（电力电子与电力传动专业论文）低压大电流直流电源性能改进研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h eh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n ta n dt h ep r o g r e s so ft h ep o w e rs o u r c e t e c h n o l o g y ，t h ep o w e rs o u r c ei su s e dm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d i ti sc o m m o i l l y u s e di nn a t i o n a ld e f e n s e ，c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u l n e ri n d u s t r y ，h o w e v e r ，t h e r e q u i r e m e n to ft h ep o w e rs o u r c eu s e di nt h e s ei n d u s t r i e si sm o r ea n dm o r es t r i c t l y ， e s p e c i a l l yi tr e q u i r e st h a tt h ep o w e r s o u r c ep o s s e s st h ea d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c y a n ds m a l lv o l u m ea n dh i g hf r e q u e n c yf o rt h es a k eo f a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo f t h eu s e u n d e rt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n t h ed e s i g n p r o c e s so ft h el o w - v o l t a g ea n dl a r g e c u r r e n tp o w e rs u p p l yi s i n t r o d u c e di nt h i s p a p e r i t s b a s i cw o r k p r o c e s s i st h ec o n v e r s i o n o f a c i c a c d c ，e a c hp a r to ft h ew o r kp r o c e s so ft h es y s t e mi sa n a l y z e da n d i n t r o d u c e dd e t a i l e d l y ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r i cc i r c u i tt o p o l o g yc h o i c e 、t h ep a r a m e t e r c o m p u t a t i o na n dt h ec o m p o n e n tc h o i c eo f t h es y s t e m ，e s p e c i a l l yi th a sc a r r i e do nt h e e x h a u s t i v ea n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o nt ot h ew o r kp r o c e s so ft h eh i g hf r e q u e n c y i n v e r t e rp a r ta n dt h er e c t i f i e do u t p u tp a r t 。w eh a v ec a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t ot h ew o r km o d eo ft h es w i t c hb yc h o o s i n gt h er e a s o n a b l ee l e c t r i cc i r c u i tt o p o l o g y a n dt h ed r i v e nc o n t r o lm o d eo ft h es w i t c h e s t l l i sa r t i c l eu s e st h ef u l lb r i d g ep h a s e s h i f t i n gp w m c o n t r o lm o d ew h i c hi sc o n t r o l l e db yt h en o v e ld i g i t a lc o n t r o lm o d e c a l l e dd s p - - c o n t r 0 1 t h ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) t h a tc 锄c a r r yo nt h ep r e c i s e c o n t r o lt ot h ew o r kp r o c e s so ft h es w i t c h e sb yp r o v i d i n gt h ep r e c i s ec o n t r o ls i g n a ls o t h a ti tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep o w e rs u p p l y m e a n w h i l et h eu s eo f l o w o n - r e s i s t a n c em o s f e tr e c t i f i e rt u b et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lo r d i n a r yr e c t i f i e r d i o d e si nt h er e c t i f i c a t i o no u t p u tc a ng r e a t l yr e d u c el o s sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ep o w e rs u p p l y w eh a v ea l s oc a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o na n dd e s i g na n da n a l y s i s t ot h et r a n s f o r m e r ，t h ed c b l o c k i n gc a p a c i t o ra n dt h er e s o n a n ti n d u c t a n c ea sw e l la s t h ef i l t e r si n d u c t a n c ea n dt h ef i l t e re l e c t r i c c a p a c i t o r o ft h er e c t i f i c a t i o n o u t p u t f i n a l l yw ec a r r yo nt h es i m u l a t i o nt ot h ed e s i g np o w e r s o u r c ea n dt h er e s u l t p r o v e st h a tt h ep o w e rs u p p l yf e a s i b l e k e yw o r d s ：f u l lb r i d g ep w mp h a s es h i f t i n gc o n t r o l ：i n v e r tt e c h n o l o g y ：s o f ts w i t c h ； s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ：e f f i c i 髓e y i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学砬论文作者签名( 手写) 榔签字日期：沙声 月衍曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盔堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铡垒 签字日期：m 年j 明才日才菰1 牌 名岛沙训7 师 字 导 签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、目的及研究意义 电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、 更新换代快的产品。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广 泛，任何电子设备都离不开可靠的电源，由于电子设备的多样化发展，他们对 电源的需求也日益复杂，对电源的要求也越来越高。现今电源已广泛应用到工 业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。 随着上述行业的迅猛发展，对电源产业又提出了更高的要求。电源技术的发展 将带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。 与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振 高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率 因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、 智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各 种形式的驱动技术和先进的工艺技术f 1 1 1 2 4 1 5 1 。 本论文课题为一个低压大电流直流电源的设计，将三相交流电经一系列变 化过程后得到一个输出电压为2 8 v ，输出电流为3 0 0 a 左右的低压直流电源，给 设备供电。所设计电源的一些主要技术参数为： 输入电压：三相交流3 8 0 v 频率5 0 h z 输出电压：2 8 v 输出额定电流：3 0 0 a ，输出最大电流3 5 7 a 输出额定功率：1 0 k w 开关频率：2 0 z 电源效率为：9 0 主要工作为对电源的设计过程及其效率进行分析研究。目的旨在通过采用 合理优化设计及新的控制方式，以提高电源的效率和性能。电源效率是问题的 实质。电力电子和电源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。因此开关 电源的效率研究问题是一个备受关注的课题。开关电源效率的提高就意味着节 能，可以缓解紧张的能源危机，电源效率的提高对全人类都有重大的意义【l 】【2 】【3 l 。 第1 章绪论 1 2 低压大电流直流电源研究现状与发展趋势 低压大电流高功率d c d c 变换技术，电流已高达几千安，同时电源的输出 指标，如纹波、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步提高。如今 分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其 电源系统需用的d c d c 电源模块越来越多。对其性能要求越来越高。除去常规 电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越 高，对转换效率要求也越来越高，也即发热越来越少。这样其平均无故障工作 时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高 转换效率、更低成本更高性能的d c d c 转换器始终是近二十年来电力电子技术 工程师追求的目标【6 】。 低压大电流d c d c 变换技术的研究正在不断深入，避开专利技术的拓扑研 究将成为新一轮的热点。低压大电流电源面临稳压、散热、输入噪声和成本及 效率等方面的问题。当前的研究热点便是这些亟待解决的问题，研究较多的还 是减小开关损耗提高效率。为实现高性能d c d c ，近年来此领域不断发展并涌 现出许多新技术【7 】p 6 】。 l 、同步整流技术 随着电源供电电压的降低，普通整流二极管成为效率提高的瓶颈。为此当 前d c d c 变换器通常都是采用m o s 管作为同步整流管，其压降低，在低压大 电流场合可以大大的提高电源效率【3 引。 2 、软开关技术 在常规的p w m 电路状态转换时，即开关元件在动作切换时，要接通和断开 全部负载电流。这种开关方式称为硬开关。由于开关管在开通和关断所承受的 电压和电流非常大，这样开关要承受很大的开关应力和热应力，对电路所造成 的损耗也相当大，严重的影响效率。如果开关管在开通和关断时电压和电流的 乘积为0 ，即开关和关断损耗为0 ，这种电力半导体器件在其电压或电流为0 状 态时开通关断的技术，称为软开关技术。软开关包括零电压开关( z v s ) 和零电 流开关( z c s ) 。所谓的( z v s ) 就是电力半导体器件的电压在零状态导通、断 开的通断状态，( z c s ) 就是电力半导体器件的电流在零状态导通、断开的状态。 利用软开关技术就可以大大的降低电路损耗，提高了电源效率。如何能理想的 实现软开关技术，是一个难趔10 】【1 1 1 。 3 、数字化电源发展趋势 2 第1 章绪论 数字化在信息技术领域已经历了数十年的发展，并取得了举世瞩目的成就。 正像信息技术领域所经历的一样，开关电源也必然要经历数字化这一变革。现 在，开关电源的重要应用领域一通信电源正在从模拟控制转向数字控制，可以 预见在电源的其它应用领域如照明、医疗等领域也逐渐会慢慢地经历这一场变 革。电源领域一直是以经典的模拟控制为主的，即使是今天，9 9 以上的电源仍 然还是用的模拟控制。数字控制的电源最主要的优势体现在灵活可变的控制策 略上，控制程序可以根据不同的工作状态灵活地选取适合的控制方式和控制参 数。由于数字化的电源是一种新产品，采用的是新技术，所以还有很多不成熟 的地方。但是随着技术的不断发展以及市场的需求不断增加，数字化电源的发 展趋势也越来越强劲。 在今后的一段时间内，数字化电源将在高频开关电源中占主导地位。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器) 是一种微处理器，它接收模拟信号， 转换为0 或l 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系 统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。d s p 技术的发展为电源 的数字化和信息化提供了良好的途径。和单片机相比，d s p 的优势表现为：数据 处理能力强、高运算速度、能实时完成复杂计算、单周期多功能指令、p w m 分 辨率高、更短的采样周期等。因此，d s p 将成为高性能电源的理想控制元件。 在电力电子领域，数字化早在1 0 年前就已经在u p s ( u n i n t e r r u p t t e dp o w e r s u p p l y ) 和m d i ( m o t o rd r i v ei n v e r t e r ) 中开始进行了。到今天，u p s 和m d i 主流厂商都基本上使用数字化技术。然而，在开关电源中却起步较晚，这主要 有以下几个原因： 1 、传统的模拟控制芯片有着较为优秀的性能和较低的价格。在u p s 和m d i 等大功率应用环境中，产品的成本主要集中在功率级电路和结构件上，控制电 路的成本所占比例很小。这就是说即使使用较为昂贵的d p s 来做控制，对于攘 个产品或系统的成本影响很小。而在电源等中小功率应用场合中，控制电路的 成本占有相对较大的比重，大致为l 6 左右。因此，在成本的要求下，d s p 的价 格还是太高。但是可以看到，随着越来越多的厂商加入工业d s p 的竞争中，d s p 的价格也在逐年以2 0 左右的价格下滑。可以预见，廉价，任务单一的专门性 d s p 将在电源领域中取代原有的大部分的模拟控制”】。 2 、在u p s 和m d i 等应用中，通常使用大功率i g t b 模块作为功率开关器 件。这种i g b t 适合用在高电压大电流的场合，同时这种i g b t 由于有十微秒级 3 第1 章绪论 的拖尾电流时间，因此不能应用在高频开关上。通常大功率i g b t 工作在2 0 k h z 以下的开关频率。这样，早期的开关电源的开关频率控制在2 0 z 以下，用d s p 来实现开关的控制，体现不出优势。现在，随着开关频率的不断提高，d s p 的 速度也越来越快，己经可以满足我们去控制2 0 k h z 3 0 0 乜的开关频率的变换 器。 3 、高精度。电源尤其是通信电源要求输出有很高的精度，控制的精度和输 出的纹波电压在1 0 0 m v 以下。对于1 0 位的a d 转换器，分辨的精度大概为5 s m v ， 除此之外，还要考虑a ，d 转换器自身的低3 位还有漂动。这对于电源控制来讲 精度是不够的。当然我们可以通过改进采样算法( 例如多次采样取平均) 来改 善采样精度。当低成本和高速度这两个指标达到合适的时候，d s p 在高频电源 中的应用也就开始了。 随着d s p 芯片发展，芯片主频的不断提高，其在电力电子领域的应用逐渐 扩展到高频化，实时处理速度可扩展到数百千赫兹，应用场合也突破了传统中 频d c a c 逆变应用，而扩展到功率因数校正、有源滤波、高频d c d c 变换、 交直流电源均流并联、电源综合管理以及远程监控等功率电子的多个应用场合。 本文利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 高性能信号处理能力，将数字控制引入到高频d c d c 变换器中，实现了模拟控制的全部功能，同时实现了输出电压、电流的实时显 示以及和p c 机通信等功能，体现了数字控制的优越性 i s 】【1 9 1 2 0 l 。 1 3 本文主要研究内容 本文主要对低压大电流直流电源进行了研究和设计，对工作原理和工作过 程作了详细的分析。电源的变换过程为：交流直流交流直流，总 共三个工作过程，本文从四部分对它的工作过程进行了研究。 第一部分介绍了和设计了逆变用三相桥式整流电路。 对逆变器用三相桥式整流器的设计过程进行了详细分析，主要对电路的启 动浪涌电流抑制电路进行了设计分析以及对滤波电感和滤波电容的设计做了详 细计算和选择，对电路的功率因数进行了介绍和分析。 第二部分为电路的高频逆变部分和整流输出部分。 高频逆变部分主要介绍了拓扑结构的选择、移相全桥p w m 控制方式和开关 管的驱动方式及驱动电路设计，并对工作过程进行了仿真；整流输出部分主要 4 第1 章绪论 工作为整流拓扑的选择、相关参数的计算、滤波电感和电容的选择。 第三部分主要内容为电路的控制电路设计及软件实现方法。 采用d s p 控制的全桥移相控制方式，通过编写程序使d s p 产生精确的驱动 信号对开关管进行驱动；同时对电路过流、过压、失相等现象产生保护作用。 第四部分为主电路的参数计算和器件选择。 主要是变压器的设计、谐振电感、隔直电容、输出滤波电感和滤波电容的 设计计算及开关管的选择。最后对电路设计的可行性进行了仿真计算，并对仿 真结果进行了详细的分析。 5 第2 章逆变器用三相整流电源设计 第2 章逆变器用三相整流电源设计 2 1 逆变器用整流电源简介及其特点 随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求将越来越高，包括市 电电网在内的所有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加工才 能使用，而逆变技术在这种加工中将起重要左右。预计在今后，逆变技术对工 业自动化、交通运输、城市供电、节能、治理环境污染等方面的发展，将会产 生更大的推动作用。 逆变器是一种应用广泛的电能形式变换器，其作用是把直流电变换成交流 电能，以适应诸多的交流负载用户使用。逆变器一般都采用由二极管和晶闸管 组成的整流器作为直流电源。这种整流器直流电源，是市电电网的一种非线性 负载，也是市电电网的一种谐波源，它对市电电网有较强的污染f 9 】。 传统的整流器缺点是： ( 1 ) 市电输入电流的谐波含量高 ( 2 ) 市电输入功率因数低，一般约为0 6 0 8 ( 3 ) 对市电电网有较强的污染，使市电电网电压发生畸变 ( 4 ) 使市电输入电流额定值增大，使整流效率降低 逆变器对整流电源的要求与单独使用的整流电源的要求有相同点，也有不 同点：相同点是市电输入电流的谐波要小、市电输入功率因数要高；不同点是 逆变器对整流器的电能质量要求比单独使用的要低些，但要求整流器必须满足 逆变器的工作特点：例如输出保持能力和启动浪涌电流的抑制等，此外还要求 整流器的电路要简单可靠【1 5 】。 2 2 逆变器用整流器的性能指标 整流器的性能指标分为两类，一类是通用的性能指标，另一类是专为满足 逆变器要求的专用指标。 整流器的通用性能指标包括整流效率、电压调整率、功率因数、对市电电 网的污染等。 l 、整流器的效率与损耗：较早的标准将效率分为功率效率与变流效率两种， 6 第2 章逆变器用三相整流电源设计 最近为避免混淆，将功率效率与变流效率分别称为效率与交流因数。 功率因数表达式如下： 功率效率= 输出功率( 输出功率+ 标准规定损耗) * 1 0 0 式中，损耗包括整流二极管的正向损耗，整流变压器与电抗器损耗、整流二极 管的反向损耗等，不包括主电路连接导线的损耗和个种开关的损耗。 变流因数的表达式如下： 变流因数= 直流电压+ 直流电流交流侧基波功率 2 、电压调整率：电压调整率是在爱额定直流电流下的直流压降与理想空载 输出电压的比值，用百分数表示。电压降项目有：变压器漏抗压降、电网侧电 抗器压降、整流器件侧电抗器压降、整流器件的正向压降、电网感抗所引起的 直流电压降。包括电网电感所引起的直流电压降时，称为总电压调整率；不包 括时，称为固有电压调整率。 3 、功率因数：整流器的功率因数是市电电网输入的有效功率与视在功率之 比。根据b u d e a n 的频域分析法，其值与交流输入电流的畸变程度和输入电流基 波与输入电压之间的相移角有关。假定输入电压为正弦波、其有效值为u ，初相 位角为0 ，输入电流是有畸变的非正弦波，其有效值为i ，基波有效值为 ，基 波初相位为喁，则基波电流与输入电压的相移角为岛= q 一0 ，这样，单相桥式 整流器的输入功率为p = 【碍c o s 最，输入电流的畸变因数，定义为r = i ，反 厅可 映了电流波形的畸变程度。电流畸变率的强，d 定义为t h d ：翌! ；l ，t h d 反1 l 映了电流波形的谐波含量。在输入电流中，只有其基波电流与市电电网电压频 率相同，可以产生有功功率，而其谐波电流与市电电压频率不相同，是市电频 率的几倍，其平均功率等于零，故不产生有功功率。 去f 8 u ms i n ( f o r + o ) 1 s i n ( h c o t + 嘲) d ( 研) = 0 基波电流产生的有功功率p = c ，lc o s 8 ，令s = c o s o 。，占称为位移因数。整 流器的输入视在功率为s = w ，则单相桥式整流器的功率因数为 p f ：! ：u i ic o s , 9 + ：i lc o s u q ：，c o s 最：，f su ii 对于三相桥式整流器，p f = 3 u lc o s $ l ，s = 3 u ，故其功率因数为 7 第2 章逆变器用三相整流电源设计 p f ：! 坐! 仝堕：i , c o s , 9 , ：r c o s 最；，f 3 u ll 这说明整流器的功率因数是输入电流波形畸变因数，与位移因数占= c o s 盘, 的乘积。当电流为正弦波时，r = l ，只f = c o s 最，这就与通常的功率因数定义是 一样的。 满足逆变器要求专用的性能指标有两个，即输出保持能力和起动时的浪涌 电流及其抑制嘲【1 5 1 。这是对整流器直流输出端并接的滤波电解电容设计正确性的 检验。这在后面将具体介绍。 2 3 传统的逆变器用整流电源【1 3 l 【1 5 l 传统的工业用逆变器，一般采用二极管或晶闸管组成的整流器作为直流电 源，特别是采用二极管组成的整流器作为逆变器直流电源的情况最多。但是由 市电交流电网供电的桥式整流器只能单相导电、不能反向导电。这样就给逆变 器的高效可靠运行带来了很大的影响。 传统的逆变器用整流电源结构原理图如图2 1 市 电 _ s f 一 i v d l zi 卜v 1v d 3 zi 一用 z土2i2 u 如=兰c d 。f 负l 剖 l 罄l 寸 v 嗵i l-厂 v 0 4 2 一 _ - z lzl2 图2 1 用三相桥式整流器作电源的单相桥式逆变器 图中c 为电解电容。由于传统的逆变器用整流电源在带感性负载时，负载 电感将产生很大的与直流电源电压相反的感应电压，其值大于直流电源电压 ( ，幽，使桥式整流器中的整流二极管受反偏置而关断。存储在负载电感中的能量 虽然可以通过二极管向直流侧反馈，但直流侧没有接受这部分能量的存储器件。 这个就是传统的用桥式整流器作为逆变器的直流电源的缺点。存储在负载电感 中的能量既不能向电源反馈，又有可能烧坏逆变开关管。为避免逆变开关管烧 毁，提高逆变器效率，有效的方法就是在整流器输出端并接一个吸收反馈能量 的器件。于是在电路中接入电解电容c ，其作用不仅起滤波作用，而且更主要 的作用是用来吸收负载电感的反馈能量，起无功功率存储交换作用。电容的容 8 第2 章逆变器用三相整流电源设计 量选择问题取决于负载的无功电流。 2 4 浪涌电流及其抑制 整流器直流输出端的电解电容的值，应按逆变器从负载侧反馈无功能量的 大小，也即从逆变器无功能量的交换和存储作用进行计算，从直流滤波作用进 行计算，或从输出保持能力进行计算。所计算出的电解电容容量非常大。 由于整流器的直流输出端并接容量很大的电解电容，在通市电时，由于回 路中没有限制电流的元器件，因而将会有较大的浪涌电流产生，这个浪涌电流 就是对整流器输出端电解电容的充电电流。因整流电压较高，为保持输出能力， 电解电容值也非常大，因此合闸浪涌电流很高，持续时间也很长。 合闸浪涌电流的值与合闸瞬间交流市电电压的相位有关，也与输入滤波回 路的内阻有关。一般来说，对于功率3 0 0 - 4 0 0 w 的逆变器，合闸浪涌电流的值可 达3 5 0 - - 4 0 0 a ，持续时间1 2 m s 。如果整流器的交流输入滤波回路的内阻为盛， 市电电网交流输入电压的有效值为矾时，合闸浪涌电流的值为： = 等 大的浪涌电流不仅会引起开关触头的熔接或使输入熔体熔断，而且在浪涌 电流出现多次时还会给其它相邻用电设备产生较强的干扰。就整流器和直流滤 波电解电容而言，反复多次的承受大电流冲击也会使其性能逐渐恶化。总之， 合闸浪涌电流会引起一系列的可靠性方面的问题，所以必须设法抑制。 抑制浪涌电流的方法是在整流器与电解电容g 之间串入一个限流电阻r ， 这时的合闸浪涌电流为： = 袅 适当的选择r 的值就可有将限制在允许值之内。设乩= , 2 u s ， 足+ 矗= 胄，则此时滤波电容g 上的电压上升规律为 。上 u c = “( 1 一p8 c d ) 忙r 讪盘 9 第2 章逆变器用三相整流电源设计 可以认为：当上升到0 9 5 时，滤波电容巴上的电压就己充满，此时 扣只讪去司r c 即只要把接通限流电阻r 的时间延迟到电容q 充电时间常数的3 倍，合闸浪涌 电流就可以手到理想的限制。 限流电阻r 只在合闸的瞬间才有用，当逆变器稳定工作并开始向负载供电 时，r 就没有必要了。因此，在逆变器向负载供电之前必须把r 短接，否则r 上 将消耗很大的功率。短接r 的方法有两种：一是用继电器或者接触器产生的延 时电路来实现，称为有接触式，原理图如图2 2 所示。 r 市 电 匕：一l _-_ i由r ，2lz l 一一 ， r j 一 甲菩宁 lll、l 图2 2 防止合闸浪涌电流电路一 合闸时，电容。通过限流电阻r 充电，充电电流被限制。当电容c ：上的电 压上升到给定值或是g 上电压上升到使接触器k 吸合时r 被短接。另一种方法 是用晶闸管v t 来短接r ，称为无触点式，原理图如图2 3 所示。 r 1 图2 3 防止合闸浪涌电流的电路二 这是一种最常用的抑制方法。为使电路简化，通常是借用逆变器输出变压 器上的一个辅助绕组来触发，当逆变器输出变压器辅助绕组上的电压上升到一 1 0 f 已 第2 章逆变器用三相整流电源设计 定值以后，触发晶闸管，使其对r 短路。延时电路的延迟时间一般取( 尽+ r ) g 时间的常数的3 5 倍，此时即可认为直流滤波电容已充电完毕，否则就会因充 电时间不足而出现浪涌电涮1 3 1 。 2 5e m i 滤波器在三相桥式整流电路中的作用 e m i ( e l e c t r o - - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) 是一种电磁干扰滤波器， 能够有效抑制电力设备中的电磁干扰。e m i 滤波器常常又分为信号线e m i 滤波 器、电源e m i 滤波器、印刷电路板e m i 滤波器、反射e m i 滤波器、隔离e m i 滤波器等几类。随着现代工业技术的发展，各种非线性和时变性电子装置如逆 变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，电力电子装置的开关动作都会 在电源线上产生大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电压和电流波形的严重 失真。特别是军用装备如舰船和潜艇，它们具有独立的供电系统，当电能通过 交直流发电机产生时，发电机中磁极不平衡、绕组不平衡以及铁心饱和等原因， 使得感应出的电势不是理想的正弦波，而包含一定的谐波成分。 对于潜艇供电系统而一言，既有直流供电又有一交流供电，直流供电时， 电源传输线上的阻抗与传输线与地面之间的分布电容构成了一个r c 振荡回路， 当线路中的开关动作时，r c 回路就会产生自激振荡，从而在电源线上产生振荡 电流形成谐波干扰，交流供电时，由于整流二极管导通时间很短，会出现脉冲 尖峰电流，根据傅立叶级数原理，脉冲尖峰电流可以看作由许多高次谐波电流 组成。此外，雷电、水声噪音等外界条件的影响，也会在电源线上产生干扰。 电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰 可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传 到电网上，对网上其它设备造成干扰。 在本课题电源设计，必须考虑电源输入时发生的缺相及干扰情况的发生， 电能质量差将对设备造成非常大的干扰和损害，严重的将损毁设备。为了防止 这种情况的发生，必须考虑在设备的电源入口处安装一个电源线e m i 滤波器， 滤波器只允许设备的工作频率通过，对高次谐波有很大的损耗，这样就降低了 对设备的干扰和损害。由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源 线e m i 滤波器。 传统的电源线e m i 滤波器是由电感、电容等集中参数元件构成的无源双向 第2 章逆变器用三相整流电源设计 多端口网络，它实际上相当于两个低通滤波器，一个衰减共模干扰，一个衰减 差模干扰，它能在阻带( 1 0 k h z ) 范围内衰减射频能量而让工频信号无衰减或很 少衰减地通过。这种电源线滤波器对高频信号有很好的滤波效果，但从无源低 通滤波器的实现原理上看，截止频率越低的滤波器，实现起来越困难，并且体 积和成本都很大，且滤波效果不好。 电磁干扰滤波器对共模信号和差模信号都应有抑制作用，这取决于e m i 滤 波器的结构。e m i 滤波电路有四种常用的网络结构，分别为c l ，万，t ，l c 型， 有无源器件电容器和电感器组成，分别应用在不同的场合。其结构原理图如图 2 4 所示。 图2 4e m i 滤波电路网络结构原理图 实际使用中e m i 滤波器是由这四种结构按不同方式组合而成，由共模和差 模滤波电路共同组成，如图2 5 所示。 c 瀚嚣 图2 5 ( a ) 普通型e m i 滤波器 1 2 譬f yy厂 o 0 第2 章逆变器用三相整流电源设计 差模电感 图2 5 ( b ) 差模增强型e m i 滤波器 放电 电阻 图2 5 ( c ) 增强型e m i 滤波器 为此，在设备的电源输入端口合理的选择e m i 滤波器非常重要，这将影响 电路后面各部分的工作。选择合理对电路的干扰将非常小，若选择不合理，会 对电源后面的工程造成非常大的影响，严重的话将损毁设备。 2 6 三相桥式整流器电路的功率因数校正技术及谐波抑制1 1 5 l 功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简写为p f c ) 技术直接接入电网的 开关电源应用己经非常普遍，工频或中频交流电经整流桥转换为非稳态的直流 电，这种通用的整流方式仅当输入正弦电压的幅值高于电解电容c 两端电压与 整流器正向压降之和时，电网才有电流输入，网侧输入电流的导通时间相当短， 一般不超过4 m s ，系统的输入阻抗很小，等于电解电容的等效串联电阻及整流桥 的正向动态电阻，故网侧输入电流的瞬时值相当高，在电容充电期间形成脉冲 电流，其电流峰值高，谐波电流及波形失真大，造成了功率因数低，一般仅为 o 5 0 7 6 。而且开关电源由于受浪涌电流和电流的瞬时峰值的冲击，系统可靠性 受到了很大的影响，在设计中必须选用技术指标高的元器件，最基本的如增加 功率管的容量，增大保险丝、断路器及传输线的规格等，这些都提高了开关电 源整机的成本。 用市电供电时，引起电网的电压波形失真，三相电压不平衡，中线电流加 大，对电网造成严重的谐波污染和干扰，增加了损耗，浪费了能源；同时会对 1 3 第2 章逆变器用三相整流电源设计 电力系统产生干扰和污染；除了对电力系统产生污染，电压和电流的谐波对通 信系统还产生干扰，还可引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。随着用 电设备日益增多，谐波污染问题引起了越来越广泛的关注，使用有效的校正技 术把谐波污染控制在较小的范围已是当务之急。经过过去几十年的发展，功率 因数校正技术伴随着电力电子产品更加广泛的应用已经日趋完善，其控制方法 和手段也日趋灵活多样。目前，基于已有原新原理下的新拓扑结构的提出、把 其他类型变换器的新技术引入这一领域以及对于新拓扑结构采用新的控制方 法，这些进展都在不断地丰富着功率因数校正技术。但是，许多有源功率因数 校正技术给电器设备带来了附加成本和复杂性，这极大地限制着这一技术的广 泛应用。 目前采用的功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o n e c t i o n ) 方法主要有两种，有源 校正和无源校正。无源校正网络是用电容，电感，功率二极管等无源器件组成， 主要是通过提高整流导通角的方法来减小高次谐波。它虽然控制简单，成本低， 可靠性高，然而体积庞大，难以得到很高的功率因数。有源功率因数校正器可 以得到很高的功率因数，而且体积小，但是电路复杂，造价高，电磁干扰( e m i ) 大，平均无故障时间下降。有源功率因数校正已广泛应用于开关电源，交流不 问断电源等领域。而有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简称为 a p f c ) 电路根据输入电压的不同，又可以分为单相和三相两类，三相a p f c 有 着一些优点，如输入功率高，然而它的一个严重缺点就是三相之间的耦合问题， 控制机理比较复杂。本章主要研究用电容、电感、功率二极管等无源器件组成 的无源校正网络。 从不同的角度看，p f c 技术有多种分类方法。按电网供电方式可分为单相 p f c 电路和三相p f c 电路；按电路构成形式可分为无源p f c 电路和有源p f c 电 路。当今，市场上较多地使用单相高频开关电源，针对这种情况，我们对单相 a p f c 作一简单分类。一般主要有两种基本的a p f c ，一种是变换器工作在不连 续导电模式的“电压跟随器”型( v o l t a g ef o l l o w e r ) ；一种是变换器工作在连续导 电模式的“乘法器”型( m u l t i p l i e r ) 。另外还有磁放大p f c 技术、三电平( t h r e e l e v e l ) p f c 技术和不连续电容电压模式( d c v m ) p f c 技术等。 所谓无源功率因数校正，就是在a c d c 变换器电路中的加入无源l 或者加 入无源电感l 和无源电容c 而使整流器输入端电流接近于正弦的方法，以补偿 滤波电容的输入电流，限制输入电流的上升率( d d t ) ，延长导通时间，功率 1 4 第2 章逆变器用三相整流电源设计 因数可以提高到0 9 。无源p f c 技术电路简单，容易实现，但校正效果有限，在 实际应用中还受到体积、重量、性价比等各种因素的限制，目前主要在电力系 统中有些应用。 由于本章主要研究无源功率因数校正，因此主要讨论对无源功率因数校正 的方法和各参数的设计与分析。 无源功率因数校正有三种比较基本的方法：一种是在整流器与直流滤波电 容之间串入无源电感, d ，二是在整流器输入端口串入无源l c 串并联槽路；三 是利用电容和二极管网络构成填谷( v a l l e yf i l l ) 方式。 2 6 1 整流器与直流滤波电容之间串入无源电感及参数计算 在整流器与直流滤波电容c 玎之间串入无源电感l d 的三相桥式整流电路如 图2 6 所示。 市 电 里0 +l d u l d 粤c d _ zlzlzl ：囡 u x 士 ! c 毒一 i 器l 差 - 一 - 一 2lzlzl u d 1 图2 6 在整流器与直流滤波电容之间串入无源电感的无源校正电路 接入电感后，电感l d 把整流器与直流滤波电容c d 隔开了，因此整流器与 之间的电压可以随输入电压而变动，这就使整流二极管的导通角增大，从而使 输入电流波形得到改善。直流输出电压脉动的降低通过选取c d 来实现，而主要 是为了减小输入电流的畸变、提高输入功率因数来设计的，这就改变了以前把 l d 与c d 组成直流滤波器来设计的旧观念。 设电源电压的标称值为以b 。) ，电源的周期为t 。) ，同功率电阻性负载时 的电流标称值为l f 一1 。我们可以得到以下计算式： ，r下 l d ：f o 1 o 1 2 7 1 二坐型塑 ，( 。) 对于单相整流器无源功率因数校正电路，还需在电源侧并接位移电容来补 1 5 第2 章逆变器用三相整流电源设计 偿，计算式为： a ：o 1 2 生l 竺! 墨i 竺竺2 以( 。， 2 6 2 填谷式无源功率因数校正 近年来，无源p f c 技术也有所发展，典型的新型无源p f c 技术就是利用电 容和二极管网络构成的填谷( v a l l e yf i l l ) 方式p f c 整流电路，这种无源校正的 出发点是：降低充电电流峰值，增加整流二极管的导通脚。其基本结构如图2 7 所示。 、 盈姚 一 = c t7 d 3 l 、 dz、 = d 2 l p 钭一 毛r r _ 一_ - u 即，输入电容继续充电，直至u 鲈= u 9 1 为止。i g b t 的开通时间为： t o = 岛+ t ( 3 1 6 ) 3 6 3i g b t 关断过程 关断时，u g 突降为- u 萨，c 蛔被反向充电，u 鲫下降，经过t s 后，u 辨= u 鳟 u g 。继续下降，器件进入饱和区，u 扩开始上升，由于c g c 的反馈作用，u g c 近似 不变，该过程将持续k 。当u 矿- u d 时，d o 正偏导通，i c 开始下降。在t n 阶段， 由于m o s 沟道被切断，原先通过该沟道的电流迅速下降，相应地d o 中的电流i d 0 上升，为维持原先电流，储存在l k 中的磁能释放出来，l k 的端压u l 反向， 该电压使i g b t 产生关断过电压。在垃阶段，m o s 部分电流己完全截止，漏区 少子只能依靠义合消除，电流下降速度明显减缓，形成电流拖尾，由于i g b t 己 承受正向阻断电压，因而尽竹拖尾电流较小，也会产生关断损耗。所以i g b t 的 关断时间为： t 呵= t | + t 。+ t n + t f 2 l 3 1 7 ) 3 6 4i g b t 开关管对驱动电路的要求 i g b t 是电压驱动型器件，容性输入阻抗，要求驱动电路提供一条小阻抗通 路，使棚极电压限制在一定的安全数值内。驱动电路与栅极连线要尽量短，源 极对地的阻抗要尽量小。根据i g b t 的特性，要求驱动电路符合以下要求： ( 1 ) 能向i g b t 提供适当的正向栅压，当【，。一定时，正偏压l k 增大，。 越小，i g b t 通态压降和开通损耗均下降，但若c 名。过大，一旦出现短路，短路 电流c ，也会随着。增大，器件越容易损坏，对电路也越不安全。一般取( 名。小 于1 5 v 。 ( 2 ) 虽然栅极电压为零就可使i g b t 处于截止状态，但为了减小关断时间， 提高i g b t 的耐压、d r d t 耐量和抗干扰能力，防止由于关断浪涌电流过大而使 i g b t 误导通，一般在i g b t 处于阻断状态时，应加一个反向栅压，但过大的反 向栅压又会造成i g b t 的g e 反向击穿，因此，不宣太大，一般取2 - 一1 5 v 。 ( 3 ) 选择合适的栅极串联电阻i b ，r g 较大，有利于i g b t 的电流上升率 及电压上升率，但会增加i g b t 的开关时间和开关损耗；r g 较小，能够提供足 第3 章主电路结构设计 够大的瞬时电流，使i g t b 能及时迅速的开通和关断，但会使门极电压产生振荡， 会引起电流上升率增大，d r d r 耐量减小，使i g b t 误导通或损坏。r g 的具体数 据与驱动电路的结构及i g b t 的容量有关，一般在几欧至几十欧。 (