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1、第2篇 电力电子电路拓扑2.1 2.1 变流电路拓扑概述变流电路拓扑概述2.2 2.2 整流电路整流电路 2.3 2.3 直流变换电路直流变换电路2.4 2.4 逆变电路逆变电路 2.5 2.5 交流变换电路交流变换电路 2.6 2.6 电磁兼容问题电磁兼容问题12.1 变流电路拓扑概述电力电子装置最根本任务是实现电能的变换，因此 也称为变换器，其对应的电路称变流电路或变换电 路，通常有： ACDC，DCDC，DCAC， ACAC变换器最基本的性能要求 直流输出的性能要求输出电压（流）的大小：静态精度纹波：输出最大值与最小值的差值纹波系数：输出最大值与最小值的差与输出平均值的比交流输出的性能要
2、求交流电的基本要素：波形、大小、频率三种。22.1 变流电路拓扑概述波形：一般情况要求输出正弦波，失真度？正弦波电压可表示为：对于周期性的非正弦波电压，可分解为傅里叶级数：l基波（fundamental）频率与工频相同的分量l谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量l谐波次数谐波频率和基波频率的整数比ln次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表 示：l电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定 义为：32.1 变流电路拓扑概述大小：由于交流电是瞬时变化的，其大小的表示方法可 以用瞬时值表示，或用有效值（幅值）及相位描述；频率：
3、交流电输出正负变化周期所对应的频率对交流输出来说，除了对输出大小和频率的精度要求外，输出波形的谐波含量小也是一个非常重要的指标。交流输入侧的性能要求交流输入侧一般为电网，其主要考虑的是对电网的影响 应尽可能小，因此一般要求功率因数高、谐波污染小变换器的动态性能指标主要包含变换器在各种扰动条件下输出的稳定性、 超调量、动态稳定时间等指标。42.1 变流电路拓扑概述变换器的主要类型 整流电路（ ACDC）二极管不可控桥式整流（往往带大电容滤波）单相、三相 晶闸管可控整流三相大功率场合 开关电源方式（一般为： ACDC DCDC ）ACDC常采用二极管整流，由DCDC调节输出 谐波及功率因数无源LC
4、滤波及补偿、PFC电路、PWM整流电路52.1 变流电路拓扑概述直流变换电路（ DCDC）非隔离直接变换6种基本电路：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic 、Zeta 输入输出隔离的直流变换常用电路：正激式、反激式、半桥、全桥、推挽式高频变压器：铁芯材料、线圈工艺、效率 输出级整流器件：快速恢复二极管、肖特基二极管、MOSFET电路：半波、全波、桥式、同步整流、交错并联62.1 变流电路拓扑概述逆变电路（ DCAC）有源逆变晶闸管三相桥式可控变流电路、双桥12脉可控变流电路 无源逆变单相逆变：半桥逆变、全桥逆变、推挽逆变电路三相逆变：三相三桥臂桥式逆变、三相四桥臂桥式
5、逆变单相逆变组合、波形重构技术、多电平逆变DC变换式逆变：两台DC变换器合成高频链逆变：高频变实现输入输出隔离72.1 变流电路拓扑概述交交变换电路（ ACAC）交流调压晶闸管电路：单相交流调压、三相交流调压全控器件：斩控式交流调压电路 交交变频晶闸管电路：三相交交变频电路全控器件：矩阵式变换器、双PWM变流电路82.2 整流电路ACDC 整流电路有：二极管不可控整流、晶闸管可控 整流、高频开关电源、PWM整流等许多方式二极管不可控整流电路 一般仅为输入级电路，而非直接输出带负载单相桥式不可控整流电容滤波的单相桥式不可控整流 在u2正半周过零点至t=0期间，因u20.5时，输出电压大于输入电压
6、，升压；所以：Buck-Boost电路也称升降压斩波电路输出电压与输入电压反极性。Buck-Boost电路工作特点：V导通，电感储能，不给 负载供电，V关断，电感储能释放，向负载供电；312.3 直流变换电路Cuk电路V导通时，D截止，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路有电流。V关断时，D导通，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD回路有电 流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。Cuk斩波电路及其等效电路 a） 电路图 b） 等效电路322.3 直流变换电路 稳态时有 ：数量关系V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。 V处于断
7、态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。 由此可得：优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。升降压斩波，输入输出反极性332.3 直流变换电路Sepic斩波电路Sepic电路 工作原理 V导通，D截止，EL1V回路 和C1VL2回路同时导电，L1和 L2贮能;V关断，D导通，EL1C1VD负载回路及L2VD 负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时 也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）Sepic电路的电源电流和负载电流均连续；升降压，输入输出同极性。输入输出关系：342.3 直流
8、变换电路Zeta斩波电路 Zeta电路工作原理V导通，D截止，电源E经V向电感 L1贮能;输入输出关系：V关断，D导通，则L1VDC1构成振荡回路， L1的能 量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1 经L2向负载供电。Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。升降压斩波，输入输出同极性352.3 直流变换电路输入输出隔离的直流变换电路采用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，常用 电路有5种：正激变换电路、反激变换电路、半桥变换电 路、全桥变换电路、推挽变换电路 正激变换电路（ Forward）为Buck插入高频变压器 后的变型电路高频变压器绕组N1、 N2为输入输出主功率传送 绕
9、组，N3为磁复位绕组正激变换电路362.3 直流变换电路正激电路的原理图正激电路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO开关S开通后，变压器绕组W1 两端的电压为上正下负，与其耦 合的W2绕组两端的电压也是上 正下负。因此VD1处于通态， VD2为断态，电感L的电流逐渐 增长；S关断后，电感L通过VD2续流 ，VD1关断。变压器的励磁电流 经N3绕组和VD3流回电源，所以 S关断后承受的电压为：工作原理372.3 直流变换电路BRBSBHO磁心复位过程变压器的磁心复位开关S开通后，变压器的激磁电流由零 开始，随时间线性的增长，直到S关断 。为防止变压器的激磁电感饱和，必须 设法使激磁电流
10、在S关断后到下一次再 开通的时间内降回零，这一过程称为变 压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为382.3 直流变换电路输出电压当输出滤波电感电流连续 时，有：当负载电流较小而导致电感 电流断续时，输出电压将有 所增加，在负载空载时达到 极限的最高电压为：392.3 直流变换电路 反激变换电路（Flyback）为Boost插入高频变压器后 的变型电路绕组N1、N2为输入、输出 主功率传送绕组，同名端反向工作过程：反激变换电路S导通，VD关断，W1绕组的电 流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切 断，变压器中的磁场能量通过 W2绕组和VD向输出端释放。402.3 直流变换电路输出
11、电压：电流连续模式：当S开通时，W2 绕组中的电流尚未下降到零。输出 电压关系：电流断续模式：S开通前，W2绕 组中的电流已经下降到零。输出电 压高于上述公式的计算值，并随负 载减小而升高，在负载为零的极限 情况下， ，因此反激电路 不应工作于负载开路状态。412.3 直流变换电路 工作过程 S1与S2交替导通，变压器一次侧 为Ui/2的交流电压。改变开关的占 空比，就改变二次侧整流电压ud的平 均值，也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态， S2导通时，二极管VD2处于通态; 当两个开关都关断时，变压器绕 组N1中的电流为零，VD1和VD2都处 于通态，各分担一半的电流。
12、 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上 升，两个开关都关断时，电感L的电 流逐渐下降。S1和S2断态时承受的 峰值电压均为Ui。 半桥变换电路半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO半桥电路的理想化波形 422.3 直流变换电路输出电压：由于电容的隔直作用，半桥电路对 由于两个开关导通时间不对称而造 成的变压器一次侧电压的直流分量 有自动平衡作用，因此不容易发生 变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO半桥电路的理想化波
13、形当滤波电感L的电流连续时：如果输出电感电流不连续，输出电压 U0将高于上述公式的计算值，并随负 载减小而升高，在负载为零的极限情况 下有： 432.3 直流变换电路全桥电路中，互为对角的两个开关同 时导通，同一侧半桥上下两开关交替 导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui 的交流电压，改变占空比就可以改变 输出电压。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态 ，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于 通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处 于通态，各分担一半的电感电流，电 感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承 受的峰值电压均为Ui。 全桥变换电路全
14、桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO全桥电路的理想化波形442.3 直流变换电路l如果S1、S4与S2、S3的导通时 间不对称，则交流电压uT中将含有 直流分量，会在变压器一次侧产生 很大的直流 分量，造成磁路饱和 ，因此全桥电路应注意避免电压直 流分量的产生，也可在一次侧回路 串联一个电容，以阻断直流电流。 输出电压：滤波电感电流连续时：输出电感电流断续时，输出电压Uo 将高于上述公式的计算值，并随负载 减小而升高，在负载为零的极限情况 下： 图 8-23 全桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1
15、iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形452.3 直流变换电路推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关S1和S2交替导 通，在绕组N1和N, 1两端分别形成 相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态， 电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态， 电感L电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2 都处于通态，各分担一半的电流。 S1和S2断态时承受的峰值电压均为 2倍Ui。 推挽变换电路工作过程462.3 直流变换电路推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽电路的理想化波形输出电压S1和S2同时导通，相当于变 压器一次侧绕组短路，因此应 避免两个开关同时导通。滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压 Uo将高于上述公式的计算值，并随 负载减小而升高，在负载为零的极 限情况下，472.3 直流变换电路Cuk电路的能量耦合电容是实现输入向输出负载输送能量 的关键 插入隔离变压器的Cuk变换电路482.3 直流变换电路电路优点缺点功率范围应用领域正激电
