電力電子技術(shù)07輔助元器件和系統(tǒng).ppt

1、第 7 章輔助元器件和系統(tǒng),7 輔助元器件和系統(tǒng),7.1 觸發(fā)控制器 7.2 過電流保護(hù)和過電壓保護(hù) 7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū) 7.4 緩沖器 7.5 電感（電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器 7.6 濾波器 7.7 散熱系統(tǒng) 7.8 控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng) 小結(jié),電力電子變換器中，周期性地改變開關(guān)的通、斷狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC電力變換和控制。 電力電子變換器中除開關(guān)電路外，還必須有一些輔助元器件和系統(tǒng)，如觸發(fā)驅(qū)動器、過流過壓保護(hù)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

2、助元器件和系統(tǒng),電力電子變換器系統(tǒng)框圖示例,7.1 觸發(fā)控制器,觸發(fā)控制器從控制系統(tǒng)接收控制信號，經(jīng)過處理后輸出觸發(fā)驅(qū)動電壓(電流)，開通或關(guān)斷元器件，不同的開關(guān)器件，不同的應(yīng)用情況，要求不同的觸發(fā)驅(qū)動器，已有各類開關(guān)元器件的觸發(fā)驅(qū)動器可供選用。,7.1 觸發(fā)控制器,7.1.1 晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器 7.1.2 GTO的觸發(fā)驅(qū)動器 7.1.3 BJT的驅(qū)動器 7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器,圖7.1 有隔離變壓器的SCR驅(qū)動器,SCR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(qiáng)觸發(fā)數(shù)值要足夠大（脈沖足以使SCR立即開通）,7.1.1 晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器,7.1.

3、1 晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器(續(xù)1),由發(fā)光二極管LED和光控晶閘管LAT組成 光電耦合隔離較變壓器隔離電磁干擾小，但光控晶閘管LAT必須能承受電路的高壓 快速光耦響應(yīng)時間可小于1.5s 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驅(qū)動信號,7.1.2 GTO的觸發(fā)驅(qū)動器,GTO要求有正值門極脈沖電流+Ig觸發(fā)其開通，負(fù)值脈沖電流-Ig使其關(guān)斷 MOS管M1、M2接收從控制系統(tǒng)輸入的高頻互補(bǔ)式方波電壓后，向GTO輸出+ Ig觸發(fā)其開通，并使C充電。 要關(guān)斷已處于通態(tài)的GTO（M1、M2已無輸入信號）時，需觸發(fā)開通SCR，C放電形成-Ig ，關(guān)斷GTO,BJT理想驅(qū)動條件及理想波形

4、,7.1.3 BJT的驅(qū)動器,基極驅(qū)動電流的波形：晶體管開通的瞬間，驅(qū)動電流應(yīng)有足夠陡的前沿和比穩(wěn)態(tài)驅(qū)動電流大得多的前沿峰值電流，以保證晶體管迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)； 基極電流的穩(wěn)態(tài)值：應(yīng)使晶體管處于飽和或臨界飽和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗； 驅(qū)動電流后沿加一個較大的負(fù)電流：以保證迅速地將晶體管b-e之間的結(jié)間存儲電荷抽出，加快關(guān)斷過程，降低開關(guān)損耗，并有利于提高開關(guān)頻率。 基極驅(qū)動電路必須隔離，響應(yīng)快，波形不失真。有過流或晶體管進(jìn)入放大區(qū)工作的保護(hù)功能。,7.1.3 BJT的驅(qū)動器(續(xù)1),BJT要求有正值基極電流+IB強(qiáng)觸發(fā)開通，并要求有持續(xù)的較小的驅(qū)動電流，保持其通態(tài)。最好有-IB使其關(guān)斷時間縮短，

5、有較小的負(fù)基極電流維持其可靠的斷態(tài) 與R并聯(lián)的C提供了強(qiáng)觸發(fā)+IG,輸入端P為低電平時，TR1通，TR2通，有+iG驅(qū)動BJT 輸入端為高電平時，TR1斷，TR3通，C經(jīng)TR3放電，形成BJT關(guān)斷所需的-iB,P點(diǎn)有輸入信號時，反相器輸出VB=0，光耦驅(qū)動器TL1導(dǎo)通使A點(diǎn)為高電位，經(jīng)R1使T1導(dǎo)通，為BJT提供+IB 當(dāng)P點(diǎn)無輸入信號時，VP=0，光耦驅(qū)動LT2導(dǎo)通，使A點(diǎn)為低電位，T2導(dǎo)通，C經(jīng)T2、R2放電，為BJT提供關(guān)斷電流-IB,7.1.3 BJT的驅(qū)動器(續(xù)2),BJT除了上面講到的那些驅(qū)動器外，還有這樣的一些驅(qū)動電路,7.1.3 BJT的驅(qū)動器(續(xù)3),7.1.4 P-MOSF

6、ET 、IGBT的驅(qū)動器,一般選取正UGE=1215V， 關(guān)斷過程中，為盡快使柵極輸入電容放完電，并將P-MOSFET或IGBT置于反偏的最大安全工作區(qū)，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE，但它受IGBT的GE間最大反向耐壓限制，一般取-2-10V,7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驅(qū)動器(續(xù)1),P-MOSFET、IGBT等都是電壓型驅(qū)動器件，要求有持續(xù)的電平+VG使其開通并保持其通態(tài)； 關(guān)斷時最好加持續(xù)的負(fù)電平-VG，并維持其可靠的斷態(tài) P有正信號輸入時，AM截止，開通P-MOSFET；P=0時， AM開通，C放電，P-MOSFET截止,7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器(續(xù)2),P

7、有正信號輸入時，放大器輸出A點(diǎn)正電位使T1導(dǎo)通，P-MOSFET開通，并保持通態(tài) P無信號輸入時，A點(diǎn)為負(fù)電位，T2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管DZ兩端電壓抽出C電荷，并在P-MOSFET管上柵-源極加負(fù)壓，使其關(guān)斷并保持?jǐn)鄳B(tài),7.2 過電流保護(hù)和過電壓保護(hù),7.2.1 過電流保護(hù) 7.2.2 過電壓保護(hù) 7.2.3 開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護(hù),7.2.1 過電流保護(hù),可同時采用多種過流(過載、短路)保護(hù)，各盡所能協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)可靠地選擇性保護(hù)。 電子保護(hù)：動作閾值高，延時小，封鎖脈沖，停機(jī) 快速熔斷器：既可作短路保護(hù)又可作過載保護(hù) SCR被觸發(fā)導(dǎo)通，燒斷熔斷器，切斷電路 開關(guān)管設(shè)死區(qū)延時開通，防止直通,7.2

8、.2 過電壓保護(hù),避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓 設(shè)置Co，抑制操作開關(guān)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(guān)管通、斷時的過電壓,7.2.3 開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護(hù),開關(guān)管并聯(lián)使用時要均流串L P-MOS管通態(tài)電阻rT溫度系數(shù)為正(溫度高，rT大)開關(guān)管并聯(lián)自動均流。BJT的rT溫度系數(shù)為負(fù)，不宜并聯(lián)使用。IGBT大電流時，rT溫度系數(shù)為正。,開關(guān)管串聯(lián)使用時要均壓并RC 取R11=R12遠(yuǎn)小于rT1、rT2穩(wěn)壓均壓 取R13=R14，C13=C14動態(tài)均壓,7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū),7.3.1 線路電感L=0時開關(guān)器件

9、的開通關(guān)斷過程 7.3.2 線路電感L0時開通、關(guān)斷過程 7.3.3 安全工作區(qū),7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)（續(xù)1）,可以近似認(rèn)為在一個開關(guān)周期Ts=Ton+Toff期間io=Io不變，開通關(guān)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(diǎn) 通態(tài)：有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C點(diǎn),7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)（續(xù)2）,開通：斷態(tài)通態(tài)，rT從 0，iT從0線性上升至Io，VT從VDI0 關(guān)斷：通態(tài)斷態(tài)，rT從0 ，iT從Io線性下降至0，VT從0VD,開通過程中工作點(diǎn)如何從A過渡到C？ VT按什么規(guī)律

10、降至0？ 關(guān)斷過程中工作點(diǎn)從C如何過渡到A？ VT按什么規(guī)律上升至VD？取決于電 路中的電感L及開關(guān)管的并聯(lián)電容C,7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)（續(xù)3）,無串聯(lián)電感時： 開通過程：ABC(高壓下電流上升AB，負(fù)載電流下電壓下降BC） 關(guān)斷過程：CBA (負(fù)載電流下電壓上升對應(yīng)CB，高壓下電流下降對應(yīng)BA） 有串聯(lián)電感時： 開通過程AQEC，比ABC好 關(guān)斷過程CBHPA，比CBA差,7.3.1 線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程,7.3.1 線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程（續(xù)1）,有+VG后延時td，rT從0，有-VG，經(jīng)存儲時間trv，rT 從0 開通：rT，iTIo

11、之前，D仍導(dǎo)電，VT=VD 在tri期間itIo，D仍導(dǎo)電，VTVD，AB。 此后，在tfv期間，iT=Io，D截止，rT，VT0，BC 關(guān)斷：rT，在trv期間VTVD，D仍截止，iT Io，CB 此后，在tfi期間VT=VD，D導(dǎo)電，rT，iT0，BA,7.3.1 線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程（續(xù)2）,開通電流iT上升期： iT=Iot / tri (7-1) 關(guān)斷電流iT下降期： iT=Io(1-t /tfi ) (7-2) 若認(rèn)為vT在開通關(guān)斷過程中也呈線性變化在則：,（7-5）,（7-6）,7.3.2 線路電感L 0時開通、關(guān)斷過程,開通：斷態(tài)時，VT=VD，iT=0。工作點(diǎn)

12、為A，有VG后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期間上升時，D仍在導(dǎo)電，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri=VQVD，工作 點(diǎn)從A立刻轉(zhuǎn)移到Q點(diǎn)，在tri期間再從QE，此后iT Io，rT，VT從VQ0，工作點(diǎn)從EC。,7.3.2 線路電感L 0時開通、關(guān)斷過程（續(xù)）,關(guān)斷：通態(tài)時VT=0，iT=Io，工作點(diǎn)為C，撤除VG后，rT，VT，在trv期間VTVD前，D仍反偏截止，iT=Io，工作點(diǎn)從CB，此后rT，一旦VTVD時，D導(dǎo)電iT線性減小， vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作點(diǎn)立即從BH，在iT從Io0期間工作點(diǎn)從HP，一旦iT=0，工

13、作點(diǎn)從PA(iT=0，VT=VD),7.3.3 安全工作區(qū),L=0時，開通軌跡ABC，關(guān)斷軌跡CBA L 0時，開通軌跡AQEC，關(guān)斷軌跡CBHPA L改善了開通軌跡，惡化了關(guān)斷軌跡 安全工作區(qū)： VTVCEP，KJ線左側(cè) iTICM，NM線下方 Pt=VTiT，功率限制線左下側(cè),7.4 緩沖器,7.4.1 全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器 7.4.2 電力二極管、晶閘管的RC緩沖器 7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器,7.4.1 全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器,緩沖電路由Ls、Cs、Ds、Rs組成，T用于全控型開關(guān)管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。 串聯(lián)電感Ls用于開

14、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,7.4.1 全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器(續(xù)1),并聯(lián)電容Cs用于關(guān)斷緩沖vT 關(guān)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上升，VC=VT充電上升。若在tfi期間，iT0，iCIo，使,7.4.1 全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器(續(xù)2),此后，T已關(guān)斷，iL繼續(xù)對Cs充電到iL=0，VC=VT=VCEP，解VD、LS、CS電路微分方程

15、，得到：,最后，Vo=VCEP經(jīng)RS對電源放電，使iC=iR0。VC=VT=VD， 關(guān)斷軌跡為CAPA。,7.4.1 全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器(續(xù)3),例題7.1(Book P.254),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(guān)斷電容，Rs=40，求開關(guān)損耗并畫出 開關(guān)軌跡。,7.4.2 電力二極管、晶閘管的RC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(guān)斷時VT增大到VCEP(超過VD 50)，為了簡化緩沖電路，常不引

16、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(hù)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(hù)電力二極管,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器,關(guān)斷過程： rt，在vT從0VD期間D0、D仍反偏截止， iL=iT=Io，工作點(diǎn)從CB vT略大于VD后，D0導(dǎo)電，iT0的tfi期間，iC使C充電，VC=VT，D導(dǎo)電,通態(tài)時，iL=iT=Io，D0、D截止，C充電到VC=VD,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)1),CB BM MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T關(guān)

17、斷，iL繼續(xù)對C充電, iL=0時vC=vT=VTP=VCP PA，VC=VT經(jīng)L、電源、R放電至VD ，關(guān)斷軌跡為：CBMPA,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)2),斷態(tài)時，iT=0，VT=VC=VD，D0續(xù)流 開通過程：AF，rT，iT=iLIo的tri期間，D0仍導(dǎo)電，VT，C經(jīng)T、R放電，D截止，iT=Io時，工作點(diǎn)從AF,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)3),7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)4),開通過程中：FC，iT=Io時，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作點(diǎn)從FC,7.4.3 P

18、-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)5),無論通態(tài)、斷態(tài)vC都為VD，開關(guān)過程中vC變化也不大，僅在關(guān)斷過程中VT超過VD后，C才起作用限幅緩沖，廣泛應(yīng)用于IGBT的 DC/DC、DC/AC變換器,例題7.2,VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri=1S，確定開通關(guān)斷軌跡 解得：關(guān)斷時：M點(diǎn)，VTM=VCM=227.4V(不大，Poff小) P點(diǎn)，VTP=VCP=251.3V 開通時：F點(diǎn)，VTF=128V(很低，Pon小)，VCF=217.5V 電容電壓變化范圍?。?17.5-220-227.4V 開關(guān)管最高電壓僅251.3V(VD=220

19、V),7.5 電感（電抗器）、方波變壓器和脈沖變壓器,7.5.1 電感(電抗器) 7.5.2 方波變壓器,7.5.1 電感(電抗器),電路：電壓V克服電阻R產(chǎn)生電流I，V=R1I+R2I，R=l/Sc=l/Sc 磁路：磁壓F(NI)克服磁阻產(chǎn)生磁通，F(xiàn)(NI)=Rmo+Rmc，Rm=l/Sc,7.5.1 電感(電抗器） (續(xù)1),單位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麥克斯韋MX)，B(MX/cm2高斯GS) 按以上各式設(shè)計鐵芯電感,7.5.2 方波變壓器,Bm相同時，正弦電壓有效值高10 電壓相同時，正弦電壓的m，Bm可小10,例題7.3脈沖變壓器設(shè)計,VD=15V，R=50，鐵芯

20、Bm=10000GS時，m=1A/cm2，Br=5000，要求輸出脈沖電壓V=10V，脈寬T=200s 解：,圖7.17 脈沖變壓器及單邊磁化曲線,7.5.2 例題7.3脈沖變壓器設(shè)計(續(xù)1),負(fù)載電流：I2m=V2 / R=10/50=0.2A 磁化電流：im=Hmlc/N1=0.05A 負(fù)載電流折算至N1：I2m=i2mN2/N1=0.16A,選用直徑0.2mm導(dǎo)線：q=/40.22=0.0314 電流密度：j=i/q=5.5A/mm2 磁通單方向變化B=Bm-Br，利用率不高 若磁通雙向變化，則B=Bm-(-Bm)=2Bm，鐵芯利用率高23倍或SC，N可小23倍,圖7.17 脈沖變壓器及

21、 單邊磁化曲線,7.6 濾波器,7.6.1 濾波器功能、類型 7.6.2 LC濾波器的特性分析 7.6.3 諧振濾波器,7.6.1 濾波器功能、類型,電力電子變換中，開關(guān)管周期性通斷變換，輸出電壓是周期性，幅值為VD的脈波 DC/AC逆變電路的輸出電壓V2除基波V21外，還有高次諧波電壓V2h 輸出電流除了基波電流i21外，還有高次諧波電流i2h Lo感抗XL=2fhLo，fh高，XLh大 Co容抗Xc=1/2fhCo，fh高，XLc小,7.6.1 濾波器功能、類型(續(xù)1),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 使輸出電壓中VLh很小，負(fù)載中iLh很小 Lo、Co

22、對基波電壓電流的影響分析： 負(fù)載基波電流iL1在Lo上產(chǎn)生基波壓降 ，VL1在Co中產(chǎn)生基波電容電流流過Lo和開關(guān)管,7.6.1 濾波器功能、類型(續(xù)2),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(chǎn)生基波壓降 V1在C1中產(chǎn)生基波電容電流，流過L1及交流電源,7.6.1 濾波器功能、類型(續(xù)3),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(gòu)分：LC串、并聯(lián)濾波器和LC諧振濾波器(

23、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,7.6.2 LC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(shù)為：,幅頻特性,逆變器輸出濾波電路,7.6.2 LC濾波器的特性分析(續(xù)1),0越小(L0C0大)，諧波衰減量越大 諧振頻率越高，諧波衰減量越大,逆變器輸出濾波電路,幅頻特性,7.6.2 LC濾波器的特性分析(續(xù)2),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/V

24、2=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),7.6.2 LC濾波器的特性分析(續(xù)3),根據(jù)要求的LC濾波器對諧波的衰減系數(shù)，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可以得知相對頻率u及LoCo的諧振頻率 由此可設(shè)計LoCo 。,幅頻特性,逆變器輸出濾波電路,7.6.2 LC濾波器的特性分析(續(xù)4),1小(L1,C1大），諧波電流頻率越高，則Kih越小，Ish越小,7.6.2 LC濾波器的特性分析(續(xù)5),設(shè)計LC濾波器的一般要求： (1) 負(fù)載上的單次諧波電壓和總諧波電

25、壓降低到允許范圍內(nèi)；電源中單次諧波電流和總諧波電流降低到允許范圍內(nèi)。 (2) C0中的電流不過分增加開關(guān)器件的電流；C1的基波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(fù)載變化時開關(guān)電路輸入電壓波動不大，負(fù)載電壓波動不大。 (4) 濾波器LC電壓、電流的kVA值小，成本低、體積小、重量輕。,7.6.3 諧振濾波器,7.7 散熱系統(tǒng)(散熱器-風(fēng)冷、水冷、油冷),熱等效電路,Cj,Pi,CC,CS,120 ,0.06,0.03,0.04,P=500W,90 ,75 ,55 ,熱容量C： 溫度每升高 1度所需的 熱量焦耳值。 焦耳=瓦秒,7.7 例題7.4，散熱器尺寸選擇,例題7.4，散熱器尺寸選擇 開關(guān)管發(fā)熱功耗為500W，環(huán)境溫度55，要求結(jié)溫不超過120，結(jié)-殼之間的熱阻Rj c=0.06 ，殼-散熱器之間的熱阻Rcs=0.03 解：結(jié)-殼之間的溫差 jc= Rj cP=0.06500=3