電力電子技術(shù)課件2、AC-DC

1、第第2章章. AC/DC變換（整流變換）變換（整流變換）2.1 ( (傳統(tǒng)傳統(tǒng)) )相控整流電路相控整流電路（Rectifier） 目目 的：將的：將AC可調(diào)可調(diào)DC。主要類型：相控、斬控（主要類型：相控、斬控（PWM整流）。整流）。i2ThZTu1u2i0u0Th1ZTu1u2i21u0u2Th2i22i0Th1Zu1u2i2u0Th2i0TTh3Th4Th1Zu1u2i2u0D1i0TTh2D2Th1Zu1u2i2u0Th2i0TD1D2DTh1ZuAuBu0i0TTh4Th3Th6Th5Th2uCabc單相單相三相橋式三相橋式2022-3-3112.1 ( (傳統(tǒng)傳統(tǒng)) )相控整流電路相

2、控整流電路Th1Zu0i0Th4Th3Th6Th5Th2uauaubucubuabuacucbubauabucaubcuacuabuacucbubauabucaubcuac26 1211u0iTh1uGuTh1uo60 1665544332三相橋式三相橋式雙反星型雙反星型(低壓大電流低壓大電流)改變觸發(fā)脈沖位置改變觸發(fā)脈沖位置(出發(fā)角出發(fā)角)改改變輸出整流電壓大小。變輸出整流電壓大小。觸發(fā)脈沖形式：觸發(fā)脈沖形式：寬脈沖脈寬寬脈沖脈寬(70-80o，不多用不多用);雙窄脈沖雙窄脈沖(寬約寬約 20o相隔相隔60o強(qiáng)觸強(qiáng)觸);高頻脈沖列高頻脈沖列(常為常為10k左右左右, 省去省去強(qiáng)觸強(qiáng)觸, 可靠

3、可靠、數(shù)字觸發(fā)數(shù)字觸發(fā))。功率因素功率因素cos, 直流脈動(dòng)直流脈動(dòng)6f0, 網(wǎng)側(cè)諧波奇次網(wǎng)側(cè)諧波奇次, 大小大小隨隨而而。 有源逆變有源逆變: + =180o, 一般一般 min30o(考慮重疊角等考慮重疊角等)TuAuBuC1 3 5 4 6 2* * * * * * *a b ca b c多相整流多相整流(12、18、36相相) 多重化：多重化：多組三相橋串多組三相橋串(并并)獲取高壓獲取高壓(大電大電流流) 輸出輸出、低直流脈動(dòng)低直流脈動(dòng)、低網(wǎng)側(cè)諧低網(wǎng)側(cè)諧波波順序控制順序控制: 輸出分為多段輸出分為多段, 不不同段投入不同組同段投入不同組, 使使不致過(guò)大進(jìn)不致過(guò)大進(jìn)一步減小諧波影響。一

4、步減小諧波影響。2022-3-3122.1 ( (傳統(tǒng)傳統(tǒng)) )相控整流電路相控整流電路2.1.2 相控相控( (傳統(tǒng)傳統(tǒng)) )整流的主要缺陷整流的主要缺陷1. 網(wǎng)側(cè)功率因素低、諧波大網(wǎng)側(cè)功率因素低、諧波大相控整流電路功率因素：相控整流電路功率因素： cos 角。控制觸發(fā)基波電流因子)( ; II1尤其深控，尤其深控， 較大較大 cos ， (諧波增加諧波增加) 降低。降低。2. 閉環(huán)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié) SCR導(dǎo)通后失控導(dǎo)通后失控, 相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間相隔：?jiǎn)蜗鄻蚴诫娐废噜弮蓚€(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間相隔：?jiǎn)蜗鄻蚴诫娐?0ms, 三相橋三相橋式式3.3ms, 時(shí)滯在時(shí)滯在010ms

5、(3.3ms)之間隨機(jī)分布之間隨機(jī)分布; 為了抑制輸出端紋波為了抑制輸出端紋波, 一般帶一般帶有較大輸出濾波電容電感有較大輸出濾波電容電感電路難以對(duì)擾動(dòng)做出快速反應(yīng)。電路難以對(duì)擾動(dòng)做出快速反應(yīng)。 相控方式本身難以克服上述缺點(diǎn)。相控方式本身難以克服上述缺點(diǎn)。解決之道解決之道PWM整流整流！2022-3-313第第2章章. AC/DC變換變換1.技技術(shù)術(shù)思思路路 相控：調(diào)節(jié)相控：調(diào)節(jié)斬控?cái)乜?PWM調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)占空比2. 2 PWM整流整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi02. 電路拓?fù)浼肮ぷ髟黼娐吠負(fù)浼肮ぷ髟?單相電壓型為例單相電壓型為例電路拓?fù)淙鐖D

6、：電路拓?fù)淙鐖D：Ls: 電路工作在電路工作在Boost 狀態(tài)所需。狀態(tài)所需。Lr、Cr: 濾除濾除 i0 中二次諧波。中二次諧波。2022-3-3142. 2 PWM整流整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi0工作原理：工作原理： 假設(shè)假設(shè)C0足夠大，使得足夠大，使得u0U0。(1) i00, us0(電源電壓正半周電源電壓正半周)， D1、D4導(dǎo)通導(dǎo)通, uN = U0 ；i00, us0, D1、T2或或T3 、D4導(dǎo)通導(dǎo)通; is0, D2、T1或或T4 、D3導(dǎo)通導(dǎo)通,電源電源us沿沿Ls短路短路, 此時(shí)此時(shí)uN = 0, Ls儲(chǔ)能儲(chǔ)能, 負(fù)載負(fù)載

7、R則依靠則依靠C0放電維持。放電維持。(3) i00, us0, T1 、T4導(dǎo)通導(dǎo)通, uN = U0 ; i00, T2 、T3導(dǎo)通導(dǎo)通, uN =U0 。負(fù)載饋能負(fù)載饋能, 與電源與電源us一起向一起向Ls儲(chǔ)能。儲(chǔ)能。U0U0uNt 由以上分析可見(jiàn)由以上分析可見(jiàn), 電路工作在電路工作在Boost狀態(tài)。橋路的輸狀態(tài)。橋路的輸入電壓入電壓uN 波形將如圖所示。若波形將如圖所示。若uN 波形是采用波形是采用SPWM調(diào)制而成，調(diào)制而成，uN 中將含有很少的諧波成分。中將含有很少的諧波成分。2022-3-315第第2章章. AC/DC變換變換3. 對(duì)調(diào)制波的要求對(duì)調(diào)制波的要求：）（一一般般交交流流

8、等等效效內(nèi)內(nèi)阻阻所所示示?？煽汕笄蟮玫茫簱?jù)據(jù)此此可可畫(huà)畫(huà)得得相相量量圖圖如如圖圖的的基基波波，則則有有：、分分別別為為、假假設(shè)設(shè)有有：）。（實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)要要求求：設(shè)設(shè)：ssssmNNNssssssNsNNsssssmsssmsLRRLtgtUuUILjIRUiuIUudtdiLiRutIitUu )sin( 1sin ,sin1111111111 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 進(jìn)一步分析進(jìn)一步分析i0。忽略整流電路的內(nèi)部損耗，則有：忽略整流電路的內(nèi)部損耗，則有：2022-3-3162. 2 PWM整流整流)2cos(cos 2 )2cos(cos2 sin)sin( 0011001101

9、1001100011 tIIUIUItUIUttUIUiUiuiiUiuommmsmNmmsmNmsmNsNsN令：令： 行。源逆變工作狀態(tài)交替進(jìn)整流必定會(huì)在整流和有。因此，率因素所需的無(wú)功，以保證功側(cè)流動(dòng)，補(bǔ)充功率將從直流側(cè)向交流，時(shí)段，直流分量中的諧波幅值的原因是為何在直流側(cè)施加中含有二次諧波，這就輸出電流可見(jiàn)：在。、PWM10cos 0000smrrLiIiCLi2022-3-317第第2章章. AC/DC變換變換 事實(shí)上，在電源電壓事實(shí)上，在電源電壓us一定的情況下，改變一定的情況下，改變uN1的幅值以及與的幅值以及與us之間的相位之間的相位差，可以得到差，可以得到PWM整流電路的不同

10、工作狀態(tài)，如下圖所示：整流電路的不同工作狀態(tài)，如下圖所示： 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 1sIsU1NU1ssIR1ssILj 整流運(yùn)行整流運(yùn)行逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行 SVG運(yùn)行運(yùn)行(Static Var Generator)任意容性任意容性(或感性或感性)運(yùn)行運(yùn)行三相三相PWM整流電路分析類似，可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)。整流電路分析類似，可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)。2022-3-3182. 2 PWM整流整流4. 電路控制電路控制主要兩類控制方案：主要兩類控制方案：(1) 間接電流控制間接電流控制PIRsLs 0u0usu0ut

11、 sint cosNu1Lsu1Ru1si0I 又稱幅相控制又稱幅相控制, 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。不足：不足：(1) 運(yùn)算系根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)模運(yùn)算系根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)模型，動(dòng)態(tài)性能欠缺型，動(dòng)態(tài)性能欠缺。 (2) 運(yùn)算使用電路參數(shù)運(yùn)算使用電路參數(shù), 實(shí)際參數(shù)變化影響控制效果。實(shí)際參數(shù)變化影響控制效果。構(gòu)成控制結(jié)構(gòu)。構(gòu)成控制結(jié)構(gòu)。按照：按照： LRsNUUUU 2022-3-319第第2章章. AC/DC變換變換(2) 直接電流控制直接電流控制PI 0u0usi0usi0Isu 直接電流控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直接電流控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流調(diào)節(jié)響應(yīng)快電流調(diào)節(jié)響應(yīng)快，對(duì)擾動(dòng)魯棒性好對(duì)擾動(dòng)魯棒性好，故應(yīng)用較多故

12、應(yīng)用較多。跟跟蹤蹤開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)管管，強(qiáng)強(qiáng)迫迫經(jīng)經(jīng)滯滯環(huán)環(huán)比比較較后后直直接接控控制制再再與與實(shí)實(shí)際際電電流流，指指令令乘乘得得到到交交流流電電流流與與交交流流輸輸入入測(cè)測(cè)量量電電壓壓相相，指指令令幅幅值值成成正正比比的的直直流流電電流流流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)得得到到與與交交流流輸輸入入電電比比較較后后，經(jīng)經(jīng)與與實(shí)實(shí)際際電電壓壓直直流流給給定定電電壓壓 ssssiiiiIuu PI 000 近多年對(duì)于三相近多年對(duì)于三相PWM則多采用則多采用SVPWM。2022-3-3110第第2章章. AC/DC變換變換2.3 同步整流同步整流(SR: Synchronous Rectifier) 主要用于低壓大電流集成電路

13、中。如，現(xiàn)代高速集成電路的電源電壓甚至主要用于低壓大電流集成電路中。如，現(xiàn)代高速集成電路的電源電壓甚至降到降到1V以下。以下。 對(duì)于這種情況對(duì)于這種情況，即使采用即使采用SBD (Schottch Barrier Diode) 作為整流管往往作為整流管往往也難以滿足要求，因?yàn)橐搽y以滿足要求，因?yàn)镾BD通態(tài)壓降約為通態(tài)壓降約為0.30.6V：整流管承擔(dān)了相對(duì)于電源電壓的較大壓降；整流管承擔(dān)了相對(duì)于電源電壓的較大壓降；整流效率極低，尤其是在高頻的開(kāi)關(guān)電源中。整流效率極低，尤其是在高頻的開(kāi)關(guān)電源中。 將功率將功率MOS反接作為整流電路中的整流管反接作為整流電路中的整流管稱為同步整流稱為同步整流，可以

14、較好解，可以較好解決低壓大電流情況的上述問(wèn)題，近多年被廣為采用。決低壓大電流情況的上述問(wèn)題，近多年被廣為采用。 以以Intersil公司的型號(hào)為公司的型號(hào)為HUF67145P3的功率的功率MOS為例為例：UDQ=30V, ID=75A，導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻Ron=4.5m 假設(shè)用于輸出電壓假設(shè)用于輸出電壓2V, 20A負(fù)載電流負(fù)載電流 (輸出功率輸出功率40W), 器件導(dǎo)通壓降只有器件導(dǎo)通壓降只有90mV: 單單管管壓降占輸出電壓的管管壓降占輸出電壓的0.5%; 單單管管耗管管耗1.8 W:占輸占輸出功率的出功率的4.5%。 若采用通態(tài)壓降若采用通態(tài)壓降0.3V的的SBD, 管耗將達(dá)管耗將達(dá)6W

15、單單管管壓降占輸出電壓的管管壓降占輸出電壓的15%;單單管管耗占輸出功率的管管耗占輸出功率的15%。 現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出導(dǎo)通電阻現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出導(dǎo)通電阻Ron=12m，電流卻高達(dá)電流卻高達(dá)100A的專用的專用MOS。2022-3-31112022-3-3112 門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和源極電壓同步，如門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和源極電壓同步，如源極為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是高電平源極為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是高電平則則MOS管導(dǎo)通；反之，源極為低電平時(shí)，管導(dǎo)通；反之，源極為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是低電平，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是低電平，則MOS管關(guān)斷；管關(guān)斷；這樣就自然實(shí)現(xiàn)了整流，而且電流也只這樣就自然實(shí)現(xiàn)了整流，而且電流也只能由源極能由源極s流

16、向漏極流向漏極D。由于是通過(guò)門極。由于是通過(guò)門極信號(hào)和源極電壓同步來(lái)實(shí)現(xiàn)整流的，因信號(hào)和源極電壓同步來(lái)實(shí)現(xiàn)整流的，因此把這種整流方式稱為同步整流此把這種整流方式稱為同步整流。 功率功率MOS管反接，其固有的體二極管反接，其固有的體二極管極性卻是正向的。有時(shí)要利用它先導(dǎo)管極性卻是正向的。有時(shí)要利用它先導(dǎo)通，以便過(guò)渡到功率通，以便過(guò)渡到功率MOS管進(jìn)入整流狀管進(jìn)入整流狀態(tài)。但由于體二極管的正向壓降較大，態(tài)。但由于體二極管的正向壓降較大，常常不希望它導(dǎo)通或?qū)〞r(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng)。常常不希望它導(dǎo)通或?qū)〞r(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng)。2.3 同步整流同步整流1. 同步整流原理同步整流原理uGS= 0UDSuGS1uGS2uGS3uG

17、S3 uGS2 uGS1ID MOS的靜態(tài)輸出特性如圖所示。正向使用時(shí)的靜態(tài)輸出特性如圖所示。正向使用時(shí)(漏源極電壓為正漏源極電壓為正)，柵極施加正向電壓會(huì)形成導(dǎo)，柵極施加正向電壓會(huì)形成導(dǎo)電通道，柵極不加電壓或者施加反向電壓則會(huì)使電通道，柵極不加電壓或者施加反向電壓則會(huì)使導(dǎo)電通道夾斷。導(dǎo)電通道夾斷。但但MOS是逆導(dǎo)器件是逆導(dǎo)器件，反向使用時(shí)，反向使用時(shí)(漏源極電壓為負(fù)漏源極電壓為負(fù))，柵極不加電壓或者施加反向，柵極不加電壓或者施加反向電壓電壓MOS也會(huì)導(dǎo)通。若柵極再施加正向電壓也會(huì)導(dǎo)通。若柵極再施加正向電壓, 反反而會(huì)拓寬導(dǎo)電通道，使而會(huì)拓寬導(dǎo)電通道，使導(dǎo)通電阻更小導(dǎo)通電阻更小。 如圖如圖, 將將MOS反接在半波整流電路中，即構(gòu)成反接在半波整流電路中，即構(gòu)成所謂同步整流電路。所謂同步整流電路。 us0, 使使MOS的的uGS 0; us0,使使MOS的的uGS 0: isL1負(fù)載負(fù)載VD2 構(gòu)成回路構(gòu)成回路(電源供能電源供能, L1儲(chǔ)能儲(chǔ)能) 。同時(shí)。同時(shí), L2 經(jīng)經(jīng)負(fù)載負(fù)載VD2構(gòu)成回路釋能構(gòu)成回路釋能, 有有is= iL1, iL= iL1+ iL2。2022-3-31162.4 倍流整流倍流整流*