现代电力电子 (研究生)

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①微电子技术----信息处理。特点：集成规模、功能。②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①传统阶段（57~80）：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。②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）U≈4fsNBmS现代电力电子技术：分解→重新整合例：直流电压源4、新的问－－性能提升例：直流电压源5、发展规律旋转变流机组1920无纺纤维切割/有机材料焊接2000－焊接国家重点实验室超声波电源IGBT单级变换输出频率25kHZ输出功率2kW频率跟踪＋功率调节IPM-PWM恒流/恒压控制单极性/变极性0.5占空比方波输出峰值电流10～300A频率0.5~300Hz。金属熔炼用电磁搅拌电源金卤灯群照明专用150kVA电力稳压器微等离子体轻合金面陶瓷化方波电流脉冲电源缓冲式软开关技术5单元并联结构输出功率：500kW脉冲频率：0～1000Hz开关频率：10kHz输出特性：恒流峰值电流：1200A边沿陡度：1000A/50us锂离子动力电池多组式车载充电电源开关器件：MOSFET开关频率：100kHz输出特性：恒流－恒压输出功率：5kW超级电容电动客车电机：直流永磁＋助磁，60kW；电容电压：170～350V；驱动电路：双向升降压DC-DC；无损缓冲型ZC、ZV软开、关；最大输出电流：500A；变换效率：大于95％；附加功能：制动能量回收、300A恒流充电恒流助磁调节；电流双象限直流变换器SLR式高压电容恒流充电电源◆全桥串连谐振拓扑ZCS/ZVS软开关◆升压整流模块串联输出电压：0～10kV；◆开关频率10kHz谐振频率23.7kHz◆输出200mA恒流特性第一章DC-DCConverter(直流变换器)按主电路器件：半控型/全控型直流变换器的分类：按输入输出电压：降压式/升压式/升－降压式按工作范围：单象限/双象限/四象限按电路结构：单元电路/多元电路（单重、多重）按输入输出电隔离：非隔离/隔离(正激、反激、自激）按输入滤波结构：电流源/电压源按器件开关方式：硬开关电路/软开关电路第一章DC-DCConwerter多元多重结构：元－－从电源侧看，差T/n分时的基本电路（n个）；重－－从负载侧看，差T/n分时的基本电路（m个）n元n重结构n元单重结构§1-1BuckConverter§1-2BoostConverter§1-3Buck-BoostConverter§1-4CukConverter§1-5Sepic&ZetaConverter§1-6多象限变换器§1-7变压器隔离DC-DC变换器Forward/Flyback/RoyerConverter/…§1-8常用PWM集成控制芯片*本章内容：条件假设1、理想开关器件；2、L、C无损耗，无寄生参数；3、电源Ui内阻为零，无分布参数；4、开关频率fs远大于截止频率fc§1-1BuckConverter电感电流：连续(CCM-ContinuousCurrentMode)临界断续(DCM-DiscontiuousCurrentMode)电压纹波、谐波、内阻……电流的不同状态1★电流连续状态：稳定状态下：——直流变压器在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为0。即：电感两端的平均电压为0。L伏秒平衡原则：C安秒平衡原则：在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为0。即：流经电容的平均电流为0。★电流临界状态：★电流断续状态：D对UO的调节规律？输出电压的纹波和谐波设：稳态连续△IO→C、IO→R而IL=IO2输出电压的谐波:未经滤波的输出电压，即二极管反压的富氏级数电路内阻的影响(CCM)设：S与D的通态电阻相同，为ron电感寄生电阻为rL3电源效率：仿真分析5临界电感：250uH电压纹波:0.166V(300uH470uF)；1.66V(300uH47uF)仿真分析5<解>DCML=150uHCCML=450uH<开关电流><开关电流><电感电流><电感电流><例>§1-2BoostConverter电感电流：连续临界断续电压纹波电流的不同状态1★电流连续状态：稳定状态下：——直流升压变压器★电流临界状态：★电流断续状态：输入电流保护输出电压保护泵升电压！输出电压纹波设：稳态连续△IO→C、IO→R23例：Ui=12~36V，Uo=48V，Pomax=120W，fs=50kHz。选取保持断续状态的L量。仿真分析4D=0.75D=0.50D=0.25fS=50kHz§1-3Buck-BoostConverterBuck-BoostConverterB-B.Converter=Buck串联Boost连续与临界状态1电流断续状态2例：f=20kHz,L=0.05mH,Ui=15V,Uo=10V,Po=10W,C足够大。判断电流状态连续否？D=0.4;Ioc=1.8A,>Io=1A断续仿真分析4D=0.4★I/O电流脉动较大应加滤波器fS=20kHzPo=10W§1-4CukConverterCukConverterCukConverter=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BuckConverterBoostConverter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

对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗

▲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①S开通：②S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①转移消耗：正激变换器ForwardConverter二磁复位技术②再生反馈：正激变换器ForwardConverter二磁复位技术③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=耦合电感反激CCM变换分析反激临界变换分析反激DCM变换分析CCM、DCM负载均不可开路！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、DCM～CCM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★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的性能与特点-31TL494的性能与特点-21TL494的工作波形工作频率TL494在PWM调速系统中的应用★8至35V工作★可外接电容，实现软启动★100Hz~500kHz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（PF—PowerFactor)：2、畸变—谐波评价①畸变因数(DF—Distortionfactor)②总谐波因数(THF—TotalHarmonicDistortionfactor)③谐波因数(HF—Harmonicfactor)④最低次谐波(LOH—Lowest-orderHarmonic)3、逆变效率4、电磁兼容性EMI5、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！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★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★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）2fs↑→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★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¼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：6m±1次★φ=0时，THD最小。智能功率模块－IPM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）由UR、线路电感、体电感决定反向充电建立势垒tRR<<允许短路时间但关断损耗仍然较大开通过程恶化！综合利用D与C的作用→同时修正开与关的轨迹？★参数计算：△关断时，为RLC二阶响应根据临界阻尼条件：△导通时，应保证在最短导通时间内Cs充电至Ucc最小脉宽限制开、关过程损耗均大！①临界电容Cs缓冲L≈恒流源，关断初，D阻断，经存储时间iC↓→iDS↑，Cs充电，限制du/dt。设：iC线性下降设：导通时Cs能量全耗于Rs②大电容缓冲③小电容缓冲★关断损耗α>1时最小最小值应在α<1的抛物线上★开关损耗α=2/3时最小★电容参数在最小导通时间内Cs电荷应放尽参数选取★电阻参数L≈恒流源，开通初，D导通/恢复，经上升时间tUP：uCE由Ui↓→uLs↑限制di/dt设：uCE线性下降临界电感缓冲由对偶原理：★开关损耗α=2/3时最小在最小关断时间内Ls电流应回零应用实例：§3-3无损缓冲电路有损缓冲电路由S移出？无损缓冲电路★最小导通时间≥谐振周期★开通最大附加电流自行分析★在最小关断时间内应保证次级电流回零，剩余能量为零★关断最大附加电压N2不能过小应用实例：ZCon+ZVoff漏感★除一般无损缓冲意义外，吸收漏感能量，防止开关器件过压否则加大Cs但开通时谐振附加电流亦增大★关断时，Cs、La能量守恒转移到Cs★验证关断后Uce最大值是否超限★Ls由最小导通时间≥谐振周期确定第四章斩控式AC-DC变换器★自20世纪20年代：旋转变流机组相控整流的缺点★网侧功率因数低：电流谐波降低了网侧功率因数相位控制降低了网侧功率因数相控整流的缺点（单相）★网侧功率因数低：相控整流的缺点（单相）★网侧功率因数低：iLiLuoiD1iD3相控整流的缺点（三相）★网侧功率因数低：uoiC1iA相控整流的缺点（三相）★网侧功率因数低：L=0L=150uH★失控时间限制了调节速度相控整流的缺点理想AC-DC变换★负载侧电压、电流无纹波；★输出电压调节速度快；★双向能量变换；1、按电路结构：桥式电路、非桥式电路斩控式整流电路的分类2、按电网相数：单相电路、三相电路3、按输出滤波：电流型电路、电压型电路4、按功率器件：全控型电路、混合型电路5、按隔离性能：非隔离型电路（直耦型）、隔离型电路（磁耦型）6、按工作范围：单象限电路、多象限电路7、按开关方式：硬开关电路、软开关电路无源校正电路(PPFC)按变换级数：单级电路、多级电路按电流模式：CCM电路、DCM电路按输入滤波：电感输入、电容输入按开关频率：恒频电路、变频电路§4-1电压型单相整流电路理想模型§4-2电压型单相单管整流电路APFC-SPWM-BoostConverter工作原理设:CCM、C足够大BoostConverter§4-2APFC-SPWM-BoostConverter工作原理SPWM§4-2APFC-SPWM-BoostConverter输出电流分析设:C足够大，iC全流入L足够大，iL无谐波≈APFC§4-2APFC-SPWM-BoostConverter参数选择§4-2APFC-SPWM-BoostConverter变换控制★跟踪输入电流，正弦＋同相＝PFC★专用控制芯片：Unitrade公司UC3854§4-3倍压与倍流整流电路1、倍压整流电路的工作原理倍压整流电路的实质是电荷泵。最初由于核技术发展需要更高的电压来模拟人工核反应，于是在1932年由Coccroft和Walton提出了倍压电路，通常称为C-W电路。从不同位置输出，可获得不同Um倍数的输出电压。通常称每2倍为一阶，用n表示1、倍压整流电路的工作原理如果希望输出电压极性不同，可将所有的二极管反向。★电路1优点：是每个电容、二极管上的电压不会超过2Um，所以可以选用耐压较低的电容。缺点：电容是串联放电，纹波大。★电路2优点：纹波小。缺点：电容的耐压高，随着N的增大，电容的电压应力随之增加。图中最后一个电容的电压达到了6Um。★电路3－－电路1的改进优点：是纹波比电路1小很多，电容电压应力不超过2U。缺点：电路复杂。2、倍压整流电路的结构三种6倍压整流电路3、高阶倍压整流的主要问题负载能力很差。适用于高压＋小电流＋低电压纹波要求的电路。4、倍流整流电路的工作原理★低压＋大电流＋隔离5、同步整流SynchronousRectificationPMOSFET=低压降超快速整流管自激式驱动/他激式驱动同步倍流整流电路的工作原理他激式同步倍流整流电路原理第五章斩控式AC-AC变换器AC-AC幅度变换交流调压交流稳压频率变换直接变频（AC-AC）间接变频（AC-DC-AC)全功率调节部分功率补偿§6-1单相交流调压电路★电压增益及谐波§6-1单相交流调压电路★输入、输出电流及谐波§6-1单相交流调压电路★双向功率开关共态导通&共态关断★原理电路★应用电路§6-1单相交流调压电路功率限制★无共态非互补控制★电流检测非互补控制§6-2三相交流调压电路§6-3交流稳压电路部分功率编码补偿§6-3交流稳压电路部分功率斩波补偿★C－闭锁时提供电流通路D－－补偿深度开关顺序－－补偿极性第六章谐振软开关变换器★开关电路能量变换的两种方式：突变、强迫的能量变换；主导10W~500kW变换器→20kHz革命自然、柔性的能量变换；LC谐振+ZCS/ZVS；80年代：DC-DC广泛应用/DC-AC远未成熟，控制策略：最佳离散脉冲调制相邻空间电流矢量调制离散时间积分型滑模……→绿色革命★硬开关对高频变换的局限4、EMI限制：硬开关du/dt、di/dt→EMI①Miller效应：ΔUon大→Ig分流大，偶合干扰∨ZVS②CDS/CE损耗：开通时CU2OFF/2热损耗于器件内∨ZVS③易与分布电感振荡∨利用于谐振SS★谐振变换器的分类1、负载谐振变换器：2、谐振开关（准谐振）变换器：3、谐振直流环变换器4、高频环整数半波变换器①电压源型串联谐振变换器：串联负载谐振变换器（SLR）并联负载谐振变换器（PLR）混合谐振变换器②电流源型并联谐振变换器（感应加热SCR）③E类谐振变换器①谐振开关DC-DC变换器：零电流开关变换器（ZCS）零电压开关变换器（ZVS）②零电压开关电压钳位（伪谐振）变换器（ZVS-CV）§6-1负载谐振变换器★SLR谐振等效电路：★导电规律：1、断续运行方式（Ts>2To）断续运行方式（Ts>2To）★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（To2To）★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+ZVONZVOFF★最佳控制模式：①L1足够大，Ts内电流恒定；②开关频率=串联谐振频率+；③D=0.5§6-2开关（准）谐振变换器★S串联L如何关断？ZCS开通/关断Usmax=Ui★输出电压的调节ΔT→fs→UD→UoZCS谐振开关Buck变换器的另一形式☆准谐振ZCS变换器的主要缺点：开关峰值电流较大课后自行分析2ZVS谐振开关变换器（Buck例）★S并联C如何开通？ZVS开通/关断较ZCS少S内电容损耗且有效抑制Miller效应ZCS开通Ismax=IO★输出电压的调节ΔT4→fs→UD→Uo感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！