DC-AC逆变电路及原理总结.ppt

补充补充 DC-ACDC-AC逆变电路逆变电路 引言引言 换流方式换流方式 电压型逆变电路电压型逆变电路 电流型逆变电路电流型逆变电路 缓冲电路缓冲电路 无损缓冲电路无损缓冲电路 引言引言 逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 换流方式换流方式 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 换流方式分类换流方式分类 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 图5-1 逆变电路及其波形举例 负载 a)b) t S 1 S 2 S 3 S 4 io u o U d u o io t1t2 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。 直流电 交流电 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 逆变电路最基本的工作 原理 改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电频率。 图5-1 逆变电路及其波形举例 a) b) t uo io t1t2 电阻负载时，负载电流io 和uo的波形相同，相位也 相同。 阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同。 换流方式分类换流方式分类 换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程 ，也称为换相。 开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 电压型逆变电路电压型逆变电路 1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同 电压型逆变电路又称为电压源 型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI 直流侧是电压源 电流型逆变电路又称为电流源 型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI 直流侧是电流源 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 1）单相半桥逆变电路 u 图56 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形 a) t t O O ON b) o Um -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两 者互补，输出电压uo为矩形 波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向 ，直流侧向负载提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向 ，电感中贮能向直流侧反馈 。VD1、VD2称为反馈二极 管,它又起着使负载电流连续 的作用，又称续流二极管。 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率 为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且 直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。 参数计算与器件选择参数计算与器件选择 根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：i2P/UdUd/2R 对于电阻电感：i2P/UdcosUd/2Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i 参数计算与器件选择参数计算与器件选择 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为 20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐 振负载， 其等效电阻为：R=Ud2/4P=3.78 负载上的电流有效值为：iUd/2R=72.75A 开关管上的电压：U=(23)Ud=11001650V 电流：I=(1.52)(2)1/2i=154205A 5-12 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半 桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥 电路形状相同，幅值高出一 倍。 改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来 实现。 图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式 u t O t O t O t O t O b) G1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 2）单相电压型全桥逆变电路的特点 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉 动。 (2)输出电压幅值为Ud的矩形波，负载上的功率为半桥逆 变器的4倍，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧 反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 (4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。 参数计算与器件选择参数计算与器件选择 根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：iP/UdUd/R 对于电阻电感：iP/UdcosUd/Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i 参数计算与器件选择参数计算与器件选择 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为 20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振 负载， 其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125 负载上的电流有效值为：iUd/R= 36.36A 开关管上的电压：U=(23)Ud=11001650V 电流：I=(1.52)(2)1/2i=77102A 5-16 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 阻感负载时，还可采用移 相得方式来调节输出电压 移相调压。 a) 图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式 t O t O t O t O t O b) uG1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo V3的基极信号比V1落后 （0 180 ）。V3 、V4的栅极信号分别比 V2、V1的前移180 。输出电压是正负各为 的脉冲。 改变就可调节输出电压 。 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 3） 带中心抽头变压器的逆变电路 图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io 波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。 交替驱动两个IGBT，经变压 器耦合给负载加上矩形波交 流电压。 两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道。 电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。 电流型逆变电路电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆 变电路称为电流型逆变 电路。 图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 1) 电路原理 由四个桥臂 构成，每个 桥臂由 IGBT组成 。 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波 ，且谐波幅值远小于基波。 负载电压波形基本上是正弦波。 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 1) 电路原理 图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路 由四个桥臂构成，每 个桥臂的IGBT管组成 工作方式为负载换相 。 电容C和L 、R构成并 联谐振电路。 输出电流波形接近矩 形波，含基波和各奇 次谐波，且谐波幅值 远小于基波。 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 t O t O t O t O t O t O t O t O u G1,4 u G2,3 iT io Id t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7tf u o tg u AB td tb Id iVT 1,4 iVT 2,3 u VT 2,3 u VT 1,4 图513并联谐振式逆变 电路工作波形 2) 工作分析 一个周期内有两个 导通阶段和两个换 流阶段。 t1t2：V1和V4稳定导通阶段，i=Id，t2 时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2t3：t2时V2和V3开通，进入换流阶 段。 LT使V1、V4不能立刻关断，电流有一个 减小过程。V2、V3电流有一个增大过程 。 4个IGBT全部导通，负载电容电压经两个 并联的放电回路同时放电。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2 、VT2、VT4、LT4到C。 单相电流型逆变电路单相电流型逆变电路 t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断 ，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。 io在t3时刻，即 iVT1=iVT2时刻过零 ，t3时刻大体位于t2 和t4的中点。 t O t O t O t O t O t O t O t O u G1,4 u G2,3 iT io Id t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7tf u o tg u AB td tb Id iVT 1,4 iVT 2,3 u VT 2,3 u VT 1,4 图513并联谐振式逆变 电路工作波形 总结总结 电压型逆变电路输入端并接大电容，提供恒压 源，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电 流大小由负载决定，波形由负载性质决定。电阻型 负载的电压和电流波形均为矩形波；纯电感电流波 形为三角波；当采用RLC谐振负载，且开关频率与 谐振频率一致，负载上的波形电压和电流都是正弦 波。 电流型逆变电路输入端串联大电感，提供恒流 源，输出电流是矩形波，含有较多谐波，幅值为电 感电流，输出电压的大小由负载决定，电压波形由 负载性质决定。电阻型负载的电压和电流均为矩形 波；纯电感电流波形为三角波。 缓冲电路缓冲电路 缓冲原理 器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt 、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用， 就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低 器件开关损耗，保护器件安全运行。 5-25 I GB T I GB T 逆变器的开关损耗波形逆变器的开关损耗波形 5-26 (a) 开通损耗波形 (b) 关断损耗波形 图中 tdon 开通延迟时间 tr 开通上升时间 trr二极管的反向恢复时 间 t doff关断延迟时间 t tail尾部电流itail下降时 间 tf关断下降时间 (d i/ d t)on开通电流上升 率 IRRM二极管反向恢复电 流 I GB T I GB T 逆变器的开关损耗逆变器的开关损耗 5-27 每个脉冲 I GB T 的开通损耗近似为( mJ ) ： 每个脉冲 I GB T 的关断损耗近似为： 每个脉冲二极管的关断损耗近似为： I GB T 的总开关损耗可近似表示为： 式中 fsw逆变器的载波频率 缓冲电路的几种类型缓冲电路的几种类型 5-28 （d） (a) C缓冲电路 (b) RC缓冲电路 (c) RCD缓冲电路 (d) 放电阻止型RCD缓冲电 路 缓冲电路的类型缓冲电路的类型 C缓冲电路： 采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单， 用作对瞬变电压有效而低成本的控制，接在C1和E2之 间（两单元模块）或P和N之间（六单元模块），缺点 是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电 压振荡。 RC缓冲电路： 其特点是适用于斩波电路，但在使用大容量IGBT时， 必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流 过大，使IGBT的功能受到一定限制。 5-29 缓冲电路的类型缓冲电路的类型 RCD缓冲电路： 与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从 而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问 题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为： 式中：L为主电路中的分布电感， IC为IGBT关断时的集电极电流， f为IGBT的开关频率，C为缓冲电 容，Ud为直流电压。 5-30 RCD型截止缓冲电路 适用于较大功率IGBT模块，缓冲二极管D可箝制瞬变电压 ，从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其 RC时间常数应设计为开关周期的1/3。 缓冲电路的类型缓冲电路的类型 放电阻止型RCD缓冲电路： 与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损耗小，适合于 高频开关，在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为： 5-31 缓冲电路波形缓冲电路波形 IGBT采用缓冲电路后典型关断电 压波形如图所示。图中，VCE起始 部分的毛刺V1是由缓冲电路的 寄生电感和缓冲二极管的恢复过 程引起的。其值由下式计算： V1=LSdi/dt（1） 式中：LS为缓冲电路的寄生电 感； di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬 间的电流上升率，其最恶劣的值 接近0.02Ic（A/ns）。 5-32 采用缓冲电路后IGBT关断电压波形 缓冲电路波形缓冲电路波形 5-33 如果V1已被设定，则可由式（1）确定缓冲电路允许的最大电 感量。例如，设某IGBT电路工作电流峰值为400A，V1100V ， 则在最恶劣情况下， di/dt=0.02400=8A/ns 由式（1）得 LS=V1/（di/dt）=100/8=12.5nH 图中V2是随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升的峰值， 它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关，可用能量守恒定律求 值。如前所述，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电 感，在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中，因此有 LPI2/2=CV22/2（2） 式中：LP为母线寄生电感； I为工作电流， C为缓冲电容的值； V2为缓冲电压的峰值。 缓冲电路波形缓冲电路波形 从式（1）和式（2）不难看出，大功率IGBT电路 要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散 电感愈小愈好。这不仅可以降低V1，而且可以减 小缓冲电容C的值，从而降低成本。 5-34 实际的功率电路设计中可采用以下措施来减小所需电容 值 采用平板式汇流母线, 正负极重叠在一起, 中间用绝缘 板隔开, 以获得最小母线寄生电感 因为C值与关断电流的平方成正比,所以采取必要的限 流技术来限制功率电路的最大电流 因为C值反比于V2的平方, 所以若允许V2与IGBT的 VCE之间有一定的裕度则可使缓冲电容值明显减小。 缓冲电路的总结缓冲电路的总结 在电路设计中应根据实际情况选取适当的缓冲保 护电路，抑制IGBT关断时的浪涌电压，在装配时 ，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接 线越短越好，越粗越好。 对缓冲电路的要求是： 尽量减小主电路的布线电感L； 吸收电容应采用低感（最好无感）吸收电容，它的引线 应尽可能短，最好直接接在IGBT的端子上； 吸收二极管应选用快开通和软恢复二极管，以避免产生 开通过电压和反向恢复引起的较大振荡电压。 5-35 缓冲电路的作用缓冲电路的作用 RC吸收回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势 进行钳位，二是抑制电路中因dV/dt对器件所引起的冲击，在感性负载 中，开关器件关断的瞬间，如果此时感性负载的磁通不为零，根据愣 次定律便会产生一个自感电动势，对外界辞放磁场储能，为简单起见 ，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。 RC缓冲电路并联在IGBT两端。其作用包括抑制过电压、减小开关损 耗、限制电压上升速率以及消除电磁干扰等几个方面； (1)抑制过电压 IGBT关断时，线路电感会产生与直流电压同向的感应电压 L di / dt，当没有缓冲电路时，由于diL / dt很大，使IGBT的C、E 极之间形成很高的过电压。当过电压大于IGBT所能承受的极限电 压时，会损坏器件。所以，为了使IGBT可靠工作,必须为电感中的 贮能提供一条释放回路，以大幅度降低关断瞬间电感的电流变化 率,避免因过电压损坏IGBT。 5-36 缓冲电路的作用缓冲电路的作用 (2)减小功率开关管损耗 IGBT关断时, IGBT的功率损耗取决于集电极与发射极之间 的电压以及流过管子的电流瞬时值，两者乘积的积分值越 小越好。使用缓冲电路可以改变IGBT关断过程中的电压、 电流波形，从而减小IGBT的功率损耗。由图2 可知,当无缓 冲电路时,电压VCE瞬间升至最大值,而此时IGBT的电流IC也 是最大值,这种情况下功率损耗最严重。 5-37 (a) 无缓冲电路 (b) 有缓冲电路 采用RC缓冲电路后 ，VCE将逐渐升高,从 而 避免IC和VCE同时达 到最大值的不利情况 。所以，缓冲电路可 以减小IGBT的关断 损耗。 缓冲电路的作用缓冲电路的作用 (3)限制电压上升率 过大的电压上升率duCE / dt会在IGBT的PN结中形成很大 的位移电流,它可能误使IGBT内部寄生晶闸管开通,导致 栅极失去控制作用,这就是所谓的动态擎住现象。IGBT 两端并联的RC缓冲电路能够限制duCE / dt的大小,有效地 解决IGBT的动态擎住问题。 (4)消除电磁干扰 在设备调试运行过程中,当无缓冲电路时，IGBT管两端 的电压会产生高频振荡,造成电磁干扰。采用缓冲电路 即可抑制VCE的高频振荡,起到消除和减少电磁干扰的作 用。 5-38 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 缓冲电路中,缓冲电阻R 越小,电容C越大,则缓冲电路的作用 越明显。但同时要考虑功率损耗等因素。 IGBT关断后,缓冲电容C上贮存电能,当下次IGBT开通后,这 部分能量以热能形式消耗在R上。 5-39 电阻R 的功耗为: IGBT开通后，电容C必须在再次关断前放电完毕，以确 保电容电压的初始状态始终为零。为此， RC放电时间常 数必须受到限制。一般假设超过3倍时间常数可以放完电, 则: 3RCRCTon 式中 Ton =DTs DIGBT导通占空比 Ts 开关周期 1 缓冲RC的参数计算 为了减少功率损耗,一般要求PR 120W 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 计算电阻值时,还必须限制放电电流,使放电电流 Idis小于集电极电流IC的1 /4,即： 5-40 式中 IC 集电极电流(A) 2 隔直电容的参数计算 对于全桥逆变电路，偏磁是一个必须认真解决 的问题,偏磁的积累将引起变压器的磁饱和，从 而导致逆变“颠覆”。采用串联耦合隔直电容的 方法来隔直纠偏，隔直电容的参数可采用如下 计算方法： 式中 LR 变压器二次侧折算到一次侧的等效 电感与一次侧电感之和(单位:H) fR LR与C组成的串联谐振电路的谐振频率(单位: kHz)为了使耦合电容线性,一般选f R= 0. 1 f。 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 此外,电容充电电压不宜过大,一般以5% 10% Vs 为好,即需满足如下不等式: 5-41 式中 VC 充电电压; IC 充电电流; t充电时间, DIGBT导通占空比 Ts 开关周期; Vs 电源电压。 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 例：设计要求为频率25kHz,额定功率20 kW，效率85%。 全桥式逆变器由功率开关管IGBT1 IGBT4和高频变压器 等主要器件组成， IGBT的4 个缓冲电路由RC组成，是为 了避免4个IGBT在关断时产生过高的电压上升速率和减少 IGBT的关断损耗。求RC。 5-42 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 电源输入电压为380VAC，则Vce=537.4V 5-43 又因为PR 120W，因此，缓冲电容为: 实际选用C = 0. 01F 缓冲电路的参数计算缓冲电路的参数计算 5-44 计算缓冲电阻： IC = 75 A，所以： I=P/VCE=20000/537.4=37A，IC取2倍的I，则 实际选取R = 30 实际电阻功率为： =0.50.0110-6537.4225103=36W RC取值为：C=0.01 F/1200V，R=30/50W 无源无损缓冲器无源无损缓冲器 为了确保功率开关管安全可靠地工作，则功率开 关管必须工作在安全区。但在硬开关条件下，功 率开关管在开通和关断过程中可能承受过压、过 流，过大的di/dt和dv/dt的冲击，使开关管发热， 如不采取保护措施，可能使功率开关管超出安全 工作区而损坏。为此，在功率电路中，通常设置 缓冲电路或采用软开关技术，以防止瞬时过压、 过流，过大的di/dt和dv/dt，减小开关损耗，确保 开关管工作在安全工作区。 5-45 无源无损缓冲电路无源无损缓冲电路 缓冲电路的形式很多，可根据不同的场合合理选用 。常用的缓冲电路，简单的有无源的并联RC电路、 并联RCD缓冲电路、RCD限幅箝位缓冲电路等，还 有较复杂的有源缓冲、软开关电路等。有源缓冲电 路在电路结构、控制方法上都比较复杂，成本价格 也比较高。而无源缓冲电路往往是用缓冲电容C吸收 功率开关器件关断时的能量，然后消耗在电阻R上， 虽然可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路 的变换效率，并且在大功率场合，需要大功率的电 阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环 境。为此，为了简化电路，提高变换效率，有必要 研究无源无损缓冲吸收电路。 5-46 无源无损缓冲电路无源无损缓冲电路 CD2型无源无损缓冲电路：一只电容和两只二极 管构成 CLD2型无源无损缓冲电路：一只电容、一只电感 和两只二极管构成的 5-47 无源无损缓冲电路无源无损缓冲电路 CD2型无源无损缓冲电路 5-48 CD2型无源无损缓冲电路可以应用于半桥和全桥变换电路 直流电源电压为E，电容Cs1，Cs2和开关管S1，S2各为一桥臂构成半桥 电路，L，C，R为等效的输出电路，其中L包含功率电路中的寄生电感 。VD1，VD2分别为S1，S2的反并联二极管。S1的缓冲吸收电路由图1 中虚线框内电容C1和二极管VD11，VD12组成。S2的缓冲吸收电路则由 电容C2和二极管VD21，VD22组成。 CLD2型缓冲电路 无源无损缓冲电路无源无损缓冲电路 5-49 (a)导通模式 1）导通模式 S1导通，S2截止，如图（a）所示。此时S1 导通，有电流通过，C1两端电压上正下负，被箝位为电 源电压E，故VD12两端电压等于0，而VD11反向截止，其 上电压为 E，在此模式下电容C1中