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1、5-1,补充 DC-AC逆变电路,引言 换流方式 电压型逆变电路 电流型逆变电路 缓冲电路 无损缓冲电路,引言,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,5-3,换流方式,逆变电路的基本工作原理 换流方式分类,5-4,以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理,逆变电
2、路的基本工作原理,图5-1 逆变电路及其波形举例,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,5-5,逆变电路的基本工作原理,S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。,逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,图5-1 逆变电路及其波形举例,电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。,阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。,5-7,换流方式分类,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。,开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。
3、 关断： 全控型器件可通过门极关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,5-8,电压型逆变电路,1）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同,5-9,单相电压型逆变电路,1）单相半桥逆变电路,u,图56 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,5-10,单相电压型逆变电路,优点：电路简单
4、，使用器件少。 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。,5-11,参数计算与器件选择,根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：i2P/UdUd/2R 对于电阻电感：i2P/UdcosUd/2Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i,5-12,参数计算与器件选择,例：逆变器输入电压为550V，输出功率为20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振负载， 其等效电
5、阻为：R=Ud2/4P=3.78 负载上的电流有效值为：iUd/2R=72.75A 开关管上的电压：U=(23)Ud=11001650V 电流：I=(1.52)(2)1/2i=154205A,单相电压型逆变电路,2) 全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式,单相电压型逆变电路,2）单相电压型全桥逆变电路的特点,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压幅值为Ud的矩形波，
6、负载上的功率为半桥逆变器的4倍，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 (4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。,5-15,参数计算与器件选择,根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jL Z=(R2+(L)2 ) 对于RLC：Z=R+jL-1/jC 对于电阻：iP/UdUd/R 对于电阻电感：iP/UdcosUd/Z 开关管上的电压：U=(23)Ud 电流：I=(1.52)(2)1/2i,5-16,参数计算与器件选择,例：逆变器输入电压为550V，输出功率为
7、20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振负载， 其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125 负载上的电流有效值为：iUd/R= 36.36A 开关管上的电压：U=(23)Ud=11001650V 电流：I=(1.52)(2)1/2i=77102A,单相电压型逆变电路,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,V3的基极信号比V1落后q （0 q 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,单相电压型逆变电路,3） 带中心抽头变压器的逆变电路,图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路,Ud和负载参数相同
8、，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。,交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。,电流型逆变电路主要特点 (1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。,电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,图5-11 电流型三相桥式逆变电路,(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。
9、 换流方式有负载换流、强迫换流。,单相电流型逆变电路,1) 电路原理,由四个桥臂构成，每个桥臂由IGBT组成。,工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 负载电压波形基本上是正弦波。,单相电流型逆变电路,1) 电路原理,图512 单相桥式电流型 （并联谐振式）逆变电路,由四个桥臂构成，每个桥臂的IGBT管组成 工作方式为负载换相。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。,单相电流型逆变电路,图513并联谐振式逆变 电路工作波形,2) 工作分析,一个
10、周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。,t1t2：V1和V4稳定导通阶段，i=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。 t2t3：t2时V2和V3开通，进入换流阶段。 LT使V1、V4不能立刻关断，电流有一个减小过程。V2、V3电流有一个增大过程。 4个IGBT全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。,单相电流型逆变电路,t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2= tg 称为换流时间。,io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。,图5
11、13并联谐振式逆变 电路工作波形,总结,电压型逆变电路输入端并接大电容，提供恒压源，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电流大小由负载决定，波形由负载性质决定。电阻型负载的电压和电流波形均为矩形波；纯电感电流波形为三角波；当采用RLC谐振负载，且开关频率与谐振频率一致，负载上的波形电压和电流都是正弦波。 电流型逆变电路输入端串联大电感，提供恒流源，输出电流是矩形波，含有较多谐波，幅值为电感电流，输出电压的大小由负载决定，电压波形由负载性质决定。电阻型负载的电压和电流均为矩形波；纯电感电流波形为三角波。,5-25,缓冲电路,缓冲原理 器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv
12、/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用，就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。,5-26,I GB T 逆变器的开关损耗波形,(a) 开通损耗波形 (b) 关断损耗波形,图中 tdon 开通延迟时间 tr 开通上升时间 trr二极管的反向恢复时间 t doff关断延迟时间 t tail尾部电流itail下降时间 tf关断下降时间 (d i/ d t)on开通电流上升率 IRRM二极管反向恢复电流,5-27,I GB T 逆变器的开关损耗,每个脉冲 I GB T 的开通损耗近似为( mJ )：,每个脉冲 I GB T 的关断损耗近似为：,每个脉冲
13、二极管的关断损耗近似为：,I GB T 的总开关损耗可近似表示为：,式中 fsw逆变器的载波频率,5-28,缓冲电路的几种类型,（d）,(a) C缓冲电路 (b) RC缓冲电路,(c) RCD缓冲电路 (d) 放电阻止型RCD缓冲电路,5-29,缓冲电路的类型,C缓冲电路： 采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，用作对瞬变电压有效而低成本的控制，接在C1和E2之间（两单元模块）或P和N之间（六单元模块），缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡。 RC缓冲电路： 其特点是适用于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流过大
14、，使IGBT的功能受到一定限制。,5-30,缓冲电路的类型,RCD缓冲电路： 与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为： 式中：L为主电路中的分布电感， IC为IGBT关断时的集电极电流， f为IGBT的开关频率，C为缓冲电 容，Ud为直流电压。,RCD型截止缓冲电路,适用于较大功率IGBT模块，缓冲二极管D可箝制瞬变电压，从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3。,5-31,缓冲电路的类型,放电阻止型RCD缓冲电路： 与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损
15、耗小，适合于高频开关，在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为：,5-32,缓冲电路波形,IGBT采用缓冲电路后典型关断电压波形如图所示。图中，VCE起始部分的毛刺V1是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算： V1=LSdi/dt（1） 式中：LS为缓冲电路的寄生电感； di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流上升率，其最恶劣的值接近0.02Ic（A/ns）。,采用缓冲电路后IGBT关断电压波形,5-33,缓冲电路波形,如果V1已被设定，则可由式（1）确定缓冲电路允许的最大电感量。例如，设某IGBT电路工作电流峰值为400A，V1100V， 则在最恶劣情况下， di/
16、dt=0.02400=8A/ns 由式（1）得 LS=V1/（di/dt）=100/8=12.5nH 图中V2是随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升的峰值，它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关，可用能量守恒定律求值。如前所述，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中，因此有 LPI2/2=CV22/2（2） 式中：LP为母线寄生电感； I为工作电流， C为缓冲电容的值； V2为缓冲电压的峰值。,5-34,缓冲电路波形,从式（1）和式（2）不难看出，大功率IGBT电路要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低V1，而且可以减小缓冲电容C的值，从而降低成本。,实际的功率电路设计中可采用以下措施来减小所需电容值 采用平板式汇流母线, 正负极重叠在一起, 中间用绝缘板隔开, 以获得最小母线寄生电感 因为C值与关断电流的平方成正比,所以采取必要的限流技术来限制功率电路的最大电流 因为C值反比于V2的平方, 所以若允许V2与
