缓冲电路

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。换流方式•逆变电路的基本工作原理•换流方式分类以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理逆变电路的基本工作原理图5-1逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。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。直流电交流电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a)b)tuoiot1t2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。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。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。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电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路CurrentSourceTypeInverter-CSTI直流侧是电流源单相电压型逆变电路1）单相半桥逆变电路u图5－6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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。单相电压型逆变电路优点：电路简单，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。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+jωLZ=(R2+(ωL)2)½对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z开关管上的电压：U=(2~3)Ud电流：I=(1.5~2)(2)1/2i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，其等效电阻为：R=Ud2/4P=3.78Ω负载上的电流有效值为：i＝Ud/2R=72.75A开关管上的电压：U=(2~3)Ud=1100~1650V电流：I=(1.5~2)(2)1/2i=154~205A5-12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utOtOtOtOtOb)G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo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，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。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+jωLZ=(R2+(ωL)2)½对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z开关管上的电压：U=(2~3)Ud电流：I=(1.5~2)(2)1/2i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，其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125Ω负载上的电流有效值为：i＝Ud/R=36.36A开关管上的电压：U=(2~3)Ud=1100~1650V电流：I=(1.5~2)(2)1/2i=77~102A5-16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。a)图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基极信号比V1落后（0＜＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－。输出电压是正负各为的脉冲。改变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，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。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5－12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tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图5－13并联谐振式逆变电路工作波形2)工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。t1~t2：V1和V4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。t2~t3：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。t4－t2=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。tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3iTioIdt1t2t3t4t5t6t7tfuotguABtdtbIdiVT1,4iVT2,3uVT2,3uVT1,4图5－13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。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/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。5-25IGBT逆变器的开关损耗波形5-26(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tdoff——关断延迟时间ttail——尾部电流itail下降时间tf——关断下降时间(di/dt)on——开通电流上升率IRRM——二极管反向恢复电流IGBT逆变器的开关损耗5-27每个脉冲IGBT的开通损耗近似为(mJ)：每个脉冲IGBT的关断损耗近似为：每个脉冲二极管的关断损耗近似为：IGBT的总开关损耗可近似表示为：式中fsw———逆变器的载波频率缓冲电路的几种类型5-28（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，使IGBT的功能受到一定限制。5-29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。5-30RCD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。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：5-31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ΔV1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：ΔV1=LS×di/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）。5-32采用缓冲电路后IGBT关断电压波形缓冲电路波形5-33如果ΔV1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，ΔV1≤100V，则在最恶劣情况下，di/dt=0.02×400=8A/ns由式（1）得LS=ΔV1/（di/dt）=100/8=12.5nH图中ΔV2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=CΔV22/2（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；ΔV2为缓冲电压的峰值。缓冲电路波形从式（1）和式（2）不难看出，大功率IGBT电