PE7-辅助元器件和系统.ppt

第 7 章 辅助元器件和系统,1,7 辅助元器件和系统,引言 7.1 触发控制器 7.2 过电流保护和过电压保护 7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区 7.4 缓冲器 7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器 7.6 滤波器 7.7 散热系统 7.8 控制系统和辅助系统 小结,引言,电力电子变换器中，周期性第改变开关的通、断状态，可实现DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC电力变换和控制。 电力电子变换器中除开关电路外，还必须有一些辅助元器件和系统，如触发驱动器、过流过压保护系统、缓冲器、电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控制系统等。 本章介绍这些辅助元器件和系统,电力电子变换器系统框图示例,7.1 触发控制器,引言 7.1.1 晶闸管SCR触发驱动器 7.1.2 GTO的触发驱动器 7.1.3 BJT的驱动器 7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器,7.1 触发控制器,从控制系统接受控制信号，经过处理后输出触发驱动电压(电流)，开通或关断元器件，不同的开关器件，不同的应用情况，要求不同的触发驱动器，已有各类开关元器件的触发驱动器供选用。,7.1.1 晶闸管SCR触发驱动器,图7.1 有隔离变压器的SCR驱动器,SCR只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电流Ig上升沿要陡，强触发数值要足够大（脉冲足以使SCR立即开通）,由发光二极管LED和光控晶闸管LAT组成 光电耦合隔离较变压器隔离电磁干扰小，但光控晶闸管LAT必须能承受电路高压 快速光耦响应时间可小于1.5s 高压电力系统、直流输电等用的SCR触发器大都采用光纤电缆传送驱动信号,7.1.1 晶闸管SCR触发驱动器(续1),GTO要求有正值门极脉冲电流+Ig触发其开通，负值脉冲电流-Ig使其关断 MOS管M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向GTO输出+ Ig触发其开通，并使C充电。 要关断已处于通态的GTO（M1、M2已无输入信号）时，需触发开通SCR，C放电形成- Ig ，关断GTO,7.1.2 GTO的触发驱动器,7.1.3 BJT的驱动器 BJT理想驱动条件及理想波形,基极驱动电流的波形。晶体管开通的瞬间，驱动电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得多的前沿峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态； 基极电流的稳态值应使晶体管处于饱和或临界饱和状态，以降低通态损耗； 驱动电流后沿加一个较大的负电流，以保证迅速地将晶体管b-e之间的结间存储电荷抽出，加快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率。 基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真。有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能。,7.1.3 BJT的驱动器(续1),BJT要求有正值基极电流+IB，强触发开通，并要求有持续的较小的驱动电流，保持其通态。最好有-IB使其关断时间缩短，有较小的负基极电流维持其可靠的断态 与R并联的C提供了强触发+IG,输入端P为低电平时，TR1通，TR2通，有+iG驱动BJT 输入端为高电平时，TR1断，TR3通，C经TR3放电，形成BJT关断所需的-iB,7.1.3 BJT的驱动器(续2),P点有输入信号时，反相器输出VB=0，光耦驱动器TL1导通使A点为高电位，经R1使T1导通，为BJT提供+IB 当P点无输入信号时，VP=0，光耦驱动LT2导通，使A点为低电位，T2导通，C经T2、R2放电，为BJT提供关断电流-IB,7.1.3 BJT的驱动器(续3),BJT除了上面讲到的那些驱动器外，还有这样的一些驱动电路,7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器,一般选取正UGE=1215V 关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将P-MOSFET或IGBT置于反偏的最大安全工作区，应施加一负偏压UGE，但它受IGBT的GE间最大反向耐压限制，一般取-2 -10V,7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器(续1),P-MOSFET、IGBT等都是电压型驱动器件，要求有持续的电平+VG使其开通并保持其通态； 关断时最好加持续的负电平-VG，并维持其可靠的断态 P有正信号输入时，AM截止，开通P-MOSFET；P=0时， AM开通，C放电，P-MOSFET截止,P有正信号输入时，放大器输出A点正电位使T1导通，P-MOSFET开通，并保持通态 P无信号输入时，A点为负电位，T2导通，稳压管DZ两端电压抽出C电荷，并在P-MOSFET管上栅-源极加负压，使其关断并保持断态,7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驱动器(续2),7.2 过电流保护和过电压保护,7.2.1 过电流保护 7.2.2 过电压保护 7.2.3 开关管串并联均压均流保护,7.2.1 过电流保护,可同时采用多种过流(过载、短路)保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。 电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机 快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护 SCR被触发导通，烧断熔断器，切断电路 开关管设死区延时开通，防止直通,7.2.2 过电压保护,避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压 设置Co，抑制操作开关S通、断时过电压 线路上并接RC过电压缓冲器 线路上并接压敏电阻RV 用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压,7.2.3 开关管串并联均压均流保护,开关管并联使用时要均流串L P-MOS管通态电阻rT温度系数为正(温度高，rT大)开关管并联自动均流。BJT的rT温度系数为负，不宜并联使用。IGBT大电流时，rT温度系数为正。,开关管串联使用时要均压并RC 取R11=R12远小于rT1、rT2稳压均压 取R13=R14，C13=C14动态均压,7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区,引言 7.3.1 线路电感L=0时开关器件的开通关断过程 7.3.2 线路电感L0时开通、关断过程 7.3.3 安全工作区,引言,可以近似认为在一个开关周期Ts=Ton+Toff期间io=Io不变，开通关断过程中iT线性变化 断态：+VG=0，rT= ，iT=0，D续流Io，VT=VD，A点 通态：有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C点,引言,开通：断态通态，rT从 0，iT从0线性上升至Io，VT从VDi0 关断：通态断态，rT从0 ，iT从Io线性下降至0，VT从0VD,开通过程中工作点如何从A过渡到C？VT按什么规律降至0？ 关断过程中工作点从C如何过渡到A？ VT按什么规律上升至VD？取决于电路中的电感L及开关管的并联电容C,引言,无串联电感时： 开通过程：ABC(高压下电流上升AB，负载电流下电压下降BC） 关断过程：CBA (负载电流下电压上升对应CB，高压下电流下降对应BA） 有串联电感时： 开通过程AQEC，比ABC好 关断过程CBHPA，比CBA差,7.3.1 线路电感L=0时开关器件开通关断过程,7.3.1 线路电感L=0时开关器件开通关断过程,有+VG后延时td，rT从 0，有-VG，经存储时间trv，rT 从0 开通：rT，iTIo之前，D仍导电，VT=VD 在tri期间itIo，D仍导电，VTVD，AB。 此后，在tfv期间，iT=Io，D截止，rT，VT0，BC 关断：rT，在trv期间VTVD，D仍截止，iT Io，CB 此后，在tfi期间VT=VD，D导电，rT，iT0，BA,7.3.1 线路电感L=0时开关器件开通关断过程,开通电流iT上升期：iT=Iot/tri (7-1) 关断电流iT下降期：iT=Io(1-t/tfi) (7-2) 若认为vT在开通关断过程中也呈线性变化在则：,（7-5）,（7-6）,7.3.2 线路电感L 0时开通、关断过程,开通：断态时，VT=VD，iT=0。工作点为A，有VG后，rTiT=Io.t/tri ,tri 期间上升时，D仍在导电，VT=VD-LdiT/dt =VD-LIo/tri=VQVD，工作 点从A立刻转移到Q点，在tri期间再从QE，此后iT Io，rT，VT从VQ0，工作点从EC。,图7.11,VT,7.3.2 线路电感L 0时开通、关断过程,关断：通态时VT=0，iT=Io，工作点为C，撤除VG后，rT，VT，在trv期间VTVD前，D仍反偏截止，iT=Io，工作点从CB 此后rT，一旦VTVD时，D导电iT线性减小，vT= VDLdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作点立即从BH，在iT从Io0期间工作点从HP，一旦iT=0，工作点从PA(iT=0，VT=VD),A,7.3.3 安全工作区,L=0时，开通轨迹ABC，关断轨迹CBA L 0时，开通轨迹AQEC，关断轨迹CBHPA L改善了开通轨迹，恶化了关断轨迹 安全工作区： VTVCEP，KJ线左侧 iTICM，NM线下方 Pt=VTiT，功率限制线左下侧,7.4 缓冲器,7.4.1 全控型开关管LCRD复合缓冲器 7.4.2 电力二极管、晶闸管的RC缓冲器 7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器,7.4.1 全控型开关管LCRD复合缓冲器,缓冲电路由Ls、Cs、Ds、Rs组成，T用于全控型开关管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。 串联电感Ls用于开通缓冲vT，类似于线路电感L 0时的开通过程，开通轨迹为图7.12(C)中的AQEC，开通时iT，使VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri=VQVD,7.4.1 全控型开关管LCRD复合缓冲器(续1),并联电容Cs用于关断缓冲vT 关断T时，rT，VT=rTiT，在VTVD时，D0仍反偏截止。iL=iT+iC Io不变，iT=Io(1-t/tfi)下降，iC=Iot/tfi上升，VC=VT充电上升。若在tfi期间，iT0，iCIo，使,7.4.1 全控型开关管LCRD复合缓冲器(续2),此后，T已关断，iL继续对Cs充电到iL=0，VC=VT=VCEP，解VD、LS、CS电路微分方程，得到：,最后，Vo=VCEP经RS对电源放电，使iC=iR0。VC=VT=VD， 关断轨迹为CAPA。,7.4.1 全控型开关管LCRD复合缓冲器(续3),例题7.1(Book P.254) BUCK DC/DC变换器VD=200V，Io=10A， Vo=100V，fs=20KHz，Po=1KW。tri=tfr=tfi=trv=0.75s， Ls=3H，Cs取为临界关断电容，Rs=40，求开关损耗并画出 开关轨迹。,解：无缓冲电路时，Pon=37.5W，Poff=37.5W 临界关断缓冲电容Cs=0.01875F 计算得：有复合缓冲器电路时，VCEP=300V，比VD高50 V=160V，只比VD小20 Poff=3.125WPoff=37.5W Pon=30W，仅比Pon小20,7.4.2 电力二极管、晶闸管的RC缓冲器,由上例，串联电感Ls(开通缓冲)对减少开通损耗作用不大，同时Ls使关断时VT增大到VCEP(超过VD 50)，为了简化缓冲电路，常不引入串联电感Ls，这时图7.12(a)变为7.13(a) 图7.13(a)所示R、C、D缓冲电路常用于保护晶闸管 图7.13(a)再取消DS，仅有RS、CS的缓冲电路常用于保护电力二极管,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器,关断过程： rt，在vT从0VD期间D0、D仍反偏截止， iL=iT=Io，工作点从CB vT略大于VD后，D0导电，iT0的tfi期间，iC使C充电，VC=VT，D导电,通态时，iL=iT=Io，D0、D截止，C充电到VC=VD,CB BM MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T关断，iL继续对C充电, iL=0时vC=vT=VTP=VCP PA，VC=VT经L、电源、R放电至VD ，关断轨迹为：CBMPA,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器(续1),7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器(续2),断态时，iT=0，VT=VC=VD，D0续流 开通过程：AF，rT，iT=iLIo的tri期间，D0仍导电，VT，C经T、R放电，D截止，iT=Io时，工作点从AF,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器(续3),7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器(续4),开通过程中：FC，iT=Io时，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作点从FC,7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器(续5),无论通态、断态vC都为VD，开关过程中vC变化也不大，仅在关断过程中VT超过VD后，C才起作用限幅缓冲，广泛应用于IGBT的 DC/DC、DC/AC变换器,例题7.2,VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri=1S，确定开通关断轨迹 解得：关断时：M点，VTM=VCM=227.4V(不大，Poff小) P点，VTP=VCP=251.3V 开通时：F点，VTF=128V(很低，Pon小)，VCF=217.5V 电容电压变化范围小：217.5-220-227.4V 开关管最高电压仅251.3V(VD=220V),7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器,7.5.1 电感(电抗器) 7.5.2 方波变压器,7.5.1 电感(电抗器),电路：电压V克服电阻R产生电流I，V=R1I+R2I，R=l/Sc=l/Sc 磁路：磁压F(NI)克服磁阻产生磁通，F(NI)=Rmo+Rmc，Rm=l/Sc,7.5.1 电感(电抗器） (续1),单位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麦克斯韦MX)，B(MX/cm2高斯GS) 按以上各式设计铁芯电感,7.5.2 方波变压器,Bm相同时，正弦电压有效值高10 电压相同时，正弦电压的m，Bm可小10,7.5.2 例题7.3脉冲变压器设计,VD=15V，R=50，铁芯Bm=10000GS时，m=1A/cm2，Br=5000，要求输出脉冲电压V=10V，脉宽T=200s 解：,图7.17 脉冲变压器及单边磁化曲线,7.5.2 例题7.3脉冲变压器设计(续1),负载电流：I2m=V2/R=10/50=0.2A 磁化电流：im=Hmlc/N1=0.05A 负载电流折算至N1：I2m=i2mN2/N1=0.16A,选用直径0.2mm导线：q=/40.22=0.0314 电流密度：j=i/q=5.5A/mm2 磁通单方向变化B=Bm-Br，利用率不高 若磁通双向变化，则B=Bm-(-Bm)=2Bm，铁芯利用率高23倍或SC，N可小23倍,图7.17 脉冲变压器及 单边磁化曲线,7.6 滤波器,7.6.1 滤波器功能、类型 7.6.2 LC滤波器的特性分析 7.6.3 谐振滤波器,7.6.1 滤波器功能、类型,电力电子变换中，开关管周期性通断变换，输出电压是周期性，幅值为VD的脉波 DC/AC逆变电路的输出电压V2除基波V21外，还有高次谐波电压V2h 输出电流除了基波电流i21外，还有高次谐波电流i2h Lo感抗XL=2fhLo，fh高，XLh大 Co容抗Xc=1/2fhCo，fh高，XLc小,7.6.1 滤波器功能、类型(续1),谐波电压V2h几乎全部压降在Lo上 谐波电流I2h几乎全部流入Co 使输出电压中VLh很小，负载中iLh很小 Lo、Co对基波电压电流的影响分析： 负载基波电流iL1在Lo上产生基波压降 ，VL1在Co中产生基波电容电流流过Lo和开关管,7.6.1 滤波器功能、类型(续2),AC/DC整流电路输入电流i1除基波电流i11外，还有谐波i1h L1对谐波电流阻抗大，C1对谐波电流阻抗小 I11中的谐波电流几乎全部流入C1，使电源电流isis1 L1、C1对基波电压电流的影响分析： 基波电流is1在L1上产生基波压降 V1在C1中产生基波电容电流，流过L1及交流电源,7.6.1 滤波器功能、类型(续3),滤波器类型： 按放置位置分：输入滤波器、输出滤波器、中间滤波器 按电路架构分：LC串、并联滤波器和LC谐振滤波器(7.6.3节) 中间滤波器：L2、C2的输入输出都是直流 它把整流电路输出的直流电压中的谐波降落在L2上，减小C2端的谐波电压 它把逆变器输入断的谐波电流流入C2，减小L2中的谐波电流,7.6.2 LC滤波器的特性分析,用j代替S得到LoCo滤波器对不同频率的电压衰减系数为：,幅频特性,逆变器输出滤波电路,7.6.2 LC滤波器的特性分析(续1),0越小(L0C0大)，谐波衰减量越大 谐振频率越高，谐波衰减量越大,逆变器输出滤波电路,幅频特性,7.6.2 LC滤波器的特性分析(续2),幅频特性物理说明： u=/0=10，=0时，VL/V2=0.01，衰减40dB u=/0=5，=0时，VL/V2=0.0416，衰减27.6dB u=/0=5，=0.5时，VL/V2=0.0408，衰减27.8dB 相频特性： u=/0=1，VL滞后V2 90(公式7-69),(c) 相频特性,(b) 幅频特性,(a) 逆变器输出滤波电路,7.6.2 LC滤波器的特性分析(续3),根据要求的LC滤波器对谐波的衰减系数，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可以得知相对频率u及LoCo的谐 振频率由此可设计LoCo 。,7.6.2 LC滤波器的特性分析(续4),1小(L1,C1大），谐波电流频率越高，则Kih越小，Ish越小,7.6.2 LC滤波器的特性分析(续5),设计LC滤波器的一般要求： (1) 负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流降低到允许范围内。 (2) C0中的电流不过分增加开关器件的电流；C1的基波电流不致过分增加电源的电流。 (3) 滤波电感基波阻抗不大，负载变化时开关电路输入电压波动不大，负载电压波动不大。 (4) 滤波器LC电压、电流的kVA值小，成本低、体积小、重量轻。,7.6.3 谐振滤波器,图7.20 谐振滤波器,7.7 散热系统(散热器-风冷、水冷、油冷),热等效电路,Cj,Pi,CC,CS,120 ,0.06,0.03,0.04,P=500W,90 ,75 ,55 ,热容量C： 温度每升高 1度所需的 热量焦耳值。 焦耳=瓦秒,例题7.4，散热器尺寸选择,例题7.4，散热器尺寸选择 开关管发热功耗为500W，环境温度55，要求结温不超过120，结-壳之间的热阻Rj c=0.06 ，壳-散热器之间的热阻Rcs=0.03 解：结-壳之间的温差 jc= Rj