電力電子 - 華中科技大學(xué) - 第7章 輔助元器件和系統(tǒng)ppt課件

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）第第 7 7 章章輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng) 7 7 輔助元器件和系統(tǒng)輔助元器件和系統(tǒng)7.1 7.1 觸發(fā)控制器觸發(fā)控制器7.2 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 7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)7.4 7.4 緩沖器緩沖器 7.5 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 7.6 濾波器濾波器 7.7 7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng) 7.8 7.8 控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)小結(jié)小結(jié)q 電力電子變換器中，周期性地改變開關(guān)的

2、通、斷狀態(tài)，可電力電子變換器中，周期性地改變開關(guān)的通、斷狀態(tài)，可實現(xiàn)實現(xiàn)DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC電力變換和控制。電力變換和控制。q 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、過流過壓保護系統(tǒng)、緩沖器、件和系統(tǒng)，如觸發(fā)驅(qū)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。制系統(tǒng)等。q 本章介紹這些輔助元器件和系統(tǒng)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

3、例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q 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)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)動電壓動電壓(電流電流)，開通或關(guān)斷元器件，不同的開關(guān)器件，不同的，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。發(fā)驅(qū)動器可供選用。7.1 觸發(fā)控制器觸發(fā)控制器7.1.1 晶閘管晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器觸發(fā)驅(qū)動器7.1.2 GTO的觸發(fā)驅(qū)動器的觸發(fā)驅(qū)動器7.1.3 BJT的驅(qū)動器的驅(qū)動器7.1.4 P-MOSFE

4、T、IGBT的驅(qū)動器的驅(qū)動器圖圖7.1 7.1 有隔離變壓器的有隔離變壓器的SCRSCR驅(qū)動器驅(qū)動器q SCR只要求有脈沖電只要求有脈沖電流觸發(fā)其開通，脈沖電流觸發(fā)其開通，脈沖電流流Ig上升沿要陡，強觸上升沿要陡，強觸發(fā)數(shù)值要足夠大脈沖發(fā)數(shù)值要足夠大脈沖足以使足以使SCR立即開通）立即開通）7.1.1 晶閘管晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器觸發(fā)驅(qū)動器7.1.1 晶閘管晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器觸發(fā)驅(qū)動器(續(xù)續(xù)1)q 由發(fā)光二極管由發(fā)光二極管LED和光控晶閘管和光控晶閘管LAT組成組成q 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必須必須能承受電路的

5、高壓能承受電路的高壓q 快速光耦響應(yīng)時間可小于快速光耦響應(yīng)時間可小于1.5sq 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觸發(fā)器大都采用光纖電纜傳送驅(qū)動信號送驅(qū)動信號7.1.2 GTO的觸發(fā)驅(qū)動器的觸發(fā)驅(qū)動器 q 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(fù)值脈沖電流觸發(fā)其開通，負(fù)值脈沖電流-Ig使其關(guān)斷使其關(guān)斷q 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輸出輸出+ Ig觸發(fā)其開通，并使觸發(fā)其開通，并使C充電。充電。q 要關(guān)斷已處于通態(tài)的要關(guān)斷已處于通

6、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(guān)斷，關(guān)斷GTOiBtiB基本驅(qū)動電流波形基本驅(qū)動電流波形i ibfmbfmi ibrmbrmOFFBJT理想驅(qū)動條件及理想波形理想驅(qū)動條件及理想波形7.1.3 BJT的驅(qū)動器的驅(qū)動器q 基極驅(qū)動電流的波形：晶體管開通的瞬間，驅(qū)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入飽和多的前沿峰值電流，以保證晶體管迅速進入飽和狀態(tài)；狀態(tài)；q 基極電流的穩(wěn)態(tài)值：應(yīng)使晶體管處于飽和或臨

7、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；界飽和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗；q 驅(qū)動電流后沿加一個較大的負(fù)電流：以保證迅驅(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速地將晶體管b-eb-e之間的結(jié)間存儲電荷抽出，加之間的結(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)快關(guān)斷過程，降低開關(guān)損耗，并有利于提高開關(guān)頻率。頻率。q 基極驅(qū)動電路必須隔離，響應(yīng)快，波形不失真?；鶚O驅(qū)動電路必須隔離，響應(yīng)快，波形不失真。有過流或晶體管進入放大區(qū)工作的保護功能。有過流或晶體管進入放大區(qū)工作的保護功能。7.1.3 BJT的驅(qū)動器的驅(qū)動器(續(xù)續(xù)1) TR1TR2TR3R(

8、-)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(qū)驅(qū)動動器器Pq BJT要求有正值基極電流要求有正值基極電流+IB強觸發(fā)開強觸發(fā)開通，并要求有持續(xù)的較小的驅(qū)動電流，通，并要求有持續(xù)的較小的驅(qū)動電流，保持其通態(tài)。最好有保持其通態(tài)。最好有-IB使其關(guān)斷時間使其關(guān)斷時間縮短，有較小的負(fù)基極電流維持其可縮短，有較小的負(fù)基極電流維持其可靠的斷態(tài)靠的斷態(tài)q 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)+IGq 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(qū)動驅(qū)動BJTq 輸入端為高電平時，輸入端為高電平時，TR1斷，斷，TR3通

9、，通，C經(jīng)經(jīng)TR3放電，形成放電，形成BJT關(guān)斷所需的關(guān)斷所需的-iBOFFiBtONiB基本驅(qū)動電流波形基本驅(qū)動電流波形q 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(qū)動器，光耦驅(qū)動器TL1導(dǎo)通使導(dǎo)通使A點為高電點為高電位，經(jīng)位，經(jīng)R1使使T1導(dǎo)通，為導(dǎo)通，為BJT提供提供+IBq 當(dāng)當(dāng)P點無輸入信號時，點無輸入信號時，VP=0，光耦驅(qū)動，光耦驅(qū)動LT2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使A點為低電位，點為低電位，T2導(dǎo)導(dǎo)通，通，C經(jīng)經(jīng)T2、R2放電，為放電，為BJT提供關(guān)斷電流提供關(guān)斷電流-IBP 1T R 1T R 2P 2*B JT( + )( - ) 有有隔隔離離變變壓壓器器的

10、的B J T 驅(qū)驅(qū)動動器器7.1.3 BJT的驅(qū)動器的驅(qū)動器(續(xù)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)動器的驅(qū)動器(續(xù)續(xù)3)7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驅(qū)動器的驅(qū)動器 一般選取正一般選取正UGE=1215V，關(guān)斷過程中，為盡快使柵關(guān)斷過程中，為盡快使柵極輸入電容放完電，并將極輸入電容放完電，并將P-MOSFET或或IGBT置于反置于反偏的最大安全工作區(qū)，應(yīng)偏的最大安全工作區(qū)，應(yīng)施加一負(fù)偏壓施加一負(fù)偏壓UGE，但它，但它受受IGBT的的GE間最大反向間最大反向耐壓限制，一般取耐壓限制，一

11、般取-2-10V7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驅(qū)動器的驅(qū)動器(續(xù)續(xù)1)q P-MOSFET、IGBT等都是電壓型驅(qū)等都是電壓型驅(qū)動器件，要求有持續(xù)的電平動器件，要求有持續(xù)的電平+VG使其開使其開通并保持其通態(tài)；通并保持其通態(tài)；q 關(guān)斷時最好加持續(xù)的負(fù)電平關(guān)斷時最好加持續(xù)的負(fù)電平-VG，并，并維持其可靠的斷態(tài)維持其可靠的斷態(tài)q P有正信號輸入時，有正信號輸入時，AM截止，開通截止，開通P-MOSFET；P=0時，時， AM開通，開通，C放電，放電，P-MOSFET截止截止7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器的驅(qū)動器(續(xù)續(xù)2)q P有正信號輸入時，放大器輸出A點正電位使T1導(dǎo)

12、通，P-MOSFET開通，并保持通態(tài)q P無信號輸入時，A點為負(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 過電流保護和過電壓保護過電流保護和過電壓保護7.2.1 7.2.1 過電流保護過電流保護7.2.2 7.2.2 過電壓保護過電壓保護7.2.3 7.2.3 開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護7.2.1 過電流保護過電流保護q 可同時采用多種過流(過載、短路)維護，各盡所能協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)可靠地選擇性保護。q 電子保護：動作閾值高，延時小，封鎖脈沖，停機q 快速熔斷器：既可作短路保護又可作過載保護q SCR被觸

13、發(fā)導(dǎo)通，燒斷熔斷器，切斷電路q 開關(guān)管設(shè)死區(qū)延時開通，防止直通7.2.2 過電壓保護過電壓保護q 避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓q 設(shè)置設(shè)置Co，抑制操作開關(guān)，抑制操作開關(guān)S通、斷時過電壓通、斷時過電壓q 線路上并接線路上并接RC過電壓緩沖器過電壓緩沖器q 線路上并接壓敏電阻線路上并接壓敏電阻RVq 用緩沖器抑制開關(guān)管通、斷時的過電壓用緩沖器抑制開關(guān)管通、斷時的過電壓7.2.3 開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護q 開關(guān)管并聯(lián)使用時要均流開關(guān)管并聯(lián)使用時要均流串串Lq P-MOS管通態(tài)電阻管通態(tài)電阻rT溫度系數(shù)為溫度系數(shù)為正正(溫度高，溫度高

14、，rT大大)開關(guān)管并聯(lián)自動開關(guān)管并聯(lián)自動均流。均流。BJT的的rT溫度系數(shù)為負(fù)，不溫度系數(shù)為負(fù)，不宜并聯(lián)使用。宜并聯(lián)使用。IGBT大電流時，大電流時，rT溫度系數(shù)為正。溫度系數(shù)為正。q 開關(guān)管串聯(lián)使用時要均壓開關(guān)管串聯(lián)使用時要均壓并并RCq 取取R11=R12遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于rT1、rT2穩(wěn)壓均穩(wěn)壓均壓壓q 取取R13=R14，C13=C14動態(tài)均壓動態(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)開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)7.3.1 7.3.1 線路電感線路電感L=0L=0時開關(guān)器件的開通關(guān)斷過程時開關(guān)器件的開通關(guān)斷過程7.3.2 7.3.2 線路電感線路電感L0L0時開通、關(guān)斷過程

15、時開通、關(guān)斷過程7.3.3 7.3.3 安全工作區(qū)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)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點通態(tài)：有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C點7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)續(xù)開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)續(xù)2）q 開通：斷態(tài)通態(tài)，rT從 0，iT從0線性上升至Io，VT從VD I0q 關(guān)斷：通態(tài)斷態(tài)，rT從0 ，iT從Io線性下降至0，VT從0 VDq

16、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(guān)斷過程中工作點從關(guān)斷過程中工作點從C如何過渡到如何過渡到A？qVT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(guān)管的并聯(lián)電容及開關(guān)管的并聯(lián)電容C7.3 開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)續(xù)開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)續(xù)3）q 無串聯(lián)電感時：q 開通過程：ABC(高壓下電流上升AB，負(fù)載電流下電壓下降BC）q 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） q 有串聯(lián)電感時：q 開通過程AQEC，比ABC好q 關(guān)斷

17、過程CBHPA，比CBA差fvrionttt7.3.1 線路電感線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程7.3.1 線路電感線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程續(xù)時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程續(xù)1）q 有有+VG后延時后延時td，rT從從0，有，有-VG，經(jīng)存儲時間，經(jīng)存儲時間trv，rT 從從0 q 開通：開通：rT，iT Io之前，之前，D仍導(dǎo)電，仍導(dǎo)電，VT=VDq 在在tri期間期間it Io，D仍導(dǎo)電，仍導(dǎo)電，VTVD，AB。q 以后，在以后，在tfv期間，期間，iT=Io，D截止，截止，rT，VT 0，BCq 關(guān)斷：關(guān)斷：rT，在，在trv期間期間VT VD，D仍截止，仍

18、截止，iT Io，CBq 以后，在以后，在tfi期間期間VT=VD，D導(dǎo)電，導(dǎo)電，rT，iT 0，BA7.3.1 線路電感線路電感L=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程續(xù)時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程續(xù)2）q 開通電流開通電流iT上升期：上升期：q iT=Iot / tri (7-1)q 關(guān)斷電流關(guān)斷電流iT下降期：下降期：q iT=Io(1-t /tfi ) (7-2)q 若認(rèn)為若認(rèn)為vT在開通關(guān)斷過程中也呈線性變化在則：在開通關(guān)斷過程中也呈線性變化在則： firvoffttt011( )22o nto n sTTDO r i fv sDO o n sP f vid t VI t t f VIt f offt

19、soffODsfirvODTTsoffftIVfttIVdtivfP021)(21（7-5）（7-6）7.3.2 線路電感線路電感L 0時開通、關(guān)斷過程時開通、關(guān)斷過程p開通：斷態(tài)時，開通：斷態(tài)時，VT=VD，iT=0。工。工作點為作點為A，有，有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期間上升時，期間上升時，D仍在仍在導(dǎo)電，導(dǎo)電，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri=VQVD時，時，D導(dǎo)電導(dǎo)電iT線性減小，線性減小，q vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作，工作點立即從點立即從BH，在，在iT從從Io 0期間工作期間工作點從點從HP，一旦，

20、一旦iT=0，工作點從，工作點從PA(iT=0，VT=VD)7.3.3 安全工作區(qū)安全工作區(qū)q L=0時，開通軌跡ABC，關(guān)斷軌跡CBAq L 0時，開通軌跡AQEC，關(guān)斷軌跡CBHPAq L改善了開通軌跡，惡化了關(guān)斷軌跡q 安全工作區(qū)：q VTVCEP，KJ線左側(cè)q iTICM，NM線下方q Pt=VTiT，功率限制線左下側(cè)7.4 緩沖器緩沖器7.4.1 7.4.1 全控型開關(guān)管全控型開關(guān)管LCRDLCRD復(fù)合緩沖器復(fù)合緩沖器7.4.2 7.4.2 電力二極管、晶閘管的電力二極管、晶閘管的RCRC緩沖器緩沖器7.4.3 P-MOSFET7.4.3 P-MOSFET、IGBTIGBT的限幅箝位

21、緩沖器的限幅箝位緩沖器7.4.1 全控型開關(guān)管全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器復(fù)合緩沖器q 緩沖電路由緩沖電路由Ls、Cs、Ds、Rs組成，組成，T用于全控型開關(guān)用于全控型開關(guān)管管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。q 串聯(lián)電感串聯(lián)電感Ls用于開通緩沖用于開通緩沖vT，類似于線路電感，類似于線路電感L 0時的開通過程，開通軌跡為圖時的開通過程，開通軌跡為圖7.12(C)中的中的AQEC，開，開通時通時iT，使，使VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo /tri=VQVDCTCTci dttvvtfif fi iD DS SS SD DD Dt t 0 0f fi io o1 1V VV VV

22、 V臨臨界界關(guān)關(guān)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 A7.4.1 全控型開關(guān)管全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器復(fù)合緩沖器(續(xù)續(xù)1)q 并聯(lián)電容Cs用于關(guān)斷緩沖vTq 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( )C CT To oS Sf f i iD DD D2 2I It tC C t t， v v v vV V, , 工工 作作 點點 從從 C C A A

23、t tf f i i2 2 V VCTCTcidttv vtfif fi iDDS SS SDDDDt t 0 0f fi io o1 1V V V VV V臨臨 界界 關(guān)關(guān) 斷斷 緩緩 沖沖C C2 2I I( () )則則 C Ct t， V V2 2 V V工工 作作 點點 從從 C C A A7.4.1 全控型開關(guān)管全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器復(fù)合緩沖器(續(xù)續(xù)2)22002/ 1/ 1ssssCRCLq 以后，以后，T已關(guān)斷，已關(guān)斷，iL繼續(xù)對繼續(xù)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=VC

24、EP經(jīng)經(jīng)RS對電源放電，使對電源放電，使iC=iR0。VC=VT=VD，q關(guān)斷軌跡為關(guān)斷軌跡為CAPA。20SC E PDmmoDmSVVVVeVVaLIC ，CTCTci dttvvtfif fi iDDS SS SDDDDt t 0 0f fi io o1 1V VV VV V臨臨 界界 關(guān)關(guān) 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 Ar r v vf f i i關(guān)關(guān)斷斷損損耗耗：無無關(guān)關(guān)斷斷緩緩沖沖時時：若若t tt t，則則o o f f f ff f i it tt t o o f f f fs sT

25、TT Ts sT TT TDDo of f i is s0 00 0 o o f f f fo o f f f f1 1P Pf fi iv vd d t tf fi iv vd d t tV VI It tf f1 1 2 2P PP P/ / 1 1 2 2o o f f f ft to o f f f fs sT TT TD DO Oo o f f f fs s0 01 1P Pf fv vi id d t tV VI It tf f2 2圖7 . 1 3復(fù)合緩沖器TiCMImaxCPoICEQOAPDVCEPVCEOVTVQV( c ）開關(guān)軌跡CASLTiDVTDi+-SCSRSDEO

26、RiSiCiCvLiTvOD( a ）電路RLfLoVfCovofIioI( b ）開通關(guān)斷過程波形圖開通通態(tài)關(guān)斷斷態(tài)開通斷態(tài)1t2t3t4t5t6t7tpt8t21t22t23tTrTvGvTioIDVQVdtr itf vtfitTiGvTvstCEPVCtifoSLStILV/Tv24tDV7.4.1 全控型開關(guān)管全控型開關(guān)管LCRD復(fù)合緩沖器復(fù)合緩沖器(續(xù)續(xù)3)例題例題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，R

27、s=40，求開關(guān)損耗并畫出 開關(guān)軌跡。CTCTci dttvvtfif fi iD DS SS SD DD Dt t 0 0f fi io o1 1V VV VV V臨臨界界關(guān)關(guān)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 A7.4.2 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q由上例，串聯(lián)電感由上例，串聯(lián)電感Ls(開通緩開通緩沖沖)對減少開通損耗作用不大，對減少開通損耗作用不大，同時同時Ls使關(guān)斷時使關(guān)斷時VT增大到增大到VCEP(超過超過VD 50)，為了，為了簡化緩沖電路，常不引入串聯(lián)簡化緩沖電路，常不引入串

28、聯(lián)電感電感Ls，這時圖，這時圖7.12(a)變?yōu)樽優(yōu)?.13(a)q圖圖7.13(a)所示所示R、C、D緩沖緩沖電路常用于保護晶閘管電路常用于保護晶閘管q圖圖7.13(a)再取消再取消DS，僅有，僅有RS、CS的緩沖電路常用于保護電的緩沖電路常用于保護電力二極管力二極管7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器q 關(guān)斷過程：q rt，在vT從0 VD期間D0、D仍反偏截止， iL=iT=Io，工作點從CBq vT略大于VD后，D0導(dǎo)電，iT 0的tfi期間，iC使C充電，VC=VT，D導(dǎo)電Ti0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt

29、可求得： 時工作點從l通態(tài)時，iL=iT=Io，D0、D截止，C充電到VC=VD7 . 1 4 ( ) :0 ,2 ( 1 c o s )LOT P C P Do f if iL Id iV V Vtt 由圖 時7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)1)q CB q BMq MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T關(guān)斷，iL繼續(xù)對C充電, iL=0時vC=vT=VTP=VCPq PA，VC=VT經(jīng)L、電源、R放電至VD ，關(guān)斷軌跡為：CBMPATi0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從7.4.

30、3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)2)q 斷態(tài)時，iT=0，VT=VC=VD，D0續(xù)流q 開通過程：AF，rT，iT=iL Io的tri期間，D0仍導(dǎo)電，VT，C經(jīng)T、R放電，D截止，iT=Io時，工作點從AF07.14e(1)(1)11(1)1(1)R2,riRtOLLTTFDDriRtOLDriRooLCCFDcDriRooLDririt tt tririttriritriLIdiV VVLVedttLIVetLILILVVVidt VeCRC RC R tLILILVeRC RC R tLtCT0T由 圖 （） 得 到 i從 0 I時 的 v:由 于 阻

31、 尼 放 電 電 阻在 期 間 ，DCFDC VVV從 放 電 很 少 ， 僅 略 小 于Ti0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)3)07.14e(1)(1)11(1)1(1)R 2,riRtOLLTT FDDriRtOLDriRooLCC FDcDriRooLDririt tt tririttriritriL IdiV VV LVedttL IVetL IL ILV VVidt VeCR C R C R tL IL ILVeR C R C R tLtC T0T

32、由 圖 （） 得 到 i從 0 I時 的 v:由 于 阻 尼 放 電 電 阻在 期 間 ，DC FDC VVV從 放 電 很 少 ， 僅 略 小 于7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)4)q 開通過程中：FC，iT=Io時，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作點從FC000 0000000 0000000/0 .4 1 .2 610 .41 .2 6/ccc ccc ccccccccccllBBF N IllN I H l H lssN IN IN IBlll lllN IN IBl ll l 導(dǎo)鐵 對導(dǎo)空空 氣氣 中中 的的 磁磁率

33、率 ：心心 相相磁磁率率 ：Ti0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器的限幅箝位緩沖器(續(xù)續(xù)5)q 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Ti0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從例題例題7.27.2VD=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

34、：M點，VTM=VCM=227.4V(不大，Poff小) P點，VTP=VCP=251.3V 開通時：F點，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=220V)Ti0(1cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 時工作點從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7.5.1 7.5.1 電感電感( (電抗器電抗器) )7.5.2 7.5.2 方波變壓器方波變壓器7.5.1 電感電感(電抗器電抗器)q 電路：電壓V克服電阻

35、R產(chǎn)生電流I，V=R1I+R2I，R=l/Sc=l/Scq 磁路：磁壓F(NI)克服磁阻產(chǎn)生磁通，F(xiàn)(NI)=Rmo+Rmc，Rm=l/Sc7.5.1 電感電感(電抗器）電抗器） (續(xù)續(xù)1)q 單位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麥克斯韋MX)，B(MX/cm2高斯GS)q 按以上各式設(shè)計鐵芯電感8 -8 -028 -8 -000101026110102612614 0 CccccNSLIBlSNBINSINLlNIl lNIl lNIB././.又又，8 -8 -028 -8 -000101026110102612614 0 CccccNSLIBlSNBINSINLlNIl lN

36、Il lNIB././.又又，8 -8 -028 -8 -000101026110102612614 0 CccccNSLIBlSNBINSINLlNIl lNIl lNIB././.又又， 磁磁 鏈鏈 ：方方 波波 電電 壓壓 ：正正 弦弦 電電 壓壓 ：mm 1 1 mm 1 1 mm c c8 88 88 8mmmmc c1 11 18 88 8mmmmmm mmc cmm8 81 11 11 1 mmc c N N N NB BS S2 2 1 1 0 0d d ( (t t ) )V VE E1 1 0 04 4 f fN N B B S S1 1 0 0d d t tT T / /

37、 2 2 s s i in n t t ， V V 1 1 0 0 2 2 f f N N B B S S1 1 0 0V VV VE E4 4 . .4 4 4 4 f fN N B B S S1 1 0 02 27.5.2 方波變壓器方波變壓器qBm相同時，正弦電壓有效值高10q電壓相同時，正弦電壓的m，Bm可小10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 ：8 88 8D D1 11 1c c1 1mmr rc c2 2c cc c8 86 68 8D D1 1c c2 22 21 11 11 1 mmmmC CmmC Cmm1

38、 1d d V V1 10 01 10 0d dt t t t N N N N S SN N B BB BS SS S0 0. .5 5c cmml l6 6c cmmV VT T 1 10 01 15 5 2 20 00 0 1 10 01 10 0N N1 12 20 0 B B S S( (1 10 00 00 00 0 5 50 00 00 0) ) 0 0. .5 5V VN N1 1. .2 2N N9 96 6V VN Ni iH H l lH H l l1 1 6 6i i0 0. .0 05 5N N1 12 20 0例題例題7.3脈沖變壓器設(shè)計脈沖變壓器設(shè)計VD=15V，R

39、=50，鐵芯Bm=10000GS時，m=1A/cm2，Br=5000，要求輸出脈沖電壓V=10V，脈寬T=200s 解： 2 2 2 22 22 2mm 2 2 mm1 1i ii ii i 0 0 . . 1 1 6 6 0 0 . . 0 0 5 5 0 0 . . 1 1 7 7 A A圖7.17 脈沖變壓器及單邊磁化曲線7.5.2 例題例題7.3脈沖變壓器設(shè)計脈沖變壓器設(shè)計(續(xù)續(xù)1)q 負(fù)載電流：I2m=V2 / R=10/50=0.2Aq 磁化電流：im=Hmlc/N1=0.05Aq 負(fù)載電流折算至N1：I2m=i2mN2/N1=0.16A選用直徑選用直徑0.2mm導(dǎo)線：導(dǎo)線：q=/

40、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23倍倍圖7.17 脈沖變壓器及單邊磁化曲線7.6 濾波器濾波器7.6.1 7.6.1 濾波器功能、類型濾波器功能、類型7.6.2 LC7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析7.6.3 7.6.3 諧振濾波器諧振濾波器7.6.1 濾波器功能、類型濾波器功能、類型q 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

41、VD的脈波q 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V2hq 輸出電流除了基波電流i21外，還有高次諧波電流i2hq Lo感抗XL=2fhLo，fh高，XLh大q Co容抗Xc=1/2fhCo，fh高，XLc小7.6.1 濾波器功能、類型濾波器功能、類型(續(xù)續(xù)1)q 諧波電壓V2h幾乎全部壓降在Lo上q 諧波電流I2h幾乎全部流入Coq 使輸出電壓中VLh很小，負(fù)載中iLh很小q Lo、Co對基波電壓電流的影響分析：q 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、類型濾波器功能、類型(續(xù)續(xù)2)q AC

42、/DC整流電路輸入電流i1除基波電流i11外，還有諧波i1hq L1對諧波電流阻抗大，C1對諧波電流阻抗小q I11中的諧波電流幾乎全部流入C1，使電源電流isis1q L1、C1對基波電壓電流的影響分析：q 基波電流is1在L1上產(chǎn)生基波壓降q 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、類型濾波器功能、類型(續(xù)續(xù)3)q 濾波器類型：q 按放置位置分：輸入濾波器、輸出濾波器、中間濾波器q 按電路架構(gòu)分：LC串、并聯(lián)濾波器和LC諧振濾波器(7.6.3節(jié))q 中間濾波器：L2、C2的輸入輸出都是直流q 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

43、壓q 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濾波器的特性分析濾波器的特性分析q 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：ooooooL L、C C濾濾波波器器的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)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(shù)數(shù)：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0R R S SC CR R 1 1/ /S SC Cv v1 1( (S S) )R R S SC CS SS Sv vS SL L2 2 1 1R R 1 1/

44、/S SC C 1 1 L LC CL L / /C C L L1 1 2 2R R2 2R R 2 2L L2 20 00 00 0v v / /v v1 1/ /( ( u uj j 2 2 u u 1 1) ) u u L L 1 1 C C 相相 對對 頻頻 率率 ：幅頻特性逆變器輸出濾波電路 v v L L 2 2相相 對對 頻頻 率率 ：阻阻 尼尼 系系 數(shù)數(shù) ：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 2 2 22 22 20 0 0 00 00 0 0 00 00 02 20 00 00 0 0 02 2L L

45、2 20 0v v1 1v v( ( ) )/ / v v( ( ) ) 1 1 / / ( ( u u j j 2 2 u u 1 1 ) )u uv v（ 1 1u u） （ 2 2 u u ） u u L LC C 1 1 L L R R L L/ / C C 2 2 R R2 2u u 1 1 , , 1 1 L LC C v v/ / v v ( ( ) )7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析(續(xù)續(xù)1)q 0越小(L0C0大)，諧波衰減量越大q 諧振頻率越高，諧波衰減量越大oooooo L L、 C C濾濾 波波 器器 的的 傳傳 遞遞 函函 數(shù)數(shù)L L、 C C濾濾 波

46、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(shù)數(shù) ：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 00 00 00 00 0 0 00 00 00 0 0 0R RS S C CR R 1 1 / / S S C Cv v1 1( (S S ) )R RS S C CS SS Sv vS S L L2 2 1 1R R 1 1 / / S S C C 1 1 L LC CL L/ / C C L L1 1 2 2R R2 2 R R逆變器輸出濾波電路幅頻特性 v v L L 2 2相相 對對 頻頻 率率 ：阻阻 尼尼 系系 數(shù)

47、數(shù) ：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 2 2 22 22 20 0 0 00 00 0 0 00 00 02 20 00 00 0 0 02 2L L2 20 0v v1 1v v( ( ) )/ / v v( ( ) ) 1 1 / / ( ( u u j j 2 2 u u 1 1 ) )u uv v（ 1 1 u u） （ 2 2 u u ） u u L LC C 1 1 L L R R L L/ / C C 2 2 R R2 2u u 1 1 , , 1 1 L LC C v v/ / v v ( ( ) )

48、7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析(續(xù)續(xù)2)q 幅頻特性物理說明：q u=/0=10，=0時，VL/V2=0.01，衰減40dBq u=/0=5，=0時，VL/V2=0.0416，衰減27.6dBq u=/0=5，=0.5時，VL/V2=0.0408，衰減27.8dBq 相頻特性：q u=/0=1，VL滯后V2 90(公式7-69) 210u 空 載 時L L2 2 2 22 22 20 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 00 0v v1 1u uv v（ 1 1u u） （ 2 2 u u ）u u L LC C， L LC C u u / / 1 1 L L R

49、 R L L/ / C C 2 2 R R2 2相相 對對 頻頻 率率 ：阻阻 尼尼 系系 數(shù)數(shù) ：oooooo L L、 C C濾濾 波波 器器 的的 傳傳 遞遞 函函 數(shù)數(shù)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(shù)數(shù) ：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 00 00 00 00 0 0 00 00 00 0 0 0R RS S C CR R 1 1 / / S S C Cv v1 1( (S S ) )R RS S C CS SS Sv vS S L L2 2 1 1R R 1 1 /

50、 / S S C C 1 1 L LC CL L/ / C C L L1 1 2 2R R2 2 R R v v L L 2 2相相 對對 頻頻 率率 ：阻阻 尼尼 系系 數(shù)數(shù) ：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 2 2 22 22 20 0 0 00 00 0 0 00 00 02 20 00 00 0 0 02 2L L2 20 0v v1 1v v( ( ) )/ / v v( ( ) ) 1 1 / / ( ( u u j j 2 2 u u 1 1 ) )u uv v（ 1 1 u u） （ 2 2 u u

51、） u u L LC C 1 1 L L R R L L/ / C C 2 2 R R2 2u u 1 1 , , 1 1 L LC C v v/ / v v ( ( ) )7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析(續(xù)續(xù)3)00 0(1/)LCq根據(jù)要求的根據(jù)要求的LC濾波器對諧波濾波器對諧波的衰減的衰減系數(shù)，如系數(shù)，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(shè)計由此可設(shè)計LoCo 。11:l hi hLCiK 對諧波電流的衰減率s s h hc c 1 1i i h h2 2l l h hc c 1 1L

52、L1 11 11 11 11 12 21 11 11 11 11 11 11 12 2s s h h1 1i i h hl l h hI IZ Z1 11 11 1K KI IZ ZZ ZC CL L1 1C CL LC C1 1L LC C的的諧諧振振頻頻率率1 1L LC C時時，L LC C1 1I IK KI IooooooL L 、C C 濾濾波波器器的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)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(shù)數(shù)：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0

53、R 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幅頻特性逆變器輸出濾波電路 v v L L 2 2相相 對對 頻頻 率率 ：阻阻 尼尼 系系 數(shù)數(shù) ：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 2 2 22 22 20 0 0 00 00 0 0 00 00 02 20 00 00 0 0 02 2L L2 20 0v v

54、1 1v v( ( ) )/ / v v( ( ) ) 1 1 / / ( ( u u j j 2 2 u u 1 1 ) )u uv v（ 1 1u u） （ 2 2 u u ） u u L LC C 1 1 L L R R L L/ / C C 2 2 R R2 2u u 1 1 , , 1 1 L LC C v v/ / v v ( ( ) )7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析(續(xù)續(xù)4)q 1小(L1,C1大），諧波電流頻率越高，則Kih越小，Ish越小8 -8 -028 -8 -000101026110102612614 0 CccccNSLIBlSNBINSINLlNI

55、l lNIl lNIB././.又又，7.6.2 LC濾波器的特性分析濾波器的特性分析(續(xù)續(xù)5)q 設(shè)計LC濾波器的一般要求：q (1) 負(fù)載上的單次諧波電壓和總諧波電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)。q (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。q (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。q (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 諧振濾波器諧振濾波器差差發(fā)發(fā)散散單單位位熱熱功功率率的的溫溫度度熱熱阻阻熱熱流流功功率率有有熱熱歐歐姆姆定定律律：溫溫度度差差單單位位電電流流的的電電壓壓差差，電電阻阻電電流流對對應(yīng)應(yīng)PRRPIVRRIV/7.7 散熱系統(tǒng)散熱系統(tǒng)(散熱器散熱器-風(fēng)冷、水冷、油冷風(fēng)冷、水冷、油冷) 環(huán)境環(huán)境A A管殼管殼C C器件管芯器件管芯PNPN結(jié)結(jié)J J帶散熱器的開關(guān)器件帶散熱器的開關(guān)器件功功耗耗發(fā)發(fā)熱熱空空氣氣介介質(zhì)質(zhì)散散熱熱器器管管殼殼半半導(dǎo)導(dǎo)