汽車電工電子技術基礎 課件 學習領域五：學習任務二 電壓轉換電路認識與檢測

學習領域五

電壓變換電路的認識與檢測

功率變換技術是新能源汽車的調速和轉向等動力控制系統(tǒng)的關鍵技術，當中的電壓轉換電路包括AC/AC、AC/DC、DC/DC以及DC/AC電路。本次任務通過學習電壓轉換電路完成搭建相關電路控制要求的電路。學習任務1能實現(xiàn)AC/AC、AC/DC電路控制要求目錄CONTENTS學習任務2

能實現(xiàn)DC/DC、DC/AC電路控制要求1.能講述AC/AC變換電路的原理與應用。2.能講述AC/DC變換電路的原理與應用。3.能講述DC/DC變換電路的原理與應用。4.能講述DC/AC變換電路的原理與應用。知識目標素養(yǎng)目標技能目標1.能夠識別AC/AC、AC/DC變換電路。2.能檢測并分析AC/AC變換電路的波形。3.能夠識別DC/DC、DC/AC變換電路。4.能檢測并分析DC/DC變換電路的波形。1.規(guī)范實訓7S管理。2.培養(yǎng)自主學習、團隊合作能力。3.培養(yǎng)刻苦耐勞的意志品質。4.崇尚勞動，形成敢創(chuàng)新，敢挑戰(zhàn)，愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。

新能源汽車的DC-DC轉換器出現(xiàn)故障，需要對DC-DC電路檢測，請你按照專業(yè)技術標準，規(guī)范進行DC-DC控制要求的電路搭建與檢測。能實現(xiàn)AC/AC及AC/DC電路控制要求任務1知識鏈接科學技術是第一生產(chǎn)力

——鄧小平AC/AC變換電路01知識點1.AC/AC變換電路的概述AC/AC變換電路是把一種形式的交流（AC）電能轉變成另一種形式交流（AC）電能的電力電子裝置，稱為交流-交流變換電路，也稱直接變換電路。2.AC/AC變換電路的分類采用晶閘管等電力半導體器件構成的交流―交流變換電路可分為兩大類：一類是頻率不變僅改變電壓大小的交流―交流變換電路，稱為恒頻變壓交流―交流變換電路，常稱為交流調壓電路；另一類是直接將一個較高頻率交流電變?yōu)檩^低頻率交流電的相控方式降頻降壓變換電路，稱為變壓變頻交流―交流變換電路。3.交流調壓電路交流調壓電路是指由晶閘管等電力電子器件構成的交流調壓控制裝置；其調壓功能通過控制來實現(xiàn)。交流調壓器的調壓方式有三種：（1）通-斷控制改變通斷時間的比例，實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。特點：簡單，對電網(wǎng)有較大的負載脈動。（2）相位控制晶閘管控制和相控整流一樣，在選定的控制角上使負載與電源接通，也可以通過相控和也可以通過相控和提前強迫換流實現(xiàn)扇形控制，控制角不同，其輸出電壓也不同。特點：交流調壓的基本形式，應用較多。（3）斬波控制把正弦波電壓斬成若干個脈沖電壓，改變導通比實現(xiàn)電壓。特點：功率因數(shù)高，低次諧波低，應用較多。三種控制方式的輸出電壓波形如圖5-2-1所示圖5-2-1交流調壓三種控制方式的輸出電壓波形

用晶閘管組成的交流調壓電路，可以方便地調節(jié)輸出電壓有效值。它可用于電爐溫度控制、燈光調節(jié)、異步電動機減壓軟起動和調壓調速等，也可以用作調節(jié)變壓器一次電壓，其二次側多為直流低電壓、大電流或高壓、小電流負載，而且負載功率一般不超過500kW。使用這種方法，可使變壓器二次側的整流裝置避免使用大容量晶閘管，只需二極管整流即可，有利于增大二次電流或二次電壓，用晶閘管在一次側調壓，省去了效率低下的調壓變壓器，有利于簡化結構、降低成本和提高可靠性。晶閘管交流調壓電路與調壓變壓器相比，具有體積小、重量輕、效率高和成本低等優(yōu)點，是調壓變壓器的理想替代產(chǎn)品之一。4.交流調壓電路的工作原理（1）晶閘管單相交流調壓電路單相交流調壓電路是三相交流調壓電路的基礎，和整流電路一樣，交流調壓電路的工作情況也和負載性質有很大的關系。1）電阻性負載單相交流調壓電路圖5-2-2是電阻負載單相交流調壓電路圖及其波形。其中圖5-2-2（a）為主電路，采用晶閘管VTH1和VTH2反并聯(lián)連接，也可以用一個雙向晶閘管VTH代替，與負載電阻RL串聯(lián)接到交流電源U1上。圖5-2-2（b）給出了移相角為α的輸出電壓u0波形，可以看出負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（電源電流）和負載電壓的波形相同。（a）電路（b）波形圖5-2-2電阻負載單相交流調壓電路圖及其波形

2）電阻-電感性負載(阻感負載)單相交流調壓電路及其波形如圖5-2-3所示，阻感負載是交流調壓電路最具代表性的負載。（a）電路（b）U1波形

（c）igl波形

（d）igl2波形

（e）i0波形

（f）u0波形圖5-2-3阻感負載單相交流調壓電路及其波形（2）三相交流調壓電路若把三個單相交流調壓電路接在對稱的三相電源上，讓其互差2π/3相位工作，則構成了三相交流調壓電路，三相交流調壓器主電路的連接形式繁多，常見的有星形聯(lián)結和三角形聯(lián)結，如圖5-2-4所示。（a）帶有中性線星形聯(lián)結

（b）無中性線星形聯(lián)結

（c）晶閘管三角形聯(lián)結圖5-2-4三相交流調壓器主電路聯(lián)結

三相交流調壓電路對觸發(fā)脈沖的要求與三相全控橋式整流電路完全相同，即采用雙窄脈沖或寬脈沖觸發(fā)，觸發(fā)脈沖順序也是VTH1-VTH6，依次相差60°，三相的觸發(fā)脈沖應依次相差120°，同一相的兩個反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖應相差180°。如圖5-2-5所示為電阻負載星形聯(lián)結的三相交流調壓器。圖5-2-5電阻負載星形聯(lián)結的三相交流調壓器交流調壓電路是靠改變施加到負載上的電壓波形來實現(xiàn)調壓的，因此分析得到負載電壓波形是最重要的。對星形聯(lián)結的三相交流調壓電路中的相來說，只要兩個晶閘管之中有一個導通，則該支路是導通的。從三相來看，任何時候電路只可能是下列三種情況中的一種：1）三相全不通，調壓電路開路，每相負載的電壓都為零。2）三相全導通，調壓電路直通，則每相負載的電壓是所接相的相電壓，稱為第一類工作狀態(tài)。3）其中兩相導通，在電阻負載時，導通相負載上的電壓是該兩相線電壓的1/2，非導通相負載的電壓為零，稱為第二類工作狀態(tài)。在電動機類負載時，則可由電動機的約束條件（電機方程）來推得各相的電壓值。因此，只要能判別各晶閘管的通斷情況，就能確定該電路的導通相數(shù)，也就能得到該時刻的負載電壓值，判別一個周波就能得到負載電壓波形，根據(jù)波形就可分析交流調壓電路的各種工況。AC/DC變換電路02知識點1.AC/DC變換電路概述AC/DC變換電路，是將交流電源變換成直流電的電路，大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路、濾波器等組成，整流主電路多用硅整流二極管或晶閘管組成，濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分，變壓器設置與否視具體情況而定，變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。常用的整流電路有：單相半波整流電路、單相橋式整流電路、三相橋式整流電路和PWM整流電路。以下介紹最常用的PWM整流電路。2.PWM整流電路PWM整流電路由全控性功率開關器件構成，采用脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，簡稱PWM）控制方式。PWM整流電路也不是傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換電路，而是一種能夠實現(xiàn)電能雙向變換的電路，當PWM整流電路從電網(wǎng)接收電能時，工作于整流狀態(tài)；當PWM整流電路向電網(wǎng)反饋電能時，則工作于有源逆變狀態(tài)。根據(jù)不同的分類，PWM整流電路有不同的類型，按電路的拓撲結構和外特性，PWM整流電路可分為電壓型和電流型，兩者的區(qū)別在于直流側濾波形式的不同，電壓型整流電路采用大電容，電流型整流電路則采用大電感。電壓型PWM整流電路更為廣泛。（1）單相電壓型PWM整流電路單相電壓型PWM整流電路最初應用于電力機車交流傳動系統(tǒng)中，為牽引變流器提供直流電源。單相電壓型PWM整流電路圖5-2-6所示，每個橋臂由全控器件和反并聯(lián)的整流二極管組成，其中的串聯(lián)型濾波器的諧振頻率是基波頻率的2倍，從而可以短路交流側的偶次諧波。圖5-2-6單相電壓型PWM整流電路

（2）三相電壓型PWM整流電路三相電壓型PWM整流電路如圖5-2-7所示。這是最基本的PWM整流電路，應用也最廣泛。U為交流側電源電壓，i為交流側電源電流，L為電抗器即電路的電感，C為直流側濾波電容。圖5-2-7三相電壓型PWM整流電路

三相電壓型PWM整流電路具有更快的響應速度和更好的輸入電流波形，穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電流電壓不變，開關器件按正弦規(guī)律脈寬調制，整流器交流側的輸出電壓與逆變器相同，忽略整流電路輸出交流電壓的諧波，變換器可以看作是可控正弦三相電壓源，它和正弦的電源高電壓共同作用于輸入電感，產(chǎn)生正弦電流波形，適當控制整流電路輸出電壓的間隔值和相位，就可以獲得所需大小和相位的輸入電流。（3）三相電流型PWM整流電路三相電流型PWM整流電路用于穩(wěn)定輸出電流使輸出特性為電流源特性，利用正弦調制方式控制直流電流在各開關器件上的分配，使交流電流波形接近正弦波，且和電源電壓同相位，交流側電容的作用是濾除與開關頻率相關的高次諧波。三相電流型PWM整流電路如圖5-2-8所示。圖5-2-8三相電流型PWM整流電路

PWM整流電路改善了傳統(tǒng)晶閘管相控整電路中交流側諧波電流較大、深度相控時功率因數(shù)較低的缺點。PWM整流電路采用全控器件可以實現(xiàn)理想化的交直流變換，具有輸出直流電壓可調，交流側電流波形為正弦、功率因數(shù)可調、可雙向變換等優(yōu)點。電流型整流電路也有缺點，流側電感的體積、質量和功耗較大；常用的全控器件都是雙向導通的，使主電路通態(tài)損耗較大。車載充電機是整流電路在新能源汽車上的典型應用，其功能是將電網(wǎng)單相交流電變換為直流電給動力蓄電池充電。為了提高電路的功率因數(shù)，減小設備體積，達到比較理想的輸出效果，一般是整流電路和其他結構的電路形式相結合，完成電能變換。車載充電機電路結構如圖5-2-9所示。圖5-2-9車載充電機電路結構

一、單選題1.AC-AC變換電路，稱為交流-交流變換電路，也稱

電路。（）A、直接變換B、交叉變換C、間接變換D、循環(huán)變換2.交流調壓器的控制方式有整周波通斷控制、相位控制和（）三種。A、正弦波控制B、半周波通斷控制C、斬波控制D、正弦波控制3.三相交流調壓器主電路的連接形式繁多，常見的有

聯(lián)結和

聯(lián)結。（）A、交叉圓形B、星形三角形C、X型Y型D、方型三角形4.交流調功電路也是控制電路的

和

。（）A、電容電感B、開關保險絲C、電阻電容D、接通斷開5.單相輸出交流-交流變換電路由

組晶閘管整流電路

構成。（）A、兩反向串聯(lián)B、兩反向并聯(lián)C、一反向并聯(lián)D、一反向串聯(lián)二、判斷題1.單相交流調壓電路的工作情況和負載性質沒有關系。（）2.只要能判別各晶閘管的通斷情況，就能確定該電路的導通相數(shù)。（）3.單相交流-交流變換電路狀態(tài)情況，是輸出電壓方向確定的。（）4.AC-DC變換電路的單相半波整流電路用于整流電流較大，脈沖要求高的場合。（）5.三相電流型PWM整流電路具有功率因數(shù)可調、可雙向變換等優(yōu)點。（）能實現(xiàn)DC/DC及DC/AC電路控制要求任務2知識鏈接科學技術是第一生產(chǎn)力

——鄧小平DC/DC變換電路01知識點一、DC/DC變換電路DC/DC變換電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，包括直接直流變換電路和間接直流變換電路。直接直流變換電路也稱為斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變換電路是在直流變換電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為帶隔離的DC/DC變換電路。

1.直流斬波電路的工作原理開關管按一定控制規(guī)律調制且無變壓器隔離的DC/DC變換器稱為直流斬波器。直流斬波電路主要工作方式是脈寬調制(PWM)工作方式，基本原理是通過開關管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調節(jié)方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）改變電壓。

如圖5-2-10所示輸入電源Ui通過開關與負載串聯(lián)，當開關閉合時，輸出電壓等于輸入電壓，U0=Ui，而當開關斷開時，輸出電壓等于零，U0=0。得到基本電壓變換電路的輸出電壓波形。

圖5-2-10輸入電壓Ui通過開關與負載串聯(lián)和輸出電壓波形用可控的功率開關管代替開關，輸入一定的控制信號，控制電路的交替通斷，獲得可調的輸出電壓，達到降壓的目的。如圖5-2-11所示，是基本斬波與輸出電路波形。

（a）基本斬波（b）輸出電路波形圖5-2-11基本斬波與輸出電路波形2.降壓斬波電路（1）降壓電路結構組成圖5-2-12直流降壓電路組成，為抑制輸出電壓脈動，在直流降壓電路中加入濾波電容C；為限制開關管VT導通時的電流應力，將緩沖電感串入開關管VT的支路中；為了避免開關管VT關斷時緩沖電感中電流的突變，加入續(xù)流二極管VD。

圖5-2-12直流降壓電路組成（2）降壓原理直流斬波電路是使用廣泛的直流變換電路。如圖5-2-13所示方波為連續(xù)輸出波形，其平均電壓如藍折線所示。改變脈沖寬度即可改變輸出電壓，在時間u1前脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（U01）較高；在時間t1后脈沖變窄，平均電壓（U02）降低。固定方波周期T不變，改占空比調節(jié)輸出電壓就是(PWM)法，也稱為定頻調寬法。由于輸出電壓比輸入電壓低稱之為降壓斬波路或Buck變換器。方波脈沖不能算直流電源，實際使用要加上濾波電路。

圖5-2-13連續(xù)輸出波形和平均電壓3.升壓斬波電路（1）升壓電路結構Boost型升壓變換器稱為并聯(lián)開關變換器，由功率開關，二極管、儲能電感、輸出濾波電容等組成。如圖5-2-14所示。5-2-14直流升壓電路組成（2）升壓原理通過電感元件可組成升壓斬波電路，如圖5-2-15所示，當開關管VT導通時，電流通過電感L時會在L中存儲能量，此時負載上的電壓Uo由C提供，當開關管VT關斷時，電感L釋放能量，輸出電壓為輸入電壓Ui與L產(chǎn)生的電壓相加，故提高了輸入電壓。該電路稱為升斬波或Boost變換器，輸出電壓Ui=Ui/（1-D），D是占空比，值必須小于1。圖5-2-15升壓電路晶閘管斷開和閉合時的輸出波形4.DC/DC變換電路的應用電動汽車上的DC/DC變換器（圖5-2-16），作為電動汽車動力系統(tǒng)中很重要的一部分，它的一個重要功用是動力電池組直接通過DC/DC變換器，轉換為14V低壓直流電為整車低壓用電設備供電，另一個作用是在復合電源系統(tǒng)中，與超級電容串聯(lián)，起到調節(jié)電源輸出，穩(wěn)定母線電壓。圖5-2-16純電動汽車上的DC-DC變換器在純電動汽車、“電-電”耦合電力汽車（自行發(fā)電電動汽車、燃料電池汽車）中，在能量混合型電力系統(tǒng)中，用升壓型DC/DC變換器，在功率混合型電力系統(tǒng)中，采用雙向升降壓型DC/DC變換器，或全橋型DC/DC變換器，車輛在滑行或下坡制動時，驅動電機發(fā)電運行產(chǎn)生的電能也通過雙向升降壓型DC/DC變換器向儲能電源充電。DC/AC變換電路02知識點DC/AC變換器，又稱為逆變器，是應用電力電子器件將直流電轉換成交流電的一種變流裝置，如圖5-2-17所示。目前汽車上大部分采用永磁同步電機和三相異步電機，工作電源是都是三相交流電，而電動汽車的動力電池組輸出的是直流高壓電，所以必須通過一個DC/AC變換器將直流電轉換為交流電，提供作為驅動電機的動力電源。

圖5-2-17三相逆變器框圖1.逆變的概念把直流電變成交流電稱為逆變，逆變電路是與整流電路相對應。當交流側接在電網(wǎng)上，即交流側接有電源時稱為有源逆變；當交流側直接和負載連接時稱為無源逆變。逆變電路的應用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時就需要逆變電路。另外交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等力子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。它的基本作用是在控制下將中間直流輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。

2.逆變電路的原理以圖5-2-18的單相橋式逆變器主電路（逆變電路）為例說明逆變原理。圖中S1～S4是單相橋式電路4個臂上的開關，并假設S1～S4均為理想開關。當S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓u0為正；當S1、S4斷開，S2、S3閉合時，u0為負，其波形如圖5-2-18（b）所示。這樣，就把直流電變成了交流電。改變兩組開關切換頻率就可以改變輸出交流電頻率。這是逆變的最基本原理。電阻負載時，負載電流i0和u0的波形相同，相位也相同。阻感負載時，i0的基波相位滯后于u0的基波，兩者波形也不同，圖5-2-18（b）給出的就是阻感負載時的i0波形。如果S1～S4由實際的電力電子開關器件所組成，且輔助元件(R、L、C)也是非理想的，則逆變過程要復雜很多。

（a）主電路（b）波形圖

圖5-2-18單相橋式逆變器主電路與波形圖3.逆變器種類為了滿足不同用電設備對交流電源性能參數(shù)的不同要求，發(fā)展了多種逆變電路，并大致可按以下方式分類。（1）按輸出電能的去向分可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設備。（2）按電流波形分可分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。前者開關器件中的電流為正弦波，其開關損耗較小，宜工作于較高頻率。后者開關器件電流為非正弦波，因其開關損耗較大，故工作頻率較正弦逆變電路低。（3）按輸出相數(shù)可分為單相逆變電路和三相逆變電路。（4）按直流電源性質可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。

任務實施工作計劃天行健，君子以自強不息?！吨芤?乾?象》1.制定工作計劃步驟工作內容負責人1填寫自評表全部人23452.列出需要的實訓板、工具、耗材和器材清單序號名稱型號與規(guī)格單位數(shù)量備注12345決

策業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨

——韓愈《進學解》各組派代表闡述工作計劃01對他組工作計劃提出自己不同看法02教師點評，提出指導性意見03決策選出較優(yōu)工作計劃04工作實施君子博學而日參省乎己，則知明而行無過矣

——《荀子?勸學》1.按照本組制定的計劃開展工作（1）領取實訓積木板及材料；（2）認識與檢查實訓積木板；（3）各組員分工合作完成工作任務。安全生產(chǎn)規(guī)范操作節(jié)約能源2.實訓項目DC/DC降壓控制原理檢測。安全生產(chǎn)規(guī)范操作節(jié)約能源DC/DC降壓控制原理檢測可調電壓鋰電池模塊DC/DC降壓控制實訓板直流電壓表2個

3.實訓步驟（1）領取實訓積木板及材料領取實訓積木板及材料DC/DC降壓控制原理電路線路連接圖DC/DC降壓控制原理檢測（2）DC/DC降壓控制原理電路及線路連接DC/DC降壓控制原理檢測序號步驟操作方法及說明質量標準與記錄1電路板基本檢查檢查設備

□檢查電路板外觀無劃傷、損壞□檢查可調鋰電池模塊是否正?！鯔z查實訓電路板是否正常2模塊設備連接根據(jù)線路圖連接各模塊□根據(jù)線路圖連接電路并完成以下填空鋰電池正極連接DC-DC降壓控制實訓板端子鋰電池負極連接DC-DC降壓控制實訓板端子□連接完畢后檢查DC-DC降壓控制實訓板開關是否正?！踹B接完畢后檢查電壓表顯示器是否顯示正常（3）具體實訓流程DC/DC降壓控制原理檢測序號步驟操作方法及說明質量標準與記錄3記錄MP2307測量數(shù)據(jù)接通電路，旋轉可調電阻旋鈕，調節(jié)MP2307輸入端的電壓，記錄相應輸出端電壓□檢查各模塊正負極是否連接正確□檢查無誤后，打開可調鋰電池模塊電源、電壓表□旋轉電位器，調節(jié)MP2307輸入端的電壓，記錄相應輸出端電壓輸入電壓（V）246810輸出電壓（V）

DC/DC降壓控制原理檢測序號步驟操作方法及說明質量標準與記錄4繪制MP2307特性曲線根據(jù)MP2307輸入端電壓和輸出端電壓特性曲線□描繪輸入電壓與輸出電壓的關系，輸入為

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