電力電子學陳堅第七章ppt課件

1、電力電子學電力電子學電力電子變換和控制技術電力電子變換和控制技術（第三版）（第三版）陳陳 堅堅 編著編著華中科技大學華中科技大學第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源 電力電子變換器中，周期性地改變開關的通、斷狀態(tài)，可實現DC/DC、DC

2、/AC、AC/DC、AC/AC電力變換和控制。 電力電子變換器中除開關電路外，還必須有一些輔助元器件和系統(tǒng)，如觸發(fā)驅動器、過流過壓保護系統(tǒng)、緩沖器、電感、電容、變壓器、濾波器、散熱系統(tǒng)、輔助電源、控制系統(tǒng)等。 本章介紹這些輔助元器件和系統(tǒng) 7.0 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)電力電子變換器系統(tǒng)框圖示例電力電子變換器系統(tǒng)框圖示例第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖

3、變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源 晶閘管SCR的觸發(fā)驅動器 GTO的觸發(fā)驅動器 BJT的驅動器 P-MOSFET、IGBT的驅動器7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器觸發(fā)控制器從控制系統(tǒng)接收控制信號，經過處理后輸出觸發(fā)控制器從控制系統(tǒng)接收控制信號，經過處理后輸出觸發(fā)驅動電壓觸發(fā)驅動電壓(電流電流)，開通或關斷元器件，不同的開關，開通或關斷元器件，不同的開關器件，不同的應用情況，要求不同的觸發(fā)驅動器，已有器件，不同的應用情況，要求不同的觸發(fā)驅動器，已有各類開關元器件的觸發(fā)驅動器可供選用。各類開關元器件

4、的觸發(fā)驅動器可供選用。 晶閘管SCR的觸發(fā)驅動器 GTO的觸發(fā)驅動器 BJT的驅動器 P-MOSFET、IGBT的驅動器有隔離變壓器的SCR觸發(fā)驅動器nSCR只要求有脈沖電流觸發(fā)其開通，脈沖電流Ig上升沿要陡，強觸發(fā)數值要足夠大脈沖足以使SCR立即開通） 有隔離變壓器的有隔離變壓器的SCR驅動器驅動器 SCR只要求有脈沖只要求有脈沖電流觸發(fā)其開通，脈沖電流觸發(fā)其開通，脈沖電流電流Ig上升沿要陡，強上升沿要陡，強觸發(fā)數值要足夠大脈觸發(fā)數值要足夠大脈沖足以使沖足以使SCR立即開通）立即開通）晶閘管晶閘管SCR觸發(fā)驅動器觸發(fā)驅動器晶閘管晶閘管SCR觸發(fā)驅動器觸發(fā)驅動器 由發(fā)光二極管由發(fā)光二極管LED

5、和光控晶閘管和光控晶閘管LAT組成組成 光電耦合隔離較變壓器隔離電磁光電耦合隔離較變壓器隔離電磁干擾小，但光控晶閘管干擾小，但光控晶閘管LAT必須能必須能承受電路的高壓承受電路的高壓 快速光耦響應時間可小于快速光耦響應時間可小于1.5s 高壓電力系統(tǒng)、直流輸電等用的高壓電力系統(tǒng)、直流輸電等用的SCR觸發(fā)器大都采用光纖電纜傳送觸發(fā)器大都采用光纖電纜傳送驅動信號驅動信號 晶閘管SCR的觸發(fā)驅動器 GTO的觸發(fā)驅動器 BJT的驅動器 P-MOSFET、IGBT的驅動器GTO的觸發(fā)驅動器的觸發(fā)驅動器 GTO要求有正值門極脈沖電流要求有正值門極脈沖電流+Ig觸發(fā)其開通，負值脈沖電流觸發(fā)其開通，負值脈沖電

6、流-Ig使其關斷使其關斷 MOS管管M1、M2接收從控制系統(tǒng)輸入的高頻互補式方波電壓后，向接收從控制系統(tǒng)輸入的高頻互補式方波電壓后，向GTO輸輸出出+ Ig觸發(fā)其開通，并使觸發(fā)其開通，并使C充電。充電。 要關斷已處于通態(tài)的要關斷已處于通態(tài)的GTOM1、M2已無輸入信號時，需觸發(fā)開通已無輸入信號時，需觸發(fā)開通SCR，C放電形成放電形成-Ig ，關斷，關斷GTO 晶閘管SCR的觸發(fā)驅動器 GTO的觸發(fā)驅動器 BJT的驅動器 P-MOSFET、IGBT的驅動器iBtiB基基本本驅驅動動電電流流波波形形i ib bf fm mi ib br rm mOFFBJT理想驅動條件及理想波形理想驅動條件及理想

7、波形BJT的驅動器的驅動器 基極驅動電流的波形：晶體管開通的瞬間，驅動電基極驅動電流的波形：晶體管開通的瞬間，驅動電流應有足夠陡的前沿和比穩(wěn)態(tài)驅動電流大得多的前沿流應有足夠陡的前沿和比穩(wěn)態(tài)驅動電流大得多的前沿峰值電流，以保證晶體管迅速進入飽和狀態(tài)；峰值電流，以保證晶體管迅速進入飽和狀態(tài)； 基極電流的穩(wěn)態(tài)值：應使晶體管處于飽和或臨界飽基極電流的穩(wěn)態(tài)值：應使晶體管處于飽和或臨界飽和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗；和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗； 驅動電流后沿加一個較大的負電流：以保證迅速地將晶體管驅動電流后沿加一個較大的負電流：以保證迅速地將晶體管b-e之間的結間之間的結間存儲電荷抽出，加快關斷過程，降低開關損耗，

8、并有利于提高開關頻率。存儲電荷抽出，加快關斷過程，降低開關損耗，并有利于提高開關頻率。 基極驅動電路必須隔離，響應快，波形不失真。有過流或晶體管進入放大基極驅動電路必須隔離，響應快，波形不失真。有過流或晶體管進入放大區(qū)工作的保護功能。區(qū)工作的保護功能。BJT的驅動器及驅動波形的驅動器及驅動波形TR1TR2TR3R(-)iB+-TR1TR2TR3加加速速電電容容CR(-)(+)iB+-雙雙管管射射極極輸輸出出驅驅動動器器P BJT要求有正值基極電流要求有正值基極電流+IB強觸發(fā)強觸發(fā)開通，并要求有持續(xù)的較小的驅動電流，開通，并要求有持續(xù)的較小的驅動電流，保持其通態(tài)。最好有保持其通態(tài)。最好有-IB

9、使其關斷時間使其關斷時間縮短，有較小的負基極電流維持其可靠縮短，有較小的負基極電流維持其可靠的斷態(tài)的斷態(tài) 與與R并聯(lián)的并聯(lián)的C提供了強觸發(fā)提供了強觸發(fā)+IG 輸入端輸入端P為低電平時，為低電平時，TR1通，通，TR2通，有通，有+iG驅動驅動BJT 輸入端為高電平時，輸入端為高電平時，TR1斷，斷，TR3通，通，C經經TR3放電，形成放電，形成BJT關斷所需的關斷所需的-iBOFFiBtONiB基基本本驅驅動動電電流流波波形形 P點有輸入信號時，反相器輸出點有輸入信號時，反相器輸出VB=0，光耦驅動器，光耦驅動器TL1導通導通使使A點為高電位，經點為高電位，經R1使使T1導通，為導通，為BJT

10、提供提供+IB 當當P點無輸入信號時，點無輸入信號時，VP=0，光耦驅動，光耦驅動LT2導通，使導通，使A點為低點為低電位，電位，T2導通，導通，C經經T2、R2放電，為放電，為BJT提供關斷電流提供關斷電流-IB有光耦隔離的有光耦隔離的BJT的驅動器的驅動器P1TR1TR2P2*BJT(+)(-) 有隔離變壓器的有隔離變壓器的BJT驅動器驅動器BJT的其他驅動電路的其他驅動電路 晶閘管SCR的觸發(fā)驅動器 GTO的觸發(fā)驅動器 BJT的驅動器 P-MOSFET、IGBT的驅動器基于大脈沖電流基于大脈沖電流TTL驅動器驅動器 一般選取正一般選取正UGE=1215V，關斷過程中，為盡快使柵極輸關斷過

11、程中，為盡快使柵極輸入電容放完電，并將入電容放完電，并將P-MOSFET或或IGBT置于反偏的最大安全工置于反偏的最大安全工作區(qū)，應施加一負偏壓作區(qū)，應施加一負偏壓UGE，但，但它受它受IGBT的的GE間最大反向耐壓間最大反向耐壓限 制 ， 一 般 取限 制 ， 一 般 取 - 2 - 1 0 V有脈沖變壓器的驅動器有脈沖變壓器的驅動器 P-MOSFET、IGBT等都是電等都是電壓型驅動器件，要求有持續(xù)的電壓型驅動器件，要求有持續(xù)的電平平+VG使其開通并保持其通態(tài)；使其開通并保持其通態(tài)； 關斷時最好加持續(xù)的負電平關斷時最好加持續(xù)的負電平-VG，并維持其可靠的斷態(tài)，并維持其可靠的斷態(tài) P有正信號

12、輸入時，有正信號輸入時，AM截止，截止，開通開通P-MOSFET；P = 0時，時， AM開通，開通，C放電，放電，P-MOSFET截止截止有光耦隔離的驅動器有光耦隔離的驅動器 P有正信號輸入時，放大器有正信號輸入時，放大器輸出輸出A點正電位使點正電位使T1導通，導通，P-MOSFET開通，并保持通開通，并保持通態(tài)態(tài) P無信號輸入時，無信號輸入時，A點為負點為負電位，電位，T2導通，穩(wěn)壓管導通，穩(wěn)壓管DZ兩兩端電壓抽出端電壓抽出C電荷，并在電荷，并在P-MOSFET管上柵管上柵-源極加負壓，源極加負壓，使其關斷并保持斷態(tài)使其關斷并保持斷態(tài)第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸

13、發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源n過電流保護n過電壓保護n開關器件串聯(lián)、并聯(lián)應用時的均壓、均流保護7.2 過電流保護和過電壓保護n過電流保護n過電壓保護n開關器件串聯(lián)、并聯(lián)應用時的均壓、均流保護7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護過電流保護l 可同時采用多種過流(過載、短路)維護，各

14、盡所能協(xié)調配合，實現可靠地選擇性保護。l 電子保護：動作閾值高，延時小，封鎖脈沖，停機l 快速熔斷器：既可作短路保護又可作過載保護l SCR被觸發(fā)導通，燒斷熔斷器，切斷電路l 開關管設死區(qū)延時開通，防止直通n過電流保護n過電壓保護n開關器件串聯(lián)、并聯(lián)應用時的均壓、均流保護7.2 過電流保護和過電壓保護過電壓保護過電壓保護 避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓 設置Co，抑制操作開關S通、斷時過電壓 線路上并接RC過電壓緩沖器 線路上并接壓敏電阻RV 用緩沖器抑制開關管通、斷時的過電壓n過電流保護n過電壓保護n開關器件串聯(lián)、并聯(lián)應用時的均壓、均流保護7.2 過電流保護和過電壓保護開關管串并聯(lián)均壓均

15、流保護開關管串并聯(lián)均壓均流保護l 開關管并聯(lián)使用時要均流串Ll P-MOS管通態(tài)電阻rT溫度系數為正(溫度高，rT大)開關管并聯(lián)自動均流。BJT的rT溫度系數為負，不宜并聯(lián)使用。IGBT大電流時，rT溫度系數為正。 開關管串聯(lián)使用時要均壓開關管串聯(lián)使用時要均壓并并RC 取取R11=R12遠小于遠小于rT1、rT2穩(wěn)壓穩(wěn)壓均壓均壓 取取R13=R14，C13=C14動態(tài)均壓動態(tài)均壓第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4

16、緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源n線路電感L=0時開關器件的開通、關斷過程n線路電感L0時開關器件的開通、關斷過程n安全工作區(qū)7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程開關器件的開通、關斷過程可以近似認為在一個開關周期Ts=Ton+Toff期間io=Io不變，開通關斷過程中iT線性變化 斷態(tài)： +VG=0，rT= ，iT=0，D續(xù)流Io，VT=VD，A點 通態(tài)： 有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C點開關

17、器件的開通、關斷過程開關器件的開通、關斷過程開通：斷態(tài)通態(tài)，rT從 0，iT從0線性上升至Io，VT從VD I0關斷：通態(tài)斷態(tài)，rT從0 ，iT從Io線性下降至0，VT從0 VDq 開通過程中工作點如何從開通過程中工作點如何從A過渡到過渡到C？q VT按什么規(guī)律降至按什么規(guī)律降至0？q 關斷過程中工作點從關斷過程中工作點從C如何過渡到如何過渡到A？q VT按什么規(guī)律上升至按什么規(guī)律上升至VD？取決于電？取決于電q 路中的電感路中的電感L及開關管的并聯(lián)電容及開關管的并聯(lián)電容C開關器件的安全工作區(qū)開關器件的安全工作區(qū) 無串聯(lián)電感時： 開通過程：ABC(高壓下電流上升AB， 負載電流下電壓下降BC）

18、 關斷過程：CBA (負載電流下電壓上升 對應CB，高壓下電流下降 對應BA） 有串聯(lián)電感時： 開通過程AQEC，比ABC好 關斷過程CBHPA，比CBA差n線路電感L=0時開關器件的開通、關斷過程n線路電感L0時開關器件的開通、關斷過程n安全工作區(qū)7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)線路電感線路電感L=0時開關器件開通關斷過程時開關器件開通關斷過程q 有有+VG后延時后延時td，rT從從0，有，有-VG，經存儲時間，經存儲時間trv，rT 從從0 q 開通：開通：rT，iT Io之前，之前，D仍導電，仍導電，VT=VDq 在在tri期間期間it Io，D仍導電，仍導電，VTVD，AB

19、。q 以后，在以后，在tfv期間，期間，iT=Io，D截止，截止，rT，VT 0，BCq 關斷：關斷：rT，在，在trv期間期間VT VD，D仍截止，仍截止，iT Io，CBq 以后，在以后，在tfi期間期間VT=VD，D導電，導電，rT，iT 0，BA線路電感線路電感L=0時開關器件開通關斷過程時開關器件開通關斷過程線路電感線路電感L=0時開關器件開通關斷過程時開關器件開通關斷過程 開通電流iT上升期： iT=Iot / tri (7-1) 關斷電流iT下降期： iT=Io(1-t /tfi ) (7-2) 若認為vT在開通關斷過程中也呈線性變化在則： fvriontttfirvoffttt

20、011()22ontonsTTDOrifvsDO onsPfv i dtV IttfV I tf（7-5）offtsoffODsfirvODTTsoffftIVfttIVdtivfP021)(21（7-6）n線路電感L=0時開關器件的開通、關斷過程n線路電感L0時開關器件的開通、關斷過程n安全工作區(qū)7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)線路電感線路電感L 0時開通過程時開通過程p 開通過程：開通過程：p 斷態(tài)時，斷態(tài)時，VT=VD，iT=0。工作點為。工作點為A，p有有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期間上期間上升時，升時，D仍在導電，仍在導電，VT=VD-LdiT/d

21、t=VD-LIo/tri =VQVD時，D導電iT線性減小，vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作點立即從BH，在iT從Io 0期間工作點從HP，一旦iT=0，工作點從PA(iT=0，VT=VD)n線路電感L=0時開關器件的開通、關斷過程n線路電感L0時開關器件的開通、關斷過程n安全工作區(qū)7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)安全工作區(qū)安全工作區(qū)L=0時，開通軌跡ABC，關斷軌跡CBAL 0時，開通軌跡AQEC，關斷軌跡CBHPAL改善了開通軌跡，惡化了關斷軌跡安全工作區(qū)： VTVCEP，KJ線左側 iTICM，NM線下方 Pt=VTiT，功率限制線左下側第七

22、章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源n全控型開關管LCRD型復合緩沖器n電力二極管、晶閘管的RC緩沖電路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器7.4 緩沖器n全控型開關管LCRD型復合緩沖器n電力二極管、晶閘管的RC緩沖電路nP-MO

23、SFET、IGBT的限幅箝位緩沖器7.4 緩沖器全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器 緩沖電路由Ls、Cs、Ds、Rs組成，T用于全控型開關管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。 串聯(lián)電感Ls用于開通緩沖vT，類似于線路電感L 0時的開通過程，開通軌跡為圖7.12(C)中的AQEC，開通時iT，使VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo /tri=VQVD全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器并聯(lián)電容Cs用于關斷緩沖vT關斷T時，rT，VT=rTiT，在VTVD時，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIo不變，iT=Io(1-t/tfi)下降，iC=Iot/tfi上

24、升，VC=VT充電上升。若在tfi期間，iT0，iCIo，使CTCTci dttvvtfif fi iD DS SS SD DDDt t 0 0f fi io o1 1V VV VV V臨臨 界界 關關 斷斷 緩緩 沖沖C C2 2I I( () )則則 C C t t ，V V2 2V V工工 作作 點點 從從 C CA A全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器()C CT To oS Sf fi iD DD D2 2I It tC C t t ，v v v vV V, ,工工作作點點從從C CA At tf fi i2 2V Vq 以后，以后，T已關斷，已關斷，iL繼續(xù)對繼續(xù)

25、對Cs充電到充電到iL=0，VC=VT=VCEP，解，解VD、LS、CS電路微分方程，得到：電路微分方程，得到：q 最后，最后，Vo=VCEP經經RS對電源放電，使對電源放電，使iC=iR0。VC=VT=VD，關斷軌跡為關斷軌跡為CAPA。22002/1/1ssssCRCL20SCEPDmmoDmSVVVVeVVaLIC，r rv vf fi i關關斷斷損損耗耗：無無關關斷斷緩緩沖沖時時：若若t t t t ，則則o of ff ff fi it tt t o of ff fs sT TT Ts sT TT TD D o o f fi i s s0 00 0 o of ff fo of ff

26、f1 1P Pf fi i v v d dt t f fi i v v d dt tV V I I t t f f1 12 2P P P P / /1 12 2o of ff ft to of ff fs sT TT TD DO Oo of ff fs s0 01 1P Pf fv v i i d dt tV V I I t tf f2 2圖7.13復 合 緩 沖器TiCMImaxCPoICEQOAPDVCEPVCEOVTVQV(c） 開 關 軌跡CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD(a） 電 路RLfLoVfCovofIi oI(b） 開 通 關 斷 過 程

27、 波 形圖開 通通 態(tài)關 斷斷 態(tài)開 通斷 態(tài)1t2t3t4t5t6t7tpt8t21t22t23tTrTvGvTioIDVQVdtritfvtfitTiGvTvstCEPVCtifoSLStILV/Tv24tDV全控型開關管全控型開關管LCRD復合緩沖器復合緩沖器例題例題7.1 Buck DC/DC變換器VD=200V，Io=10A， Vo=100V，fs=20KHz，Po=1kW。tri=tfr=tfi=trv=0.75s， Ls=3H，Cs取為臨界關斷電容，Rs=40，求開關損耗并畫出 開關軌跡。n全控型開關管LCRD型復合緩沖器n電力二極管、晶閘管的RC緩沖電路nP-MOSFET、IG

28、BT的限幅箝位緩沖器7.4 緩沖器電力二極管、晶閘管的電力二極管、晶閘管的RC緩沖器緩沖器 由上例，串聯(lián)電感Ls(開通緩沖)對減少開通損耗作用不大，同時Ls使關斷時VT增大到VCEP(超過VD 50)，為了簡化緩沖電路，常不引入串聯(lián)電感Ls，這時圖7.12(a)變?yōu)?.13(a) 圖7.13(a)所示R、C、D緩沖電路常用于保護晶閘管 圖7.13(a)再取消DS，僅有RS、CS的緩沖電路常用于保護電力二極管n全控型開關管LCRD型復合緩沖器n電力二極管、晶閘管的RC緩沖電路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器7.4 緩沖器P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器 關斷

29、過程： rt，在vT從0 VD期間D0、D仍反偏截止， iL=iT=Io，工作點從CB vT略大于VD后，D0導電，iT 0的tfi期間，iC使C充電，VC=VT，D導電l 通態(tài)時，iL=iT=Io，D0、D截止，C充電到VC=VDTi0(1 cos)BMLTMCMDoDo f if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器 CB BM MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T關斷，iL繼續(xù)對C充電, iL=0時vC=vT=VTP=VCP PA，VC=VT經L、電源、R放電至VD ，關斷軌跡為：CBMPA7.14( ):

30、0,2(1 cos)LOTPCPDo fifiLIdiVVVtt由圖時P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器 斷態(tài)時，iT=0，VT=VC=VD，D0續(xù)流 開通過程：AF，rT，iT=iL Io的tri期間，D0仍導電，VT，C經T、R放電，D截止，iT=Io時，工作點從AFP-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器07.14 e(1)(1)11(1)1(1)R2,riRtOLLTTFDDriRtOLDriRooLCCFDcDriRooLDririt tttririttriritriLIdiVVVLVedttLIVetLILILVVVi dtVeCRCRCR

31、tLILILVeRCRCRtLtCT0T由圖（ ）得到i 從0I時的v :由于阻尼放電電阻在期間，DCFDCVVV從放電很少，僅略小于P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器 開通過程中：FC，iT=Io時，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作點從FCP-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器 無論通態(tài)、斷態(tài)vC都為VD，開關過程中vC變化也不大，僅在關斷過程中VT超過VD后，C才起作用限幅緩沖，廣泛應用于IGBT的 DC/DC、DC/AC變換器例題例題7.2VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri

32、=1S，確定開通關斷軌跡，確定開通關斷軌跡解得：關斷時：解得：關斷時：M點，點，VTM=VCM=227.4V(不大，不大，Poff小小) P點，點，VTP=VCP=251.3V 開通時：開通時：F點，點，VTF=128V(很低，很低，Pon小小)，VCF=217.5V電容電壓變化范圍?。弘娙蓦妷鹤兓秶。?17.5-220-227.4V開關管最高電壓僅開關管最高電壓僅251.3V(VD=220V)第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程

33、與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源n電感電抗器）n方波變壓器和脈沖變壓器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器n電感電抗器）n方波變壓器和脈沖變壓器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電感(電抗器電抗器) 電路：電壓電路：電壓V V克服電阻克服電阻R R產生電流產生電流I I，V=R1I+R2IV=R1I+R2I，R=R=l/Sc=l/Scl/Sc=l/Sc 磁路：磁壓磁路：磁壓F(NI)F(NI)克服磁阻產生

34、磁通克服磁阻產生磁通，F(NI)=Rmo+RmcF(NI)=Rmo+Rmc，Rm=l/ScRm=l/Sc00000000000000000/0.41.2610.41.26/ccccccccccccccccllBBFNIll NIssHlHlNININIBllllllNINIBllll 導鐵對導空空氣氣中中的的磁磁率率：心心相相磁磁率率：電感電感(電抗器電抗器) 單位：單位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麥克斯韋麥克斯韋MX)，B(MX/cm2高斯高斯GS) 按以上各式設計鐵芯電感按以上各式設計鐵芯電感8-8-028-8-0001010261101026126140 CccccNSL

35、IBlSNBINSINLlNIllNIllNIB././.又又，n電感電抗器）n方波變壓器和脈沖變壓器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器方波變壓器及其磁通變化規(guī)律方波變壓器及其磁通變化規(guī)律Bm相同時，正弦電壓有效值相同時，正弦電壓有效值高高10電壓相同時，正弦電壓的電壓相同時，正弦電壓的m，Bm可小可小10磁磁鏈鏈：方方波波電電壓壓：正正弦弦電電壓壓：mm1 1mm1 1mmc c8 88 88 8mmmmc c1 11 18 88 8mmmmmmmmc cmm8 81 11 11 1mmc c N N N NB BS S2 2 1 10 0d d ( (t t) )V VE E1

36、10 04 4f fN NB B S S1 10 0d dt tT T/ /2 2 s si in n t t，V V 1 10 02 2 f fN NB B S S1 10 0V VV VE E4 4. .4 44 4f fN N B B S S1 10 02 2例例7.3 脈沖變壓器設計脈沖變壓器設計VD=15V，R=50，鐵芯，鐵芯Bm=10000GS時，時，m=1A/cm2，Br=5000，要求輸出脈沖電壓，要求輸出脈沖電壓V=10V，脈寬，脈寬T=200s選選用用, ,鐵鐵芯芯、磁磁路路長長, ,則則匝匝匝匝由由有有：磁磁化化電電流流：8888DD11c1mrc11c1mrc2 2c

37、ccc8 86868DD1 1c c2 221211 11 mmC1 mmCmCmCmm1 1d d V1010V1010dtdt t t N N N N SNBBSSNBBSS0.5cml6cmS0.5cml6cmV T10V T10152001010152001010N120N120 BS(100005000)0.5BS(100005000)0.5V VN1.2N96N1.2N96V VN iHlN iHlHlHl1 61 6i0.05i0.05N120N120脈沖變壓器及單邊磁化曲線脈沖變壓器及單邊磁化曲線例題例題7.3脈沖變壓器設計脈沖變壓器設計負載電流：負載電流： I2m=V2 /

38、R=10/50=0.2A磁化電流：磁化電流： im=Hmlc/N1=0.05A負載電流折算至負載電流折算至N1： I2m=i2mN2/N1=0.16A2 22 22 22 2mm2 2mm1 1i ii ii i 0 0. .1 16 60 0. .0 05 50 0. .1 17 7A A選用直徑選用直徑0.2mm導線：導線：q=/40.22=0.0314電流密度：電流密度：j=i/q=5.5A/mm2磁通單方向變化磁通單方向變化B=Bm-Br，利用率不高，利用率不高若磁通雙向變化，那么若磁通雙向變化，那么B=Bm-(-Bm)=2Bm，鐵，鐵芯利用率高芯利用率高23倍或倍或SC，N可小可小2

39、3倍倍脈沖變壓器及單邊磁脈沖變壓器及單邊磁化曲線化曲線第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源n濾波器基本功能和類型nLC濾波器特性分析n諧振型濾波器7.6 濾波器n濾波器基本功能和類型nLC濾波器特性分析n諧振型濾波器7.6 濾波器濾波器

40、功能、類型濾波器功能、類型 電力電子變換中，開關管周期性通斷變換，輸出電壓是周期性，幅電力電子變換中，開關管周期性通斷變換，輸出電壓是周期性，幅值為值為VD的脈波的脈波 DC/AC逆變電路的輸出電壓逆變電路的輸出電壓V2除基波除基波V21外，還有高次諧波電壓外，還有高次諧波電壓V2h 輸出電流除了基波電流輸出電流除了基波電流i21外，還有高次諧波電流外，還有高次諧波電流i2h Lo感抗感抗XL=2fhLo，fh高，高，XLh大大 Co容抗容抗Xc=1/2fhCo，fh高，高，XLc小小濾波器功能、類型濾波器功能、類型 諧波電壓V2h幾乎全部壓降在Lo上 諧波電流I2h幾乎全部流入Co 使輸出電

41、壓中VLh很小，負載中iLh很小 Lo、Co對基波電壓電流的影響分析： 負載基波電流iL1在Lo上產生基波壓降 ，VL1在Co中產生基波電容電流流過Lo和開關管濾波器功能、類型濾波器功能、類型 AC/DC整流電路輸入電流i1除基波電流i11外，還有諧波i1h L1對諧波電流阻抗大，C1對諧波電流阻抗小 I11中的諧波電流幾乎全部流入C1，使電源電流isis1 L1、C1對基波電壓電流的影響分析： 基波電流is1在L1上產生基波壓降 V1在C1中產生基波電容電流，流過L1及交流電源濾波器功能、類型濾波器功能、類型 濾波器類型： 按放置位置分：輸入濾波器、輸出濾波器、中間濾波器 按電路架構分：LC

42、串、并聯(lián)濾波器和LC諧振濾波器(7.6.3節(jié)) 中間濾波器：L2、C2的輸入輸出都是直流 它把整流電路輸出的直流電壓中的諧波降落在L2上，減小C2端的諧波電壓 它把逆變器輸入斷的諧波電流流入C2，減小L2中的諧波電流n濾波器基本功能和類型nLC濾波器特性分析n諧振型濾波器7.6 濾波器LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析 用j代替S得到LoCo濾波器對不同頻率的電壓衰減系數為：ooooooL L 、C C 濾濾波波器器的的傳傳遞遞函函數數L L 、C C 濾濾波波器器的的諧諧振振角角頻頻率率：L L 、C C 濾濾波波器器的的阻阻尼尼系系數數：0 00 0L L2 20 02 20 02 20

43、 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0R R S SC CR R1 1/ /S SC Cv v1 1( (S S) )R R S SC CS SS Sv vS SL L2 2 1 1R R1 1/ /S SC C 1 1 L L C CL L / /C C L L1 1 2 2R R2 2R R幅頻特性幅頻特性逆變器輸出濾波電路逆變器輸出濾波電路2 2L L2 20 00 00 0v v / /v v1 1/ /( (u uj j 2 2 u u1 1) ) u u L L1 1 C C 相相對對頻頻率率：LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析 0越小(L0C0大)，諧波衰減

44、量越大 諧振頻率越高，諧波衰減量越大 vvL L2 2相相對對頻頻率率：阻阻尼尼系系數數：u u大大或或 大大，則則/ /小小如如果果選選擇擇而而則則2 2L LL L2 20 02 22 22 22 20 00 00 00 00 00 00 02 20 00 00 00 02 2L L2 20 0v v1 1v v ( ( ) )/ /v v ( ( ) )1 1/ /( ( u uj j 2 2 u u1 1) )u u v v（1 1u u ） （2 2 u u） u u L L C C 1 1 L LR RL L / /C C2 2R R2 2u u 1 1, , 1 1L L C C

45、 v v / /v v( ( ) )逆變器輸出濾波電逆變器輸出濾波電路路幅頻特幅頻特性性LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析 幅頻特性物理說明： u=/0=10，=0時，VL/V2=0.01，衰減40dB u=/0=5，=0時，VL/V2=0.0416，衰減27.6dB u=/0=5，=0.5時，VL/V2=0.0408，衰減27.8dB 相頻特性： u=/0=1，VL滯后V2 90(公式7-69)LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析 210u空載時L L2 22 22 22 20 00 00 00 00 00 00 00 00 0v v1 1u u v v（1 1 u u ） （2 2 u

46、u）u u L L C C ，L L C Cu u/ / 1 1 L LR RL L / /C C2 2R R2 2相相對對頻頻率率：阻阻尼尼系系數數：q 根據要求的根據要求的LC濾波器對諧波濾波器對諧波的衰減的衰減系數，如系數，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可，可以得知相對頻率以得知相對頻率u及及LoCo的諧振頻率的諧振頻率q 由此可設計由此可設計LoCo 。000(1 /)L C幅頻特幅頻特性性逆變器輸出濾波電路逆變器輸出濾波電路LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析 1小(L1，C1大），諧波電流頻率越高，則Kih越小，Ish越小11:lhihL CiK對諧波電流的衰減率s s

47、h hc c1 1i ih h2 2l lh hc c1 1L L1 11 11 11 11 12 21 11 11 11 11 11 11 12 2s sh h1 1i ih hl lh hI IZ Z1 11 11 1K KI IZ ZZ ZC CL L1 1C CL L C C1 1L L C C 的的諧諧振振頻頻率率1 1L L C C時時，L L C C1 1I IK KI ILC濾波器的特性分析濾波器的特性分析設計設計LC濾波器的一般要求：濾波器的一般要求：(1) 負載上的單次諧波電壓和總負載上的單次諧波電壓和總諧波電壓降低到允許范圍內；諧波電壓降低到允許范圍內；電源中單次諧波電流

48、和總諧電源中單次諧波電流和總諧波電流降低到允許范圍內。波電流降低到允許范圍內。(2) C0中的電流不過分增加開關中的電流不過分增加開關器件的電流；器件的電流；C1的基波電流的基波電流不致過分增加電源的電流。不致過分增加電源的電流。(3) 濾波電感基波阻抗不大，負濾波電感基波阻抗不大，負載變化時開關電路輸入電壓載變化時開關電路輸入電壓波動不大，負載電壓波動不波動不大，負載電壓波動不大。大。(4) 濾波器濾波器LC電壓、電流的電壓、電流的kVA值小，成本低、體積小、重值小，成本低、體積小、重量輕。量輕。 n濾波器基本功能和類型nLC濾波器特性分析n諧振型濾波器7.6 濾波器諧振濾波器諧振濾波器 第七章第七章 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 觸發(fā)、驅動器觸發(fā)、驅動器7.2 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.3 開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)開關器件的開通、關斷過程與安全工作區(qū)7.4 緩沖器緩沖器7.5 電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器電感電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器7.6 濾波器濾波器7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助電源控制系統(tǒng)和輔助電源散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng)(散熱器散熱器-風冷、水冷、油冷風冷、水冷、油冷) 環(huán)境環(huán)境A A管殼管殼C C