现代电力电子 研究生PPT课件

现代电力电子技术,MODERNPOWERELECTRONICS,绪论,现代电力电子技术,MODERNPOWERELECTRONICS,35%efficiencygain,电力电子技术的发展过程,半导体固态电子学:1947年晶体管诞生1956年晶闸管问世,微电子技术-信息处理。特点：集成规模、功能。,电力电子技术-电能控制与转换。特点：器件衍生，功率、性能提高,两个阶段,传统阶段（5780）：SCR家族。快速KK、逆导RCT、双向TRIAC、不对称ASCR等。应用电路相当成熟-老化。,现代阶段（80）：全控家族。可关断晶闸管GTO、功率晶体管GTR(BJT)、功率场效应管MOSFET、绝缘栅极晶体管IGBT(IGT)、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT等。,全控器件电路拓扑结构发展20kHz革命：顺变逆变时代,两个方向,器件是改朝换代的领袖,电力电子技术的发展趋势,器件：大容量化、高频化、集成化,电路：形式弱电化、速度高频化、动作软开关化,控制：智能化、数字化,全电战车,挑战机遇,课程特点,1、强调基础,2、注重实践,电路、磁路、电子、控制,基本拓扑、原理,实践积累,应用,后续课程,1、电力电子器件的建模与仿真,2、软开关与谐振变换技术,3、开关电源的原理与设计,4、EMI的产生及其抑制,课程内容,1、DC-DC变换器*,2、DC-AC变换器,6、电力电子器件及其建模,9、谐振软开关变换器,3、开关过程与缓冲技术,4、斩控式AC-DC变换器,5、斩控式AC-AC变换器,7、电力电子电路与系统的建模与仿真,8、电力电子仿真软件应用,例：直流电压源,1、线性晶体管串联式稳压电源,电压调节范围小,损耗大、效率低,工频变压器大,有电磁隔离,例：直流电压源,2、斩波式稳压电源（无滤波）,无变压器,电压调节范围大,损耗小、效率高,无电磁隔离,输出脉动大、电压尖峰,例：直流电压源,2、斩波式稳压电源（LC滤波）,无电磁隔离？,输出脉动小,例：直流电压源,3、半桥斩波式稳压电源（高频隔离）,U4fsNBmS,现代电力电子技术：分解重新整合,例：直流电压源,4、新的问题性能提升,PFIoc=1.8A,Io=1A断续,输入电流保护输出电压保护,仿真分析,4,D=0.4,Buck-BoostConverter,I/O电流脉动较大应加滤波器,fS=20kHzPo=10W,1-4CukConverter,CukConverter,CukConverter=Boost串联Buck,Cuk电路分析,Cuk电路分析,例：f=50kHz,D=0.33,1-5多象限斩波电路,一、双象限半桥式斩波器,BuckConverter,BoostConverter,双象限运行，电流、功率可逆,并联,双象限半桥式斩波器,设：L足够大；稳态；R=0,对电机负载，E由Ui而来,对蓄电池负载，E不由Ui决定,双象限半桥式斩波器,二、四象限全桥式斩波器,正接+短接,四象限运行，电压、电流、功率均可逆,半桥并联,反接+短接,开关器件动作规律：每臂两个开关不同时断开不同时导通即：同臂互补动作（实际存在闭锁时间）,四象限全桥式斩波器,设：L足够大；稳态；R=0,双极性单PWM控制,1,对角线互补控制（正接+反接）,单极性双PWM控制,2,同臂反相控制（正接+短接）,？输出如何为负？,1-6带变压器隔离的直流变换电路,前述变换器的不足：1、无隔离；2、传输比限制；3、单路输出,引入隔离变压器均可克服,隔离形式：1、单端；2、并联；3、半桥；4、全桥,比较条件：1、D=0.5；2、输入功率相同,单端式（Buck-Boost)：,S电压Usm应力大,线路简单（+MRT？）,开关通态平均电流Ism=2Ii,需磁复位,变压器利用率低,适用于200W以下容量,1-6带变压器隔离的直流变换电路,并联式(推挽式）：,S1、S250%互补动作,开关通态平均电流Ism=Ii,无需磁复位MRT,变压器利用率低,适用于Ui小Ii大的条件,S电压应力Usm=2Ui,1-6带变压器隔离的直流变换电路,半桥式：,开关通态平均电流Ism=2Ii,变压器利用率高,S1、S250%互补动作,S电压应力Usm=Ui,无需磁复位MRT,适用于Ui大Ii小的条件,1-6带变压器隔离的直流变换电路,全桥式：,开关通态平均电流Ism=Ii,变压器利用率高,S1、S250%互补动作,S电压应力Usm=Ui,无需磁复位MRT,适用于大（1kW以上）功率要求,线路复杂、S多、N1大,1、交变磁化,一,磁性材料的工作状态,2、单向磁化,3、偏直磁化,铁心利用率高,剩磁无限制,铁心损耗大,铁心利用率低,剩磁要小（加气隙）,铁心损耗小,铁心损耗很小,加气隙增电流,铁心利用率很低,正激变换器ForwardConverter,二,以Buck电路为基础的正激变换器,剩磁的危害,T的原、副边同时工作正激,S开通：,S关断：剩磁电感、漏感+电流急剧变化关断电压尖峰,剩磁=剩余能量,正激变换器ForwardConverter,二,磁复位技术,转移消耗：,正激变换器ForwardConverter,二,磁复位技术,再生反馈：,正激变换器ForwardConverter,二,磁复位技术,强迫去磁：,实用电路,正激变换器ForwardConverter,二,双端正激变换器,S电压应力Usm=Ui,反激变换器FlybackConverter,三,变压器=耦合电感,多路输出自动均衡,L1蓄能,L2释能,反激CCM变换分析,设：在直线段以单线变化,反激临界变换分析,设：在直线段以单线变化,设：在直线段以单线变化,反激DCM变换分析,反比于Io正比于D2,CCM、DCM负载均不可开路！,设：在直线段以单线变化,反激DCM变换分析,反激变换器注意事项,1、CCMD的双重限制,2、DCMUo对D的限制,3、DCMCCM,例：双端反激变换器,自激变换器RoyerConverter,四,通电后，设V1开通较快,换流过程,自激变换器RoyerConverter,四,开关频率,1-7常用PWM集成控制器,TL494脉宽调制开关电源集成控制器,TL494的特点,推挽/单端输出；最高工作频率300kHz；内部基准电压5V；输入电压41V；工作温度范围：TL494I为TL494C为,TL494的引脚排列,TL494的引脚排列,各引脚的名称、功能和用法,TL494的性能与特点-3,1,各引脚的名称、功能和用法,TL494的性能与特点-2,1,、各引脚的名称、功能和用法,TL494的内部结构,TL494的工作波形,工作频率,死区时间控制器输出脉冲信号的宽度与管脚4所设的电平高低有关。,引脚5所接电容恒流充电和快速放电，在电容CT上形成锯齿波。,右图TL494为推挽输出型。,TL494在PWM调速系统中的应用,SG3525A的引脚排列,主要特性,8至35V工作可外接电容，实现软启动100Hz500kHz振荡器范围带滞后的输入欠压锁定可调整的死区时间控制双路流出/吸收输出驱动器逐个脉冲封锁功能,各引脚的名称、功能和用法,各引脚的名称、功能和用法,各引脚的名称、功能和用法,、SG3525A的功能框图,、工作频率,改变接在引脚8与地之间的软启动电容器的容量可以改变软启动时间,SG3525A在双端输出驱动MOS功率管电路中的应用,第二章DC-AC变换器(Inverter),2-1硬开关方波逆变电路,2-2硬开关PWM逆变电路,2-3SPWM驱动信号的产生方法,2-4硬开关PWM逆变电路的谐波分析,2-5改善电压波形的技术措施,2-7闭锁时间对输出电压的影响,2-6逆变电路的控制,逆变器的分类：,主要优点：,主要指标：,1、功率因数（PFPowerFactor)：,2、畸变谐波评价,畸变因数(DFDistortionfactor),总谐波因数(THFTotalHarmonicDistortionfactor),谐波因数(HFHarmonicfactor),最低次谐波(LOHLowest-orderHarmonic),3、逆变效率,4、电磁兼容性EMI,5、功率体积（重量）比,2-1硬开关方波逆变电路,1,单相逆变电路,2,三相逆变电路,方波逆变=PWM逆变的特例,单相逆变电路,1,半桥逆变电路：,逆变电路的基本单元！,无论电流方向如何,S1、S250%互补导通,半桥逆变电路工作波形,无直流、无余弦、无偶次谐波,半桥逆变的输出功率,PDC有功功率；PAC无功功率,全桥逆变电路,50%对角线互补控制,输出电压大一倍开关电流小一倍,波形与半桥类似,特点：,全桥移相式逆变电路,THFmin仍20%，且LOH=3,三相方波逆变电路,2,纵向换流控制方式,k=1,2,3自然数,横向换流控制方式,无直通,2-2硬开关PWM逆变电路,1,单相桥式SPWM逆变电路,2,三相桥式SPWM逆变电路,2-2硬开关PWM逆变电路,基本原理,等幅、等距、不等宽方波正弦波调压、调频,电路构成构成,调制方法,正弦波脉宽调制SPWM,单相桥式SPWM逆变电路,1,单极性调制：,正接+反接+短接,单相桥式SPWM逆变电路,1,双极性调制：,正接+反接,对角线互补,三相桥式SPWM逆变电路,2,载波比,异步调制：m整数,同步调制：m=整数分段同步,为保证三相对称，共用载波应与三相调制波交点相差120：m=3nn为正整数,为保证输出无偶次谐波、无余弦项，输出波形应1/4对称：m=3nn为正奇数,输出波形(m=3),2-3SPWM驱动信号的产生方法,1,自然采样法,2,低次谐波消去法,3,规则采样法,硬件：分立、集成（SA8X系列）软件：DSP、单片机编程,自然采样法（双边调制）,1,利用硬件原理计算交点时刻，设：,规则采样法（单/双边调制）,2,锯齿波调制（单边）,三角波调制（双边）,含偶次谐波,低次谐波消去法,3,以低次谐波=0为目标，计算开关时刻。,得(m-1)/2个时刻消(m-1)/2-1种谐波,在1/4T内按富氏级数公式计算n次谐波幅值,单相逆变消3、5次谐波,2-4改善电压波形的技术措施,1,新型主电路结构,2,多重化结构,4,优化PWM技术,3,附加输出滤波器,新型主电路结构（中点钳位式PWM逆变NPC-PWM）,1,直流中点钳位（主控器件全关断）,全部器件耐压=Ui/2,单极性调制（谐波小于双极性Ui/2）,优化PWM技术（倍频式PWM）,2,fs谐波,倍频！,多重化电路结构（三相）,3,多重化电路结构,3,附加输出滤波器,4,利用负载滤波,附加滤波器,2-5逆变电路的控制策略,1,电压单环反馈控制,2,电压电流双环反馈控制,4,电流单环反馈控制,3,电压空间矢量控制,5,直接转矩控制*,电压单环反馈控制（电压平均值单环反馈控制方式）,1,单结构简单，调节连续；,响应速度慢：主电路滤波、检测滤波、PI大电容；,电压波形开环，非线性负载下，电压畸变严重；,电压单环反馈控制（电压瞬时值单环反馈控制方式）,1,电流单环反馈控制（电流滞环跟踪控制方式）,2,电流单环反馈控制,2,初始,滞环越小，电流谐波越少，但开关频率越高；,电流波形调节速度快，一开关周期完成；,一阶电路，无条件稳定；,开关频率不固定；安秒不平衡，半桥不宜。,每周期iL变化相同，uL伏秒平衡，无磁偏；,电流单环反馈控制（恒开关频率电流控制方式）,2,开关频率固定，同步开关控制；,高次谐波大于滞环跟踪控制。,电压电流双环反馈控制,3,外环：稳定低频输出正弦电压；,内环：稳定高频调制输出电流，围绕正弦波动；,电压电流双环反馈控制,3,电压空间矢量控制(SVPWM),4,旋转磁场,磁链圆,SVPWM,三相方波逆变（纵向换流）,基本矢量：上臂通1、下臂通0,相邻矢量：仅差一个开关状态；相反矢量：互补全部开关状态。,SVPWM,组合矢量：,需要零矢量参与组合,子扇区,组合周期,SVPWM,矢量序列：,直流电压利用率高,开关损耗小,近似圆形磁场,可用于静止三相逆变,2-7闭锁（死区）时间对输出电压的影响,输出电压瞬态平均值（V/Ts),闭锁时间对输出电压的影响,死区越大，输出电压基波越小；低次谐波增大：单相：3、5、7次三相：6m1次=0时，THD最小。,智能功率模块IPM,80C196MC/MD控制板：,DSP控制板：,第三章开关过程与缓冲技术,3-2有损缓冲电路,电感电流断续的缓冲电路,3-3无损缓冲电路,电感电流连续的缓冲电路,3-1开关损耗与器件应力,3-1开关损耗与器件应力,3-1开关损耗与器件应力,每周期损耗,开关功率损耗,开关轨迹,电流、电压、热应力Stress,3-2有损缓冲电路（感性负载含有L滤波）,=L/RTs,由UR、线路电感、体电感决定,反向充电建立势垒,tRR2To）,D：ZC开通、关断,S：S关断后并联D续流ZV+ZC关断,S：开通前全关断，S悬空ZV+ZC开通,S可采用半控开关器件,调节全关断时间可调节输出电流,2、连续运行方式1（ToTs2To）,S：非ZC、非ZV开通；但ZC+ZV关断,3、连续运行方式2（Ts2To）,S：开通前全关断，S悬空ZV+ZC开通,S：S关断后并联D续流ZV+ZC关断,D：ZC开通、关断,深色线为直线,PLR的频率调节特性,断续模式,断续模式的电压源特性,连续模式,PLR谐振的缺点：C峰值电压较大,S：ZC+ZVONZVOF