現代電力電子技術2.ppt

1、GMXD2,第2章PWM直流變換電路,2.1概述2.2單象限降壓型電路2.3單象限升壓型電路2.4單象限隔離型電路2.5電流雙象限電路,GMXD2,2.1概述,2.1.1電力電子電路的分類2.1.2直流變換電路的分類2.1.3直流變換電路的基本用途,GMXD2,2.1.1電力電子電路的分類,所有電力電子電路均包含功率電路和控制電路兩部分，功率電路又稱主電路，它依靠功率器件的開關性能和電路結構實現電能變換；控制電路是根據采用的控制策略和工具對控制信號(含主控和反饋等信號)進行必要的加工處理以形成功率器件控制極信號，實現對電能的變換和控制。,GMXD2,2.1.2直流變換電路的分類,有些分類方法與

2、上節(jié)相同，如開關方式。功率器件和電路構成等，此處不再重復。 凡輸出電壓平均值低于其輸入電壓平均值的電路稱為降壓型電路；相反則稱為升壓型電路；若可降可升則稱為升/降壓型電路。,GMXD2,2.1.3直流變換電路的基本用途,1.直流調速電源2.開關電源,GMXD2,1.直流調速電源,傳統(tǒng)的直流調速電源由相控式整流電路構成，但存在深控下網側功率因數低，功率密度低和系統(tǒng)快速性差等缺點。PWM直流變換電路能夠克服相控電路存在的缺點。因而更適合于車輛電力傳動和各種伺服系統(tǒng)。,GMXD2,2.開關電源,小容量直流穩(wěn)壓電源的傳統(tǒng)形式是串聯線性型電源。這種電源存在效率低，體積大和可靠性差等缺點。由于采用開關頻率

3、較高的斬控開關方式，直流變換電路能克服傳統(tǒng)電源的缺點，成為廣泛應用的新型開關式直流穩(wěn)壓電源(簡稱開關電源)。,GMXD2,2.2單象限降壓型電路,2.2.1電路外特性分析2.2.2輸出濾波電路的參數選擇2.2.3PWM控制電路*2.2.4ZVS PWM BUCK電路,GMXD2,2.2單象限降壓型電路,圖2-1單象限降壓型電路a)電路結構b)等效電路c)CCM下的電量波形d)DCM下的電量波形e)帶直流電動機負載,GMXD2,2.2.1電路外特性分析,1.基本假定2.電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析3.電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,GMXD2,1.基本假定,電路中所有器件(包括全控型器件VT和二極管V

4、D，圖中VT符號將代表MOSFET、IGBT和GTR等全控型器件)均無慣性，因而開關狀態(tài)的更迭均瞬間完成，也即圖2-1b中等效開關S位置的轉換不需要時間。,GMXD2,2.電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,圖2-2降壓型電路的開環(huán)外特性=0， 0，CCM與DCM分界線,GMXD2,3.電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,當負載電流I0I時，電流iL斷續(xù)，電路由CCM狀態(tài)轉為DCM，其波形如圖2-1d所示。由圖可見，在t2tt3時區(qū)，電路中VT和VD均處斷態(tài)，即圖2-1b中開關S置1，負載所需電能依靠濾波電容儲能維持，按原設由于C0足夠大，在此時區(qū)中仍有u0U0，DCM狀態(tài)下負載電流平均值I0有,GMXD2,

5、第2章PWM直流變換電路,2.1概述2.2單象限降壓型電路2.3單象限升壓型電路2.4單象限隔離型電路2.5電流雙象限電路,GMXD2,2.2.2輸出濾波電路的參數選擇,1.濾波電感L0的選擇2.濾波電容C0的選擇,GMXD2,1.濾波電感L0的選擇,對于負載電流變化范圍很寬而IOM很低的場合，它將使裝置體積重量增加，功率密度下降，為此可在輸出端加接假負載以提高IOM，其代價是電路效率相應下降。 對于負載電流變化范圍很小或恒負載電流的應用場合，雖然電路可以工作于CCM狀態(tài)，功率密度也高，但電路的其他性能劣化：如電流脈動量增高，器件峰值電流IL增大和電壓脈動量U0增大(原因詳后)等。,GMXD2

6、,2.濾波電容C0的選擇,當C0值很大時，輸出電壓將近似于恒定，但C0值越大則裝置的體積和成本相應增大。因此實際設計時是根據容許的輸出電壓脈動量U0來確定C0值。,GMXD2,2.2.3PWM控制電路,1.單象限變換電路的一般控制結構2.用SG1525控制的直流不可逆調速系統(tǒng),GMXD2,1.單象限變換電路的一般控制結構,圖2-3PWM DCDC變換電路結構圖1直流電源2功率開關主電路3輸出濾波電路4負載5驅動電路6檢壓電路7電壓調節(jié)器8PWM信號生成電路9振蕩器10分相電路11電壓給定,GMXD2,1.單象限變換電路的一般控制結構,圖2-4IGBT不可逆直流調速系統(tǒng),GMXD2,1.單象限變

7、換電路的一般控制結構,圖2-5SG1525的內部結構圖1基準電壓源2振蕩電路3誤差放大器4APWM比較器4BPWM鎖存器5分相電路6輸出電路7欠電壓封鎖8組合門,GMXD2,2.用SG1525控制的直流不可逆調速系統(tǒng),圖2-6控制芯片SG1525的電量波形,GMXD2,*2.2.4ZVS PWM BUCK電路,圖2-7ZVS-PWM-BUCK電路a)主電路結構b)電量波形,GMXD2,*2.2.4ZVS PWM BUCK電路,圖2-8圖2-7b各時區(qū)的等效電路,GMXD2,2.3單象限升壓型電路,2.3.1電路外特性分析2.3.2考慮電路內阻r0時的工作情況分析*2.3.3ZCS PWM BO

8、OST電路,GMXD2,2.3單象限升壓型電路,圖2-9單象限升壓型電路a)主電路(=0)b)等效電路c)電量波形(CCM)d)電量波形(DCM)e)主電路(0),GMXD2,2.3.1電路外特性分析,1.電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析2.電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,GMXD2,1.電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,圖2-10單象限升壓電路的開環(huán)外特性,GMXD2,2.電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析,圖2-11 升壓型電路外特性,GMXD2,第2章PWM直流變換電路,2.1概述2.2單象限降壓型電路2.3單象限升壓型電路2.4單象限隔離型電路2.5電流雙象限電路,GMXD2,2.3.2考慮電路內阻r0時的工

9、作情況分析,圖2-12升壓電路的關系曲線,GMXD2,2.3.2考慮電路內阻r0時的工作情況分析,圖2-13內阻對波形的影響,GMXD2,*2.3.3ZCS PWM BOOST電路,圖2-14ZCS-PWM-BOOST電路a)主電路結構b)電量波形,GMXD2,*2.3.3ZCS PWM BOOST電路,圖2-15圖2-14b中各時區(qū)的等效電路,GMXD2,2.4單象限隔離型電路,2.4.1反激式電路(Flyback電路)2.4.2正激式電路(Forward電路),GMXD2,2.4.1反激式電路(Flyback電路),1.電流連續(xù)狀態(tài)的外特性分析2.電流為斷續(xù)時的外特性分析3.電路參數的選擇

10、4.控制電路示例,GMXD2,2.4.1反激式電路(Flyback電路),圖2-16單端反激式電路a)主電路結構b)CCM狀態(tài)下電量波形c)DCM狀態(tài)下電量波形,GMXD2,1.電流連續(xù)狀態(tài)的外特性分析,圖2-17圖2-16中多時區(qū)等效電路,GMXD2,2.電流為斷續(xù)時的外特性分析,圖2-18反激式電路的開環(huán)外特性,GMXD2,3.電路參數的選擇,電路設計應根據給定的數據(包括輸入電壓Ud、輸出電壓U0、輸出功率P0和電路效率等)來確定相應的器件開關容量、電路電感量以便選擇能夠勝任的元器件。,GMXD2,4.控制電路示例,圖2-19由芯片UC1840控制的單端反激式電路UC3705(Power

11、 MOSFET驅動電路),GMXD2,4.控制電路示例,2Z20.tif,圖2-20集成控制芯片UC1840的框圖1振蕩器2鋸齒波發(fā)生器3驅動開關4APWM比較器4BPWM鎖存器5基準電壓6信號處理電路7比較器8電壓調節(jié)器,GMXD2,2.4.2正激式電路(Forward電路),1.單管正激式電路2.單管正激式多重電路3.單管正、反激式電路4.雙管正激式電路5.雙管正激組合電路,GMXD2,1.單管正激式電路,圖2-21單端正激式電路a)主電路結構b)d)等效電路e)電量波形,GMXD2,2.單管正激式多重電路,圖2-22單管正激式兩相電路a)主電路結構b)電量波形,GMXD2,第2章PWM直

12、流變換電路,2.1概述2.2單象限降壓型電路2.3單象限升壓型電路2.4單象限隔離型電路2.5電流雙象限電路,GMXD2,4.雙管正激式電路,圖2-24雙管正激式電路,GMXD2,5.雙管正激組合電路,圖2-25雙管正激式兩重電路a)主電路結構b)電量波形,GMXD2,5.雙管正激組合電路,圖2-26圖2-25b中各時區(qū)的等效電路a)時區(qū)cb)時區(qū)d,GMXD2,2.5電流雙象限電路,2.5.1雙象限電路的分類2.5.2電流雙象限電路2.5.3緩沖電路2.5.4電流雙象限電路的應用示例,GMXD2,2.5.1雙象限電路的分類,1.電流雙象限電路 所謂電流雙象限電路指輸出電流平均值I0的幅值和極

13、性均隨控制電壓uS而變，但輸出電壓平均值U0的極性卻始終為正，將電動機儲能反饋回電源以節(jié)省電能。 2.電壓雙象限電路 所謂電壓雙象限電路是電路輸出電壓平均值U0的幅值和極性均隨控制信號uS而變，但輸出電流平均值I0卻始終為正，如卷揚機提升機構的電力拖動系統(tǒng)便屬于這一類。,GMXD2,2.5.2電流雙象限電路,1. I00的工作情況2. I00的工作情況3.輸出電流脈動量I0,GMXD2,2.5.2電流雙象限電路,圖2-27電流雙象限電路的電量波形a)主電路結構b)0c)=0d)0,GMXD2,2.5.3緩沖電路,1.電流雙象限電路的換流方式2.緩沖電路,GMXD2,1.電流雙象限電路的換流方式

14、,(1)臂內換流指同屬于一個導電臂器件間的電流轉移，如在t1時有VD2關斷而VT1相繼導通，VD1有ZCZVOFF，VT1有ZCZVON，顯然換流是在零電流條件下進行的，即便是半控型器件，換流也能自動完成，故稱自然換流。 (2)臂間換流指兩導電臂器件間的電流轉移，如在t2時的電流轉移，由于VT1關斷前正流過峰值電流I0m，為了維持負載電流i0連續(xù)，VD1開通后必須立即達到I0m，因此換流是在載流條件下進行，首先必須強制VT1中的電流下降為零。這種換流過程較為復雜，若處理不當便會出現關斷過電壓，稱為強制換流。,GMXD2,2.緩沖電路,圖2-28帶緩沖電路的電流雙象限電路a)主電路結構b)換流期

15、中的電量波形,GMXD2,2.緩沖電路,GMXD2,2.緩沖電路,圖2-30電路參數對U的影響,GMXD2,2.5.4電流雙象限電路的應用示例,1.電流雙象限電路在不可逆直流調速系統(tǒng)中的應用2.調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性3.電流雙象限電路在不間斷電源系統(tǒng)(UPS)中的應用,GMXD2,1.電流雙象限電路在不可逆直流調速系統(tǒng)中的應用,采用電流雙象限電路可構成不可逆直流調速系統(tǒng)，與單象限電路不同之處是系統(tǒng)可運行于第二象限，也即電動機具有正轉制動能力，在車輛拖動系統(tǒng)中，當減速、停車或行駛于下坡路況時具有較好的技術經濟性能。,GMXD2,2.調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性,圖2-31不可逆直流調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特

16、性,GMXD2,3.電流雙象限電路在不間斷電源系統(tǒng)(UPS)中的應用,圖2-32在線式不間斷電源系統(tǒng)a)系統(tǒng)框圖b)帶電流雙象限電路的UPS1公共交流電網2整流及濾波3逆變及濾波4A、4B靜止開關5負載6蓄電池,GMXD2,3.電流雙象限電路在不間斷電源系統(tǒng)(UPS)中的應用,圖2-33在線式UPS直流側電量波形,2.6電壓雙象限電路2.7單極性PWM四象限直流變換電路2.8雙極性PWM四象限電路,2.6電壓雙象限電路,2.6.1U00時的工作情況分析2.6.2U00時的工作情況分析2.6.3電壓雙象限電路在可逆直流調速系統(tǒng)中的應用,2.6.1U00時的工作情況分析,圖2-34電壓雙象限電路的

17、電量波形,2.6.1U00時的工作情況分析,圖2-35電壓雙象限電路的瞬時值等效電路,2.6.1U00時的工作情況分析,圖2-36不同工作象限下的平均值等效電路a)第一象限b)第二象限c)第三象限d)第四象限,2.6.2U00時的工作情況分析,U00時電量波形如圖2-34c所示，由圖可見，u=-US2，ug10，ug3為脈沖列，在時區(qū)C有ug3=0，VT1和VT3關斷，為維持i0連續(xù)，VD2和VD4正偏導通，等效電路如圖2-35c所示，由圖可見，u0=u，U20(當有源負載為電動機時，U2m,此時U2的極性和幅值均受控于u，當u0，U20。,2.6.3電壓雙象限電路在可逆直流調速系統(tǒng)中的應用,

18、1.負載特性2.可逆直流調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性3.下放中的調速過程,1.負載特性,在恒轉矩負載中，位能型負載是常見的一種，其轉矩MC具有固定的方向，不隨轉速方向而變(不計生產機械傳動損耗)，如圖2-37所示，各式起重機的提升機構具有這種負載特性，由于在重物提升和下放中需要采用不同速度，故需用調速電源，若由直流電動機驅動，則要求采用可逆直流調速電源。,2.可逆直流調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性,圖2-37 帶位能型負載的可逆直流調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性,3.下放中的調速過程,速度減量越大，相對應的電磁轉矩也越大。為避免在調速過程中出現過大電流沖擊以保證系統(tǒng)安全運行，必須在控制電路中設置自動電流限止環(huán)節(jié)，系統(tǒng)

19、最大電磁轉矩被限在M上，故實際的動態(tài)軌跡為S-X-Y-W。,2.7單極性PWM四象限直流變換電路,2.7.1四象限橋式直流變換電路的分類2.7.2同頻式單極性PWM全橋電路2.7.3倍頻式單極性PWM全橋電路,2.7.1四象限橋式直流變換電路的分類,圖2-38同頻式單極性PWM四象限直流變換電路a)主電路結構b)等效電路c)0時電量波形d)0時電量波形,2.7.2同頻式單極性PWM全橋電路,1.控制極電壓的時序分布2.電路工作原理3.輸出電流脈動量0的估算,1.控制極電壓的時序分布,當u0時U00，相反uS0有U00，可見VT2和VT3的開關反映輸出電壓U0的極性，當負載為電動機時，就反映電動

20、機的轉向；而由VT1VD和VT4VD4組成的上下臂則稱為斬波臂，其控制極信號ug1和ug4在相位上互補，開關周期為T，其脈寬DT決定于u的幅值。即輸出電壓U0的幅值。,2.電路工作原理,根據上述控制極電壓時序特點，全橋電路可用圖2-38b所示的電路等效，圖中用開關S代替方向臂，當u0時，S置a;當u0時，S置b。當S置a時與圖2-2a完全相同，也即當u0時，帶有源負載的單極性PWM四象限電路相當于輸出電壓U00的電流雙象限電路，可工作于第一和第二象限。,3.輸出電流脈動量0的估算,為簡單忽略等效內阻r0，在圖2-38c的DT時區(qū)中，有VT1和VT3導通，即U=uL+u2 即u=Ud-u2=Ud

21、-U0=D0Ud在r0=0時，u2U0=D,而u恒為正值D0Ud，故輸出電流i0在本時區(qū)線性上升，即提高開關頻率可抑制輸出電流脈動量。,2.7.3倍頻式單極性PWM全橋電路,1.控制極電壓的時序分布2.工作過程分析,2.7.3倍頻式單極性PWM全橋電路,圖2-39倍頻式單極性PWM全橋式四象限電路a)主電路b)信號生成c)0時電量波形d)=0時電量波形e)0時電量波形,1.控制極電壓的時序分布,VT2和VT3的開關反映輸出電壓U0的極性，當負載為電動機時，就反映電動機的轉向；而由VT1VD和VT4VD4組成的上下臂則稱為斬波臂，其控制極信號ug1和ug4在相位上互補，開關周期為T，其脈寬DT決

22、定于u的幅值。即輸出電壓U0的幅值。,2.工作過程分析,(1)uS0時的情況電路具有兩種工作模式，第一種是VT1和VT3導通(由于ug1和ug3均為高位)，輸出電壓u0d，輸出電流i0線性上升，負載從電源吸取能量；第二種工作模式是VT1、VD2(或VT3、VD4)導通，u0=0，負載電感釋放能量，負載電流i0下降。(2)uS=0時的情況(3)uS0的情況控制極電壓時序如圖2-38e，電路也有兩種工作模式：第一種是VT2和VT4導通，u0=-Ud，i0負向增長；第二種是VT2和VD1(或VT4和VD3)導通，u0=0，輸出電壓平均值U0=-DUd。,2.8雙極性PWM四象限電路,2.8.1電路工

23、作原理分析*2.8.2PWM四象限橋式電路在可逆直流調速系統(tǒng)中的應用,2.8雙極性PWM四象限電路,圖2-40雙極性PWM四象限電路a)半橋電路b)全橋電路c)電量波形,2.8.1電路工作原理分析,1.控制極電壓的時序分布2.輸出電流脈動量0的估算,1.控制極電壓的時序分布,圖2-41占空比D與控制電壓的關系曲線,2.輸出電流脈動量0的估算,在相同的電路條件下，單極性電路的電流脈動小，但在輕載下會出現電流斷續(xù)；雙極性電路的電流脈動大，但在輕載下不會出現電流斷續(xù)。,*2.8.2PWM四象限橋式電路在可逆直流調速系統(tǒng)中的應用,1.雙極性PWM四象限橋式電路的開環(huán)機械特性,逆直流調速系統(tǒng)帶反抗型負載

24、，其轉矩特性如圖2-42所示，反抗性負載轉矩是恒轉矩負載的一種常見形式，是由摩擦阻力產生的轉矩，故又稱摩擦轉矩，其特點是不管運動圖2-42帶摩擦型負載的雙極性PWM可逆。,1.雙極性PWM四象限橋式電路的開環(huán)機械特性,圖2-42帶摩擦型負載的雙極性PWM可逆直流調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性,1.雙極性PWM四象限橋式電路的開環(huán)機械特性,(1)UC1637的主要性能1)可用于單電源或雙電源電路。2)兩獨立輸出端能提供平均電流為100mA的PWM信號并與主電路直耦。3)PWM載波頻率為30kHz，由外接電阻電容值決定。4)設有限流和欠電壓封鎖等保護措施。(2)系統(tǒng)基本結構由圖2-43a可見，調速系統(tǒng)由全

25、橋式變換電路、直流電動機負載(他激式)、驅動電路和控制電路四個部分組成。(3)UC1637輸出級及MOSFET柵極驅動電路的工作原理分析由圖2-43可見，這兩部分電路直接耦合，因此一起分析比較方便。,1.雙極性PWM四象限橋式電路的開環(huán)機械特性,1)u1=0、u2=1的情況：即N1輸出處低位而N2輸出處于高位的狀態(tài)，于是VT1截止，電流IA流入VT2基極并使VT2導通，輸出端對電源中點O之間電壓u0d,于是圖2-43a中VT7截止而VT8導通，VF4柵荷沿T8釋放，VF4關斷；與此同時，VF1柵極因加上負柵壓Ud(經RA和T8)反向充電而轉為導通，橋左側輸出端a對O之間電壓ua0=d；與此同時，由于u2=1，VT4和VT6導通而VT5截止；ub0=-Ud，于是VT9導通，T10截止，VF2和VF3均加有正柵壓，因此VF