电力电子学(陈坚)第七章课件

1、第7章 辅助元器件和系统 1电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著华中科技大学华中科技大学第7章 辅助元器件和系统 2第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 3 电力电子变换器

2、中，周期性地改变开关的通、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 7.0 辅助元器件和系统辅助元器件和系统第7章 辅助元器件和系统 4电力电子变换器系统框图示例电力电子变换器系统框图示例第7章 辅助元器件和系统 5第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关

3、断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 6 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器7.1 触发、驱动器触发、驱动器触发控制器从控制系统接收控制信号，经过处理后输出触发控制器从控制系统接收控制信号，经过处理后输出触发驱动电压触发驱动电压(电流电流)，开通或关断元器件，不同的开关，开通或关断元器件，不同的开关器

4、件，不同的应用情况，要求不同的触发驱动器，已有器件，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可供选用。各类开关元器件的触发驱动器可供选用。第7章 辅助元器件和系统 7 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器第7章 辅助元器件和系统 8有隔离变压器的SCR触发驱动器nSCR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） 第7章 辅助元器件和系统 9有隔离变压器的有隔离变压器的SCR驱动器驱动器 SCR只要求有脉冲只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电流触发其开通，

5、脉冲电流电流Ig上升沿要陡，强上升沿要陡，强触发数值要足够大（脉触发数值要足够大（脉冲足以使冲足以使SCR立即开通）立即开通）晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器第7章 辅助元器件和系统 10晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器 由发光二极管由发光二极管LED和光控晶闸管和光控晶闸管LAT组成组成 光电耦合隔离较变压器隔离电磁光电耦合隔离较变压器隔离电磁干扰小，但光控晶闸管干扰小，但光控晶闸管LAT必须能必须能承受电路的高压承受电路的高压 快速光耦响应时间可小于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触发器大都

6、采用光纤电缆传送驱动信号驱动信号第7章 辅助元器件和系统 11 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器第7章 辅助元器件和系统 12GTO的触发驱动器的触发驱动器 GTO要求有正值门极脉冲电流要求有正值门极脉冲电流+Ig触发其开通，负值脉冲电流触发其开通，负值脉冲电流-Ig使其关断使其关断 MOS管管M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向GTO输输出出+ Ig触发其开通，并使触发其开通，并使C充电。充电。 要关断已处于通态的要关断已处于通态的GTO（M1、M2已无输入信号）时，

7、需触发开通已无输入信号）时，需触发开通SCR，C放电形成放电形成-Ig ，关断，关断GTO第7章 辅助元器件和系统 13 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器第7章 辅助元器件和系统 14iBtiB基基本本驱驱动动电电流流波波形形i ib bf fm mi ib br rm mOFFBJT理想驱动条件及理想波形理想驱动条件及理想波形BJT的驱动器的驱动器 基极驱动电流的波形：晶体管开通的瞬间，驱动电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流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得多的前沿峰

8、值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态；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；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。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

9、入放大区工作的保护功能。区工作的保护功能。第7章 辅助元器件和系统 15BJT的驱动器及驱动波形的驱动器及驱动波形TR1TR2TR3R(-)iB+-TR1TR2TR3加加速速电电容容CR(-)(+)iB+-双双管管射射极极输输出出驱驱动动器器P BJT要求有正值基极电流要求有正值基极电流+IB强触发开强触发开通，并要求有持续的较小的驱动电流，通，并要求有持续的较小的驱动电流，保持其通态。最好有保持其通态。最好有-IB使其关断时间缩使其关断时间缩短，有较小的负基极电流维持其可靠的短，有较小的负基极电流维持其可靠的断态断态 与与R并联的并联的C提供了强触发提供了强触发+IG 输入端输入端P为低电平

10、时，为低电平时，TR1通，通，TR2通，有通，有+iG驱动驱动BJT 输入端为高电平时，输入端为高电平时，TR1断，断，TR3通，通，C经经TR3放电，形成放电，形成BJT关断所需的关断所需的-iBOFFiBtONiB基基本本驱驱动动电电流流波波形形第7章 辅助元器件和系统 16 P点有输入信号时，反相器输出点有输入信号时，反相器输出VB=0，光耦驱动器，光耦驱动器TL1导通使导通使A点为高电位，经点为高电位，经R1使使T1导通，为导通，为BJT提供提供+IB 当当P点无输入信号时，点无输入信号时，VP=0，光耦驱动，光耦驱动LT2导通，使导通，使A点为低点为低电位，电位，T2导通，导通，C经

11、经T2、R2放电，为放电，为BJT提供关断电流提供关断电流-IB有光耦隔离的有光耦隔离的BJT的驱动器的驱动器第7章 辅助元器件和系统 17P1TR1TR2P2*BJT(+)(-) 有隔离变压器的有隔离变压器的BJT驱动器驱动器BJT的其他驱动电路的其他驱动电路第7章 辅助元器件和系统 18 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器第7章 辅助元器件和系统 19基于大脉冲电流基于大脉冲电流TTL驱动器驱动器 一般选取正一般选取正UGE=1215V，关断过程中，为尽快使栅极输关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将入电容放完电，并将P-

12、MOSFET或或IGBT置于反偏的最大安全工置于反偏的最大安全工作区，应施加一负偏压作区，应施加一负偏压UGE，但，但它受它受IGBT的的GE间最大反向耐压间最大反向耐压限制，一般取限制，一般取-2-10V第7章 辅助元器件和系统 20有脉冲变压器的驱动器有脉冲变压器的驱动器 P-MOSFET、IGBT等都是电等都是电压型驱动器件，要求有持续的电压型驱动器件，要求有持续的电平平+VG使其开通并保持其通态；使其开通并保持其通态； 关断时最好加持续的负电平关断时最好加持续的负电平-VG，并维持其可靠的断态，并维持其可靠的断态 P有正信号输入时，有正信号输入时，AM截止，截止，开通开通P-MOSFE

13、T；P = 0时，时， AM开通，开通，C放电，放电，P-MOSFET截止截止第7章 辅助元器件和系统 21有光耦隔离的驱动器有光耦隔离的驱动器 P有正信号输入时，放大器有正信号输入时，放大器输出输出A点正电位使点正电位使T1导通，导通，P-MOSFET开通，并保持通开通，并保持通态态 P无信号输入时，无信号输入时，A点为负点为负电位，电位，T2导通，稳压管导通，稳压管DZ两两端电压抽出端电压抽出C电荷，并在电荷，并在P-MOSFET管上栅管上栅-源极加负压，源极加负压，使其关断并保持断态使其关断并保持断态第7章 辅助元器件和系统 22第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发

14、、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 23n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护第7章 辅助元器件和系统 24n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护第

15、7章 辅助元器件和系统 25过电流保护过电流保护l 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，防止直通第7章 辅助元器件和系统 26n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护第7章 辅助元器件和系统 27过电压保护过电压保护 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

16、冲器抑制开关管通、断时的过电压第7章 辅助元器件和系统 28n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护第7章 辅助元器件和系统 29开关管串并联均压均流保护开关管串并联均压均流保护l 开关管并联使用时要均流串Ll 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开关管串联使用时要均压并并RC 取取R11=R12远小于远小于rT1、rT2稳压均压稳压均压 取取R13=R14，C13=C14动态均压动态均压第7章 辅助元

17、器件和系统 30第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 31n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区第7章 辅助

18、元器件和系统 32开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程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：断态： +VG=0，rT= ，iT=0，D续流Io，VT=VD，A点 通态：通态： 有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C点第7章 辅助元器件和系统 33开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程开通：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 VDq 开通过程中工作点如何从开通过程中工作点如何从A过渡到过渡到C？ VT按什么规律

19、降至按什么规律降至0？q 关断过程中工作点从关断过程中工作点从C如何过渡到如何过渡到A？q VT按什么规律上升至按什么规律上升至VD？取决于电？取决于电 路中的电感路中的电感L及开关管的并联电容及开关管的并联电容C第7章 辅助元器件和系统 34开关器件的安全工作区开关器件的安全工作区 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差第7章 辅助元器件和系统 35n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路

20、电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区第7章 辅助元器件和系统 36线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程第7章 辅助元器件和系统 37q 有有+VG后延时后延时td，rT从从0，有，有-VG，经存储时间，经存储时间trv，rT 从从0 q 开通：开通：rT，iT Io之前，之前，D仍导电，仍导电，VT=VDq 在在tri期间期间it Io，D仍导电，仍导电，VT VD，AB。 此后，在此后，在tfv期间，期间，iT=Io，D截止，截止，rT，VT 0，BCq 关断：关断：rT，在，在trv期间期间VT VD，D仍

21、截止，仍截止，iT Io，CB 此后，在此后，在tfi期间期间VT=VD，D导电，导电，rT，iT 0，BA线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程第7章 辅助元器件和系统 38线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程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： fvriontttfirvoffttt011()22ontonsTTDOrifvsDO onsPfv i dtV IttfV I tf（7-5）offtsof

22、fODsfirvODTTsoffftIVfttIVdtivfP021)(21（7-6）第7章 辅助元器件和系统 39n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区第7章 辅助元器件和系统 40线路电感线路电感L 0时开通过程时开通过程p 开通过程：开通过程： 断态时，断态时，VT=VD，iT=0。工作点为。工作点为A，有有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期间上升时，期间上升时，D仍在导电，仍在导电，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri =VQVD时，D导电iT线性减小， v

23、T= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作点立即从BH，在iT从Io 0期间工作点从HP，一旦iT=0，工作点从PA(iT=0，VT=VD)第7章 辅助元器件和系统 42n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区第7章 辅助元器件和系统 43安全工作区安全工作区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： VTVCEP，KJ线左侧 iTICM，NM线下方 Pt=VTiT，功率限制线左下侧第7章

24、 辅助元器件和系统 44第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 45n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器第7章 辅助元器

25、件和系统 46n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器第7章 辅助元器件和系统 47全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器 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第7章 辅助元器件和系统 48全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器并联电容Cs用于关断

26、缓冲vT关断T时，rT，VT=rTiT，在VTVD时，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIo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CTCTci dttvvtfif fi iD DS SS SD DDDt t 0 0f fi io o1 1V VV VV V临临 界界 关关 断断 缓缓 冲冲C C2 2I I( () )则则 C C t t ，V V2 2V V工工 作作 点点 从从 C CA A第7章 辅助元器件和系统 49全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器()C CT To oS Sf fi

27、iD DD D2 2I It tC C t t ，v v v vV V, ,工工作作点点从从C CA At tf fi i2 2V Vq 此后，此后，T已关断，已关断，iL继续对继续对Cs充电到充电到iL=0，VC=VT=VCEP，解，解VD、LS、CS电路微分方程，得到：电路微分方程，得到：q 最后，最后，Vo=VCEP经经RS对电源放电，使对电源放电，使iC=iR0。VC=VT=VD，关断，关断轨迹为轨迹为CAPA。22002/1/1ssssCRCL20SCEPDmmoDmSVVVVeVVaLIC，第7章 辅助元器件和系统 50r rv vf fi i关关断断损损耗耗：无无关关断断缓缓冲冲

28、时时：若若t t t t ，则则o of ff ff fi it tt t o of ff fs sT TT Ts sT TT TD D o o f fi i s s0 00 0 o of ff fo of ff f1 1P Pf fi i v v d dt t f fi i v v d dt tV V I I t t f f1 12 2P P P P / /1 12 2o of ff ft to of ff fs sT TT TD DO Oo of ff fs s0 01 1P Pf fv v i i d dt tV V I I t tf f2 2图7.13复 合 缓 冲器TiCMImaxC

29、PoICEQOAPDVCEPVCEOVTVQV(c） 开 关 轨迹CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD(a） 电 路RLfLoVfCovofIi oI(b） 开 通 关 断 过 程 波 形图开 通通 态关 断断 态开 通断 态1t2t3t4t5t6t7tpt8t21t22t23tTrTvGvTioIDVQVdtritfvtfitTiGvTvstCEPVCtifoSLStILV/Tv24tDV全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器第7章 辅助元器件和系统 51例题例题7.1 Buck DC/DC变换器VD=200V，Io=10A， Vo=100V，

30、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。第7章 辅助元器件和系统 52n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器第7章 辅助元器件和系统 53电力二极管、晶闸管的电力二极管、晶闸管的RC缓冲器缓冲器 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

31、)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第7章 辅助元器件和系统 54n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器第7章 辅助元器件和系统 55P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 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CB 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l 通态时，iL=iT=Io，D0、D截止，C充电到VC=VDTi

32、0(1 cos)BMLTMCMDoDo f if idiVVVLdtLIVtt可求得： 时工作点从第7章 辅助元器件和系统 56P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 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：CBMPA7.14( ):0,2(1 cos)LOTPCPDo fifiLIdiVVVtt由图时第7章 辅助元器件和系统 57P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 断态时，iT=0，VT=VC=VD，D0续流

33、开通过程：AF，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AF第7章 辅助元器件和系统 58P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器07.14 e(1)(1)11(1)1(1)R2,riRtOLLTTFDDriRtOLDriRooLCCFDcDriRooLDririt tttririttriritriLIdiVVVLVedttLIVetLILILVVVi dtVeCRCRCRtLILILVeRCRCRtLtCT0T由图（ ）得到i 从0I时的v :由于阻尼放电电阻在期间，DCFDCVVV从放电很少，仅略小于第7章 辅助

34、元器件和系统 59P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 开通过程中：FC，iT=Io时，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作点从FC第7章 辅助元器件和系统 60P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 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变换器第7章 辅助元器件和系统 61例题例题7.2VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri=1S，确定开通关断轨迹，确定开通关断轨迹解得：关断时：

35、解得：关断时：M点，点，VTM=VCM=227.4V(不大，不大，Poff小小) P点，点，VTP=VCP=251.3V 开通时：开通时：F点，点，VTF=128V(很低，很低，Pon小小)，VCF=217.5V电容电压变化范围小：电容电压变化范围小：217.5-220-227.4V开关管最高电压仅开关管最高电压仅251.3V(VD=220V)第7章 辅助元器件和系统 62第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器

36、缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 63n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器第7章 辅助元器件和系统 64n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器第7章 辅助元器件和系统 65电感电感(电抗器电抗器) 电路：电压电路：电压V V克服电阻克服电阻R R产生电流产生电流I I，V=RV=R1 1I+RI+R2 2I I，R=R=l l/

37、 /S Sc c= =l l/ /SSc c 磁路：磁压磁路：磁压F(NI)F(NI)克服磁阻产生磁通克服磁阻产生磁通，F(NI)=RF(NI)=Rmomo+R+Rmcmc，R Rm m=l/S=l/Sc c00000000000000000/0.41.2610.41.26/ccccccccccccccccllBBFNIll NIssHlHlNININIBllllllNINIBllll 导铁对导空空气气中中的的磁磁率率：心心相相磁磁率率：第7章 辅助元器件和系统 66电感电感(电抗器电抗器) 单位：单位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麦克斯韦麦克斯韦MX)，B(MX/cm2高斯高斯

38、GS) 按以上各式设计铁芯电感按以上各式设计铁芯电感8-8-028-8-0001010261101026126140 CccccNSLIBlSNBINSINLlNIllNIllNIB././.又，又，第7章 辅助元器件和系统 67n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器第7章 辅助元器件和系统 68方波变压器及其磁通变化规律方波变压器及其磁通变化规律Bm相同时，正弦电压有效值相同时，正弦电压有效值高高10电压相同时，正弦电压的电压相同时，正弦电压的m，Bm可小可小10磁磁链链：方方波波电电压压：正正弦弦电电压压：mm1 1mm1 1mmc c8 8

39、8 88 8mmmmc c1 11 18 88 8mmmmmmmmc cmm8 81 11 11 1mmc c N N N NB BS S2 2 1 10 0d d ( (t t) )V VE E1 10 04 4f fN NB B S S1 10 0d dt tT T/ /2 2 s si in n t t，V V 1 10 02 2 f fN NB B S S1 10 0V VV VE E4 4. .4 44 4f fN N B B S S1 10 02 2第7章 辅助元器件和系统 69例例7.3 脉冲变压器设计脉冲变压器设计VD=15V，R=50，铁芯，铁芯Bm=10000GS时，时，m

40、=1A/cm2，Br=5000，要求输出脉冲电压，要求输出脉冲电压V=10V，脉宽，脉宽T=200s选选用用, ,铁铁芯芯、磁磁路路长长, ,则则匝匝匝匝由由有有：磁磁化化电电流流：8888DD11c1mrc11c1mrc2 2cccc8 86868DD1 1c c2 221211 11 mmC1 mmCmCmCmm1 1d d V1010V1010dtdt t t N N N N SNBBSSNBBSS0.5cml6cmS0.5cml6cmV T10V T10152001010152001010N120N120 BS(100005000)0.5BS(100005000)0.5V VN1.2N

41、96N1.2N96V VN iHlN iHlHlHl1 61 6i0.05i0.05N120N120脉冲变压器及单边磁化曲线脉冲变压器及单边磁化曲线第7章 辅助元器件和系统 70例题例题7.3脉冲变压器设计脉冲变压器设计负载电流：负载电流： I2m=V2 / R=10/50=0.2A磁化电流：磁化电流： im=Hmlc/N1=0.05A负载电流折算至负载电流折算至N1： I2m=i2mN2/N1=0.16A2 22 22 22 2mm2 2mm1 1i ii ii i 0 0. .1 16 60 0. .0 05 50 0. .1 17 7A A选用直径选用直径0.2mm导线：导线：q=/40

42、.22=0.0314电流密度：电流密度：j=i/q=5.5A/mm2磁通单方向变化磁通单方向变化B=Bm-Br，利用率不高，利用率不高若磁通双向变化，则若磁通双向变化，则B=Bm-(-Bm)=2Bm，铁芯利，铁芯利用率高用率高23倍或倍或SC，N可小可小23倍倍脉冲变压器及单边磁脉冲变压器及单边磁化曲线化曲线第7章 辅助元器件和系统 71第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变

43、压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源第7章 辅助元器件和系统 72n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器第7章 辅助元器件和系统 73n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器第7章 辅助元器件和系统 74滤波器功能、类型滤波器功能、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，幅值为值为VD的脉波的脉波 DC/AC逆变电路的输出电压逆变电路的输出电压V2

44、除基波除基波V21外，还有高次谐波电压外，还有高次谐波电压V2h 输出电流除了基波电流输出电流除了基波电流i21外，还有高次谐波电流外，还有高次谐波电流i2h Lo感抗感抗XL=2fhLo，fh高高，XLh大大 Co容抗容抗Xc=1/2fhCo，fh高高，XLc小小第7章 辅助元器件和系统 75滤波器功能、类型滤波器功能、类型 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和开关管第7章 辅助元器件和系统 76滤波

45、器功能、类型滤波器功能、类型 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及交流电源第7章 辅助元器件和系统 77滤波器功能、类型滤波器功能、类型 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

46、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中的谐波电流第7章 辅助元器件和系统 78n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器第7章 辅助元器件和系统 79LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析 用j代替S得到LoCo滤波器对不同频率的电压衰减系数为：ooooooL L 、C C 滤滤波波器器的的传传递递函函数数L L 、C C 滤滤波波器器的的谐谐振振角角频频率率：L L 、C C 滤滤波波器器的的阻阻尼尼系系数数：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0R R S SC

47、 CR R1 1/ /S SC Cv v1 1( (S S) )R R S SC CS SS Sv vS SL L2 2 1 1R R1 1/ /S SC C 1 1 L L C CL L / /C C L L1 1 2 2R R2 2R R幅频特性幅频特性逆变器输出滤波电路逆变器输出滤波电路2 2L L2 20 00 00 0v v / /v v1 1/ /( (u uj j 2 2 u u1 1) ) u u L L1 1 C C 相相对对频频率率：第7章 辅助元器件和系统 80LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析 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 vvL

48、 L2 2相相对对频频率率：阻阻尼尼系系数数：u u大大或或 大大，则则/ /小小如如果果选选择择而而则则2 2L LL L2 20 02 22 22 22 20 00 00 00 00 00 00 02 20 00 00 00 02 2L L2 20 0v v1 1v v ( ( ) )/ /v v ( ( ) )1 1/ /( ( u uj j 2 2 u u1 1) )u u v v（1 1u u ） （2 2 u u） u u L L C C 1 1 L LR RL L / /C C2 2R R2 2u u 1 1, , 1 1L L C C v v / /v v( ( ) )逆变器输

49、出滤波电逆变器输出滤波电路路幅频特幅频特性性第7章 辅助元器件和系统 81LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析 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)第7章 辅助元器件和系统 82LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析 210u空载时L L2222222 2000000000000000000v v1 1u u v v（1 u ） （2u）（1 u ） （2u）

50、u u L C L C ，L Cu/，L Cu/1 1 LRL /C2R LRL /C2R2 2相对频率：相对频率：阻尼系数：阻尼系数：q 根据要求的根据要求的LC滤波器对谐波滤波器对谐波的衰减的衰减系数，如系数，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可，可以得知相对频率以得知相对频率u及及LoCo的谐振频率的谐振频率 由此可设计由此可设计LoCo 。000(1 /)L C幅频特幅频特性性逆变器输出滤波电路逆变器输出滤波电路第7章 辅助元器件和系统 83LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析 1小(L1，C1大），谐波电流频率越高，则Kih越小，Ish越小11:lhihL CiK对谐波电流的

51、衰减率s sh hc c1 1i ih h2 2l lh hc c1 1L L1 11 11 11 11 12 21 11 11 11 11 11 11 12 2s sh h1 1i ih hl lh hI IZ Z1 11 11 1K KI IZ ZZ ZC CL L1 1C CL L C C1 1L L C C 的的谐谐振振频频率率1 1L L C C时时，L L C C1 1I IK KI I第7章 辅助元器件和系统 84LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析设计设计LC滤波器的一般要求：滤波器的一般要求：(1) 负载上的单次谐波电压和总谐波电负载上的单次谐波电压和总谐波电压降低到允许范围

52、内；电源中单次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谐波电流和总谐波电流降低到允许范围内。范围内。(2) C0中的电流不过分增加开关器件的中的电流不过分增加开关器件的电流；电流；C1的基波电流不致过分增加的基波电流不致过分增加电源的电流。电源的电流。(3) 滤波电感基波阻抗不大，负载变化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，负时开关电路输入电压波动不大，负载电压波动不大。载电压波动不大。(4) 滤波器滤波器LC电压、电流的电压、电流的kVA值小，值小，成本低、体积小、重量轻。成本低、体积小、重量轻。 第7章 辅助元器件和系统 85n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器第7章 辅助元器件和系统 86谐振滤波器谐振滤波器第7章 辅助元器件和系统 87第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程与与安全工作区安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）