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 2GTO的触发驱动器7 1 3BJT的驱动器7 1 4P 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 5 s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 2GTO的触发驱动器 7 1 3BJT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 3BJT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 3BJT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 3BJT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 4P MOSFET IGBT的驱动器 一般选取正UGE 12 15V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 4P 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 4P 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LP 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L 0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VD i0关断 通态 断态 rT从0 iT从Io线性下降至0 VT从0 VD 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 iT Io之前 D仍导电 VT VD在tri期间it Io D仍导电 VT VD A B 此后 在tfv期间 iT Io D截止 rT VT 0 B C关断 rT 在trv期间VT VD D仍截止 iT Io C B此后 在tfi期间VT VD D导电 rT iT 0 B A 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 rT iT Io t tri tri期间上升时 D仍在导电 VT VD L diT dt VD L Io tri VQ VD 工作点从A立刻转移到Q点 在tri期间再从Q E 此后iT Io rT VT从VQ 0 工作点从E C 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VT VD前 D仍反偏截止 iT Io 工作点从C B此后rT 一旦VT VD时 D导电iT线性减小 vT VD L diT dt VD L Io tfi VCEP 工作点立即从B H 在iT从Io 0期间工作点从H P 一旦iT 0 工作点从P A 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CBAL 0时 开通轨迹AQEC 关断轨迹CBHPAL 改善了开通轨迹 恶化了关断轨迹安全工作区 VT VCEP KJ线左侧iT ICM NM线下方Pt VT iT 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 3P 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 L diT dt VD L Io tri VQ VD 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 rT iT 在VT VD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 iT 0 iC Io 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 iR 0 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 BookP 254 BUCKDC DC变换器VD 200V Io 10A Vo 100V fs 20KHz Po 1KW tri tfr tfi trv 0 75 s Ls 3 H 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 01875 F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 P off 3 125W Poff 37 5WP on 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VD50 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 3P MOSFET IGBT的限幅箝位缓冲器 关断过程 rt 在vT从0 VD期间D0 D仍反偏截止 iL iT Io 工作点从C B vT略大于VD后 D0导电 iT 0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 C B B M M P iT 0 VC VT VCM VTM后 T关断 iL继续对C充电 iL 0时vC vT VTP VCP P A VC VT经L 电源 R放电至VD 关断轨迹为 C B M P A 7 4 3P MOSFET IGBT的限幅箝位缓冲器 续1 7 4 3P 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 A F rT iT iL Io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A F 7 4 3P MOSFET IGBT的限幅箝位缓冲器 续3 7 4 3P MOSFET IGBT的限幅箝位缓冲器 续4 开通过程 中 F C iT Io时 VT VTF D0 D截止 rT VT 0 VC VD 工作点从F C 7 4 3P 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 2 H C 5 F R 5 tfi 1 5 S tri 1 S 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 200 s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 I 2m V2 R 10 50 0 2A磁化电流 im Hm lc N1 0 05A负载电流折算至N1 I 2m i2m N2 N1 0 16A 选用直径0 2mm导线 q 4 0 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2 3倍或SC N可小2 3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 2LC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i2hLo感抗XL 2 fhLo fh高 XLh大Co容抗Xc 1 2 fhCo 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i1hL1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is is1L1 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 2LC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 2LC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 2LC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40dBu 0 5 0时 VL V2 0 0416 衰减27 6dBu 0 5 0 5时 VL V2 0 0408 衰减27 8dB相频特性 u 0 1 VL滞后V290 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 2LC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 2LC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 2LC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 C j Pi C C C S 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R jc 0 06 壳 散热器之间的热阻R cs 0 03解 结 壳之间的温差 jc R jc P 0 06 500 30 允许