59319功率电子课件59319-5新能源汽车功率电子基础课件VEH03245-5

第5章逆变技术,程夕明北京理工大学机械与车辆学院电动车辆国家工程实验室,办公室：车辆实验楼501C电子邮件：CXM2004微信：BITXMCHENG,目录,基本概念5.1单相逆变电路5.2三相逆变电路5.3三相SVPWM技术总结,基本概念功能与分类,功能（1）将直流电直接变换为交流电；（2）交流电的电压/电流幅值和频率均可调。,分类（1）负载方式：电网侧的有源逆变和独立负载的无源逆变；（2）直流电源：电压型和电流型逆变器；（3）逆变电路：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器，多重化；（4）PWM方式：方波、正弦波、空间矢量。,应用（1）直流电源：蓄电池、伏光电池、燃料电池等给交流负载供电；（2）可控交流：交流电机调速、感应加热、UPS；（3）电网馈电：电机再生制动的直流电能向交流电网回馈。,基本概念逆变原理.电路及波形,图5.1电压源逆变器功能框图,基本概念逆变原理.电路及波形,b),t,u,o,i,o,t,1,t,2,感性负载,a),S,1,S,2,S,3,S,4,i,o,u,o,U,d,逆变原理波形,基本概念冲量等效原理,冲量等效原理大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。,基本方法（1）等弧度分割目标正弦波。（2）计算等弧度脉波冲量。（3）等幅直流等效等弧度脉冲。（4）计算等幅直流脉宽。（5）等幅正弦电压脉宽作用在感性电路上，生成正弦电流。,5.1单相电压源逆变电路中心抽头变压器型,图5.2,5.1单相电压源逆变电路半桥型,图5.3,5.1单相电压源逆变电路H桥型,图5.3,5.2单相电压源逆变器PWMSPWM生成方法,单极性SPWM等幅而不等宽的正负脉波电压的瞬时取值为：UI、0、-UI。,O,w,t,U,I,-U,I,双极性SPWM等幅而不等宽的正负脉波电压的瞬时取值为：UI、-UI。,O,w,t,U,I,-U,I,5.2单相电压源逆变器PWMSPWM信号调制,基准波与载波（1）基准波（调制信号）：被调制的低频信号，如正弦波；（2）载波（载波信号）：常用三角波。,调制度与载波比调制度ma：基准信号的幅值urm与载波信号的幅值ucm之比；载波比mf：载波频率fc与调制频率fr之比。,调制方法（1）同步调制：载波比mf为常数的信号调制方法；（2）异步调制：载波比mf可变的信号调制方法；（3）过调制：调制度ma大于1的PWM信号调制方法。,ur,uc,SPWM自然采样法,自然采样法按照SPWM的控制原理，在正弦波和三角波的交点时刻生成的已系列等幅而正弦脉宽的PWM波的方法。,自然采样法求解脉宽t2是一个超越方程，与调制度和载波比相关，求解困难。,5.2单相电压源逆变器PWMSPWM自然采样法,SPWM规则采样法,规则采样法（1）三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。（2）脉宽中点与三角波负峰点重合，tE容易确定。（3）简化计算，近似自然采样法。,SPWM嵌入式方法（1）离线计算SPWM波形的脉宽数据；（2）写入MCU/DSP的ROM；（3）实时读出ROM的SPWM数据。,5.2单相电压源逆变器PWMSPWM规则采样法,5.2单相电压源逆变电路单极性SPWM技术（1）,电路结构,基本工作原理（1）电容的滤波作用；（2）桥臂的两个开关禁止同时导通，两个桥臂的对角开关可同时导通；（3）桥臂可同时处于断开状态。,5.2单相电压源逆变电路单极性SPWM技术（2）,图5.5,5.2单相电压源逆变电路单极性SPWM技术（3）,单极性SPWM的调制原理（1）用规则采样法产生SPWM的脉冲信号控制功率开关；（2）一个三角波载波，两个相位差180的基准信号；（3）uruc,S=1；uruc,S14=1，S23=0；（4）ur=uc,S14=0，S23=1；（5）开关对角同时导通/关断，S=1表示H桥臂对角功率半导体开关导通，S=0表示H桥臂对角功率半导体开关截止。,5.2单相电压源逆变电路双极性SPWM技术（4）,调制占空比及输出电压计算,（1）占空比,（2）输出电压,载波信号幅值等于直流电压值,图5.9,5.2单相电压源逆变电路双极性SPWM技术（5）,图5.10,5.3三相电压源逆变电路工作原理（1）,电路结构,工作特点（1）负载Z为星型联接，电容滤波；（2）八种开关状态，两种零状态，六种非零状态；（3）二极管续流与能量回馈。,图5.11,5.3三相电压源逆变电路工作原理（2）,开关状态,表3,5.3三相电压源逆变电路单极性SPWM（1）,图5.12,5.3三相电压源逆变电路单极性SPWM（2）,三相SPWM的单极性调制原理（1）共用一个载波信号uc。（2）ura、urb、urc信号波幅值频率相同，相位相差120o；线性调制。（3）每相正弦调制信号与三角载波信号比较，当调制信号大于载波信号时，该相桥臂的触发脉冲为正，表示上桥臂的开关导通，而下桥臂的开关关断。（4）当调制信号小于载波信号时，该相桥臂的触发脉冲为零信号，表示上桥臂的开关关断，而下桥臂的开关导通。,单极性SPWM的基波（ma=1）,SPWM逆变器的相电压瞬时输出,SPWM逆变器的相电压基波峰值,SPWM逆变器的线电压基波峰值,注意：单极性SPWM调制的中性参考点为两个输入滤波电容中点O。,5.3三相电压源逆变电路单极性SPWM（3）,5.3三相电压源逆变电路单极性SPWM（4）,图5.13,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（1）,电压空间矢量的定义（1）三相定子绕组空间正弦对称分布。（2）每相绕组的电压幅值正弦变化。（3）A相绕组轴线为参考，ABC绕组逆时针布置。（4）两相坐标轴定位于A轴。,图5.14(a),图5.14(b),电压空间矢量的极坐标形式,空间电压矢量,三相正弦电压,极坐标形式空间电压矢量,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（2）,电压空间矢量的笛卡尔坐标与正弦电压的关系,极坐标形式单位空间电压矢量,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（3）,两相静止坐标系,三相坐标系,桥臂电压与三相逆变电路拓扑开关状态的关系,定义,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（4）,正弦电压与三相逆变电路拓扑开关状态的关系,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（5）,单位空间电压矢量与三相逆变电路拓扑开关状态的关系,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（6）,图5.15(a),任意电压空间矢量的生成（1）空间矢量圆平分成六个扇区；（2）每个60o扇区以相邻的两个空间矢量ux和uy为界；（3）每个空间矢量U都能够表示为ux和uy的矢量和；（4）对于一定PWM周期Tc的实时控制，用零矢量uz（u0或u7）来填充剩余的时间。,图5.15(b),5.3三相电压源逆变电路SVPWM（7）,占空比计算（扇区0-60）,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（8）,图5.15(b),SVPWM调制性质,零开关电压矢量的作用时间,逆变器相电压最大有效值,逆变器线电压最大有效值,SPWM逆变器线电压最大有效值,结论：在相同的直流电压激励下，SVPWM比SPWM调制的逆变器电压利用率提高15%。,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（9）,开关顺序（1）中性对称PWM；（2）每次只改变一个桥臂的开关状态；（3）扇区启动时，零矢量为uz；（4）扇区停止时，所有开关截止。,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（10）,提高电压利用率（1）提高逆变器的输出能力，可采用梯形信号波；（2）采用正弦基波叠加一个三次谐波构成信号波；（3）采用过调制SPWM或空间矢量PWMSVPWM。,开关次数（1）减少功率半导体器件的开关次数能够降低功耗；（2）单相逆变器的单极性SPWM比双极性SPWM的开关次数少；（3）三相逆变器的SVPWM比SPWM的开关次数少。,谐波（1）减小谐波，能够降低功耗，能够降低EMI；（2）减小谐波，可采用提高开关频率，多电平逆变器，使用消除特定谐波的PWM技术。,5.3三相电压源逆变电路SVPWM（11）,逆变技术总结,基本类型：电压型和电流型，单相和多相，二电平和多电平。PWM技术（1）综合考虑电压利用率、谐波系数、效率等几个方面；（2）SVPWM和SPWM的电压利用率分别为1和0.866；（3）SVPWM和SPWM的谐波效果逐渐改善；（4）常采用等腰三角波的载波技术；（5）采用规则采样法来实时计算SPWM的占空比。高压大功率技术：多电平技术、多重化技术。安全技术（1）短路保护：输出短路、接地故障；（2）基本保护：过流保护、过压保护、过热保护、欠压保护；（3）输出互锁：同一桥臂的功率半导体开关的驱动信号互斥。,本