新能源汽車電學基礎與高壓安全 課件 3 功率變換電路特點與應用

新能源汽車電學基礎與高壓安全2024/10/919:18模塊一電學基礎知識與電子元器件檢測本模塊介紹電學基礎知識與電子元器件檢測，分為3個學習任務，分別為：學習任務一，基礎電路認知；學習任務二，常用電子元器件工作原理與檢測；學習任務三，功率變換電路應用。通過以上學習任務的學習，你能夠學會測量電阻、電壓和電流等電路基本參數(shù)的方法；能夠識別并檢測常用電子元器件；能夠識別新能源汽車的功率變換電路及其拓撲結構。新能源汽車電學基礎與高壓安全2024/10/919:18學習任務3功率變換電路特點與應用任務目標

知識目標：1.能夠描述AC-AC變換電路特點與應用；2.能夠描述AC-DC變換電路特點與應用；3.能夠描述DC-DC變換電路特點與應用；4.能夠描述DC-AC變換電路特點與應用。

能力目標：1.能夠搭建半波整流電路和波形檢測；2.能夠認識高壓部件功率變換電路結構。

素質目標：1.培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和工匠精神；2.培養(yǎng)安全意識和團隊協(xié)作精神；3.培養(yǎng)自我管理和自主學習能力。新能源汽車電學基礎與高壓安全2024/10/919:18情境導入

情境描述：

你知道車載充電機是如何做到將220V的交流電變換成直流電并給動力電池充電的呢？新能源汽車中還有其他類型的變換器嗎？

情境提示：

新能源汽車車載充電機本質是一個AC-DC的整流設備，能夠將220V交流電變換成車輛需要的直流電并對動力電池充電。新能源汽車電學基礎與高壓安全知識學習

一、AC-AC變換電路特點與應用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（AC）-交流（AC）變換電路，也稱直接變換電路。采用晶閘管等半導體元器件構成的AC-AC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AC-AC變換電路，稱為恒頻變壓AC-AC變換電路；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AC-AC變換電路。新能源汽車電學基礎與高壓安全1.交流調壓電路恒頻恒壓交流（AC）-恒頻變壓交流（AC）變換電路，通常稱為交流調壓電路，是指由晶閘管等半導體元器件構成的，把一種交流電變成另一種同頻率、不同電壓的交流電變換裝置。按所變換的相數(shù)不同，交流調壓電路可分為單相交流調壓電路和三相交流調壓電路。交流調壓器的控制方式有整周波通斷控制、相位控制和斬波控制三種，波形如圖所示。相位控制交流調壓又稱相控調壓，是交流調壓中的基本控制方式，應用最廣。在整周波通斷控制方式中，晶閘管是作為交流開關使用的，它把負載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變通斷比來改變負載上的電壓有效值。新能源汽車電學基礎與高壓安全（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新能源汽車電學基礎與高壓安全2）電阻-電感性負載(阻感負載)單相交流調壓電路及其波形阻感負載是交流調壓電路最具代表性的負載。新能源汽車電學基礎與高壓安全（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。新能源汽車電學基礎與高壓安全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°。圖是電阻負載星形聯(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：三相全不通、三相全導通、其中兩相導通因此，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。新能源汽車電學基礎與高壓安全2.交流電力電子開關把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用，這就是交流電力電子開關。和機械開關相比，這種開關響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。交流調功電路也是控制電路的接通和斷開，但它以控制電路的平均輸出功率為目的，其控制手段是改變控制周期內電路導通周波數(shù)和斷開周波數(shù)的比值。而交流電力電子開關并不去控制電路的平均輸出功率，通常也沒有明確的控制周期，而只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開。一般情況下，交流電力電子開關的控制頻度比交流調功電路的低得多。例如，電網進行無功功率補償時，工業(yè)應用中就是采用交流電力電子開關來控制電容器的投入與切除，要求器件切換的頻度就不是很高。新能源汽車電學基礎與高壓安全3.交流（AC）-交流（AC）變換電路AC-AC變換電路直接將電網固定頻率的交流電變換為所需頻率的交流電。這種交流裝置稱為AC-AC變頻器，也稱周波變換器，廣泛應用于大功率、低轉速的交流電動機調速傳動，也用于電力系統(tǒng)無功補償、感應加熱用電源、交流勵磁變速、恒頻發(fā)電機的勵磁電源等。因為沒有中間的直流環(huán)節(jié)，減少了一次能量變換過程，消耗能量少。但這種變頻電路的輸出頻率受到限制，它低于輸入頻率，而且輸出電壓頻率與變頻電路的具體結構有關。新能源汽車電學基礎與高壓安全（1）單相AC-AC變換電路1）電路結構和工作原理單相輸出AC-AC變換電路由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路反向并聯(lián)構成。其中一組整流器稱為正組整流器（P組），另外―組稱為反組整流器（N組）。如果正組整流器工作，反組整流器被封鎖，則負載端輸出電壓為上正下負，負載電流i0為正；如果反組整流器工作，正組整流器被封鎖，則負載端得到輸出電壓為上負下正，負載電流i0為負。這樣，只要交替地以低于電源的頻率切換正反組整流器的工作狀態(tài)，則在負載端就可以獲得交變的輸出電壓。新能源汽車電學基礎與高壓安全2）變換電路的工作過程AC-AC變換電路的負載可以是阻感負載、電阻負載或阻容負載，也可以是交流電動機負載。如果將阻感負載的AC-AC電路理想化，忽略交流電路換相時u0的脈動分量，就可以把變換電路等效成如圖所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)電路，其中交流電源表示變換電路可以輸出交流正弦電壓，二極管體現(xiàn)了交流電路的電流單向性。設負載阻抗角為ψ，即輸出電流滯后輸出電壓ψ角。兩組變流電路工作時，采取直流可逆調速系統(tǒng)中的無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。整流電路工作是由輸出電流i0方向決定，而與輸出電壓u0極性無關。變流電路是工作于整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向是否相同來確定的。新能源汽車電學基礎與高壓安全（2）三相AC-AC變換電路AC-AC變換電路主要用于交流調速系統(tǒng)，因此實際使用的主要是三相AC-AC變換器。三相AC-AC變換電路是由三組輸出電壓相位差為120°的單相AC-AC變換電路組成的，電路接線形式主要有兩種，公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結方式，如圖所示。在采用輸出星形聯(lián)結的三相AC-AC變換電路中，各相輸出的是相電壓，而加在負載上的是線電壓，如果在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，則它們不會在線電壓中反映，也不會加在負載上，利用這一特性可以改善輸入功率因數(shù)并提高輸出電壓。AC-AC變換電路特點為直接一次變換，效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波。新能源汽車電學基礎與高壓安全二、AC-DC變換電路特點與應用AC-DC變換電路，是將交流電（AC）變換成直流電（DC）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。20世紀70年代以后，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與整流電路之間的電隔離。以下介紹AC-DC變換電路常用的不控整流電路和PWM整流電路。1.不控整流電路不控整流電路是由無控制功能的整流二極管組成的整流電路。當輸入交流電壓一定時，在負載上得到的直流電壓是不能調節(jié)的電路。不控整流電路利用整流二極管的單向導電性能把外加交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。對于理想情況，即整流二極管既無慣性又無損耗，因為二極管的開通和關斷只需幾微秒，對于50Hz電流的半周期而言，可以看作是瞬時完成。以下介紹常見的不控整流電路。新能源汽車電學基礎與高壓安全（1）單相半波整流電路（1）單相半波整流電路整流電路是利用二極管的單向導電性將交流電轉換成脈動直流電的電路。半波整流電路是電源電路中一種最簡單的整流電路，它的電路結構最為簡單，由整流變壓器、二極管及負載組成。新能源汽車電學基礎與高壓安全（2）單相橋式整流電路為了克服半波整流電路的缺點，在實用電路中多采用全波整流電路，最常用的全波整流電路是橋式整流電路。橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構成的。新能源汽車電學基礎與高壓安全（3）三相橋式整流電路廣泛應用的三相橋式整流電路是從三相半波電流電路擴展而來。三相橋式整流電路是由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成的，一組接成共陰極，另一組接成共陽極，這種整流電路不再需要變壓器中點。三相橋式整流電路工作時，共陰極的三個二極管中，陽極交流電壓最高的那個二極管優(yōu)先導通，而另外兩個二極管因承受反壓處于關斷狀態(tài)；同理，共陽極的三個二極管中，陰極交流電壓最低的那個二極管優(yōu)先導通，而另外兩個二極管因承受反壓處于關斷狀態(tài)。在電路工作過程中，共陰極組和共陽極組中各有一個二極管處于導通狀態(tài)，其工作波形如圖所示。新能源汽車電學基礎與高壓安全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整流電路從電網接收電能時，工作于整流狀態(tài)；當PWM整流電路向電網反饋電能時，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。新能源汽車電學基礎與高壓安全（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整流電路如圖所示，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。新能源汽車電學基礎與高壓安全（2）三相電壓型PWM整流電路三相電壓型PWM整流電路是最基本的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。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，變換器可以看做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。新能源汽車電學基礎與高壓安全PWM整流電路改善了傳統(tǒng)晶閘管相控整流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，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，其功能是將電網單相交流電變換為直流電給動力電池充電。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。新能源汽車電學基礎與高壓安全三、DC-DC變換電路特點與應用DC-DC變換電路的功能是將直流電（DC）變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電（DC），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?，這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。新能源汽車電學基礎與高壓安全1.直流斬波電路的工作原理和控制方式（1）斬波電路工作原理一般將以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）來改變輸出電壓。新能源汽車電學基礎與高壓安全（2）斬波電路控制信號1）脈沖寬度調制（PWM）脈沖寬度調制（PWM）如圖（a）所示，在這種控制方式中，輸出電壓波形的周期或頻率是不變的，因此輸出諧波的頻率也是不變的，這使得濾波器的設計變得較為容易，并得到普遍應用。2）脈沖頻率調制（PFM）脈沖頻率調制（PFM）如圖（b）所示，在這種控制方式中，由于輸出電壓波形的周期或頻率是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設計比較困難，輸出波形諧波干擾嚴重，一般很少采用。3）調頻調寬混合控制這種控制方式可以大大提高輸出范圍，但由于頻率是變化的，也存在著設計濾波器較難的問題。新能源汽車電學基礎與高壓安全2.降壓斬波電路的結構組成與工作原理（1）降壓電路結構組成圖是直流降壓電路的結構組成。為抑制輸出電壓脈動，在基本原理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。新能源汽車電學基礎與高壓安全（2）降壓工作原理直流斬波電路是使用廣泛的直流變換電路。如圖所示方波為連續(xù)輸出波形，其平均電壓如藍折線所示。方波脈沖不能算直流電源，實際使用要加上濾波電路。如圖所示是加有LC濾波的電路，L是濾波電感、C是濾波電容、VD是續(xù)流二極管。新能源汽車電學基礎與高壓安全3.升壓斬波電路的結構組成與工作原理（1）升壓電路結構組成Boost（升壓式）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。（2）升壓工作原理通過電感元件可組成升壓斬波電路.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??i與L產生的電壓相加，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??0=??i/（1-D），D是占空比，值必須小于1。新能源汽車電學基礎與高壓安全4.升降壓斬波電路的結構組成與工作原理（1）升降壓斬波電路結構Boost型升降壓變換器的特點是輸出電壓可以低于電源電壓，也可以高于電源電壓，是將降壓斬波和升壓斬波電路結合的一種直接變換電路。主要由功率開關、二極管、儲能電感、輸出濾波電容等組成。（2）升降壓斬波電路工作原理新能源汽車電學基礎與高壓安全升降壓斬波電路工作狀態(tài)和波形（電感、電流連續(xù)）升降壓斬波電路工作狀態(tài)和波形（電感、電流斷續(xù)）新能源汽車電學基礎與高壓安全5.DC-DC變換電路的應用電動汽車上的DC/DC變換器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。在純電動汽車、“電-電”耦合電力汽車（增程式電動汽車、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。新能源汽車電學基礎與高壓安全四、DC-AC變換電路特點與應用DC-AC變換器，又稱為逆變器，是應用電力電子元器件將直流電轉換成交流電的一種變流裝置。目前電動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（電機控制器）將直流電轉換為交流電，提供作為驅動電機的動力電源。同時，也需要將制動等工況下的能量回收，即通過交流發(fā)電機發(fā)電，經整流后給動力電池充電。1.逆變的概念把直流電（DC）變成交流電（AC）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。新能源汽車電學基礎與高壓安全2.逆變電路的原理以下以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（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（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。新能源汽車電學基礎與高壓安全3.逆變電路的換向方式電路在工作過程中，電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為換相，換相也常稱為換流，在換相過程中，有的支路要從通態(tài)轉移到斷態(tài)，有的支路要從斷態(tài)轉移到通態(tài)。從斷態(tài)向通態(tài)轉移時，無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當?shù)尿寗有盘?，就可以使其導通。但從通態(tài)向斷態(tài)轉移的情況就不同。全控型器件可以通過對門極的控制使其關斷，而對于半控型器件來說，就不能通過對門極的控制使其關斷，必須利用外部條件或采取其他措施才能使其關斷。一般來說，換相方式可分為以下四種：（1）器件換相：利用全控型器件的自關斷能力進行換相稱為器件換相。（2）電網換相：由電網提供換相電壓稱為電網換相。（3）負載換相：由負載提供換相電壓稱為負載換相。（4）強迫換相：強迫換相需要設置附加的換相電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換相方式稱為強迫換相。上述四種換相方式中，器件換相只適用于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言的。新能源汽車電學基礎與高壓安全4.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類按輸出電能的去向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，后者輸出的電能直接輸向用電設備。（2）按電流波形分類按電流波形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)分類按輸出相數(shù)可分為單相逆變電路和三相逆變電路。新能源汽車電學基礎與高壓安全（4）按直流電源性質分類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。1）電壓型逆變電路電壓型逆變電路直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動。輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。阻感負載時需提供無功功率，為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電壓型逆變器分為單相電壓逆變電路和三相電壓型逆變電路。單相電壓型逆變電路分為半橋逆變電路、全橋逆變電路和帶中心抽頭變壓器的逆變電路。三相電壓型逆變電路應用最廣泛的是三相橋式逆變電路。新能源汽車電學基礎與高壓安全圖

半橋逆變電路及其波形圖

全橋逆變電路及其波形圖

帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖

三相電壓型逆變電路新能源汽車電學基礎與高壓安全2）電流型逆變電路電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。電流型逆