则是要满足电容、电感谐振半周期时间小于开关管截止期时间即可，此外并无严格要求。但是电感值越大，则放电电流峰值越小。,无源无损缓冲电路,5-56,无源无损缓冲电路,5-57,