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单元二混合动力汽车电子器件和功率转换器DC/DC电源变换器课题一DC/AC电压变换器课题二AC/DC功率变换器课题三DC/DC电源变换器课题一概述一混合动力汽车的电力驱动系统主要有电机、逆变器、电源变换装置DC/DC、动力电源(有降压型、升压型和双向型三种)、辅助电池(12V的蓄电池)、动力电源ECU和HVECU等,如图2-1所示。图2-1混合动力汽车电力驱动系统示意图电力电子器件的基本概念二电力电子器件按照能够被控制电路信号控制的程度分为不控器件(电力二极管)、半控器件(晶闸管等)、全控器件(门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管等)三类。常见的电力电子器件的等效电路及特点等见表2-1,这些电力电子器件是HEV的电力驱动系统常见器件的一部分。电力电子器件的基本概念二表2-1电力电子器件的等效电路及特点电力电子器件的基本概念二DC/DC变换器的功用三在电动汽车的电子系统或设备中,系统中的直流总线不可能满足性能各异、种类繁多的元器件(包括集成组件)对直流电源的电压等级、稳定性等要求,因而必须采用各种DC/DC变换器来满足电子系统对直流电源的各种需求。DC/DC变换器(有的简称DC/DC)的直流输入电源,可来自系统中的电池,也可来自直流总线。车载的动力电池和辅助电源工作时,其电压稳定性能差并且会有较高的噪声。DC/DC变换器的功用三HEV对DC/DC变换器的要求主要有以下几点:1)尽可能高的转换效率,至少50%以上。2)具有输出、输入端的隔离效果。3)具有短路保护功能和过电压保护功能。DC/DC变换器的分类四1)根据DC/DC变换器的拓扑结构分为正激型、反激型、升压型、降压型、升/降压型、反相型、推挽式正激型、半桥式正激型和全桥式正激型。2)根据开关控制方式分为脉宽调制式PWM(PulseWidthModulation),脉冲频率调制式PFM(PulseFrequencyModulation),脉宽、频率混合调制式“硬开关电路”,电压或零电流“软开关”PWM电路和各种谐振式、准谐振式变换器等。3)根据负极与车身绝缘与否,DC/DC变换器分为非绝缘型和绝缘型两类。DC/DC变换器的分类四4)根据功率变换器的特点可分为电压源变换器、电流源变换器和Z源变换器三类。电压源变换器和电流源变换器是传统的DC/DC变换器,Z源变换器是一种新型变换器,它引进了一个阻抗变换,将主变换器电路与电源或负载耦合,其电源既可以为电压源也可以为电流源。Z源变换器的直流电源可以是任意的,如电池、二极管整流器、晶闸管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合等。DC/DC变换器的工作原理五1.PWM法和PFM法DC/DC变换器也称为斩波器,通过对电力电子器件的通断控制,将直流电压断续地加到负载上,通过改变占空比改变输出电压平均值,其基本原理如图2-2所示。图2-2基本的DC/DC变换器和它的输出波形DC/DC变换器的工作原理五2.降压型变换器降压型变换器的原理如图2-3所示降压型变换器在开关K导通时,就会有电流流过电感器件L,使能量储存在电感上,而当开关断开时电感上的能量会释放到负载上以维持电压输出。图2-3降压型DC/DC变换器电路原理图DC/DC变换器的工作原理五降压型变换器输出电压的高低与开关K的工作周期大小以及每个周期中开关导通时间ton和断开时间toff的长短有关(见图2-4)。开关导通和断开时的电感器件上的电压UL和电流iL的变换如图2-4所示,负载RL的平均电流为Io,电压为IoRL,低于输入电压Ud。图2-4降压型变换器开关导通和关闭时的等效电路a)开关管导通时的等效电路b)开关管断开时的等效电路DC/DC变换器的工作原理五实际降压型变换器中通常用MOSFET替代图2-3中开关K,并且用控制电路控制MOSFET的导通与断开,其电路组成如图2-5所示。为了达到所需的电压值,通常采用回馈电路把输出电压反馈到控制电路,并和参考电压做比较,以决定MOSFET(图2-5中S1)的工作周期或开关导通时间ton和断开时间toff的长短,以得到稳定的输出直流电。图2-5降压型变换器电路简图DC/DC变换器的工作原理五3.升压型变换器升压型变换器和降压型变换器所使用的组件种类相同,升压型变换器的原理如图2-6所示。图2-6升压型变换器的电路原理DC/DC变换器的工作原理五开关导通和断开时的电感器件上的电压UL和电流IL的变换如图2-7所示,负载RL上的平均电流为Io,电压为IoRL,高于输入电压Ud。图2-7升压型变换器开关导通和关闭时的等效电路a)开关管导通时的等效电路b)开关管断开时的等效电路DC/DC变换器的工作原理五实际中升压型变换器也是借助MOSFET的导通周期或导通时间ton和断开时间toff来控制输出电压的高低。升压型变换器中通常MOSFET替代图2-6中开关K并且用控制电路控制MOSFET的导通与断开,其电路组成如图2-8所示。图2-8升压型变换器电路简图DC/DC变换器的工作原理五4.非绝缘型和绝缘型变换器非绝缘型和绝缘型变换器的特点分别是系统的零线与车身相接和断开(绝缘),图2-9和图2-10分别是主电源给辅助电源供电用的非绝缘型和绝缘型变换器的电路原理示意图,其区别是辅助电源的负极是否绝缘。图2-9非绝缘变换器工作原理图2-10绝缘型变换器工作原理DC/DC变换器的工作原理五5.升(降压)型双向变换器图2-11是丰田汽车公司的THSⅡ混合动力系统使用的升(降压)型双向变换器的原理示意图,主要由用于降压的IGBT开关型Sbuck、用于升压的开关型Sboost、感性滤波器件和容性滤波器件组成。图2-11THSⅡ升(降压)型双向变换器的原理示意图DC/DC变换器的工作原理五升压回路工作时的原理如图2-12所示,SbuckIGBT始终打开,相当于一个二极管。当SboostIGBT导通时,电流回路如图2-12a所示,电池的电流流向电感器件,电感器件的电压VL与电源电压Vb相等但相位相反;当Sbuck断开时,电流回路如图2-12b所示,电感器件的电流流向系统回路,电感器件的电压VL为系统电压Vs与电源电压之差。图2-12升压时的原理示意图a)电池对感应器充电b)感应器升压DC/DC变换器的工作原理五降压回路工作时的原理如图2-13所示,由于Sboost始终打开,SboostIGBT可以被忽略,看作一个功率二极管即可。当Sbuck导通时,电流回路如图2-13a所示,系统的电流流向电感器件回路,电感器件的电压VL为系统电压Vs与电源电压之差;当Sbuck被断开时,电流回路如图2-13b所示,电感器件的电压VL与电源电压相等但相位相反。图2-13降压时的原理示意图a)系统对感应器充电b)感应器降压DC/DC变换器的工作原理五6.Z源变换器Z源变换器的主要优点是输出电压可以根据需要升高或降低,变换效率高,并且其电源既可以为电压源又可以为电流源。图2-14a为Z源变换器在HEV上的应用方案,其作用是将动力电源的电压从200V升压到500V后输送到电机的逆变器。DC/DC变换器的工作原理五6.Z源变换器图2-14b为Z源变换器的一般拓扑结构,它由电感器件L1、L2和电容C1、C2接成×形。图2-14HEV用Z源变换器DC/DC变换器的工作原理五7.DC/DC变换器的实际电路组成举例DC/DC变换器由功率回路和控制回路组成,实际DC/DC变换器电路构成的示意图如图2-15所示。图2-15DC/DC变换器电路的构成示意图DC/DC变换器的性能检测六1.DC/DC功率变换模块稳压精度的检测方法由于混合动力电动汽车用DC/DC变换器的输入电压在工作过程中会不断变化,因此,其输出电压和电流的波动大小就成为衡量其工作稳定性的一个重要指标。DC/DC变换器的稳压精度δu就是衡量其输出电压稳定性的一个重要指标。δu通常可由图2-16所示的电路测量得到,测量δu时使用的仪表主要有直流可变电源、直流电压表、直流电流表、可变直流负载(仪表应不低于1.5级)等。图2-16DC/DC变换器性能测试图DC/DC变换器的性能检测六2.δu的测量步骤1)用直流可变电源向DC/DC变换设备先后输入额定直流电压、允许的最小电压和允许变化的最大电压。2)调整可变直流负载使前述的三个不同输入电压下的可变直流负载的电流依次为额定值的0%、50%和100%,把各个条件下的输出电压值分别记入表2-2中。3)最后根据表2-2中记录的所测电压变化的极限值(最大值和最小值)U和额定输出电压Uo值。表2-2DC/DC变换器稳压精度测试记录表DC/DC变换器的性能检测六3.DC/DC变换效率的测量DC/DC变换效率公式为η=IoUo/IiUi×100%式中Uo———输出电压(V);Io———输出电流(A);Ui———输入电压(V);Ii———输入电流(A)。DC/AC电压变换器课题二DC/AC电压变换器的作用一DC/AC电压变换器又叫逆变器,它是一种将直流电转变为交流电的电力电子器件,混合动力汽车的DC/AC功用是将直流电变换为交流电,从而给交流驱动电机和单相交流用电器设备供电。DC/AC电压变换器的分类二常见的DC/AC电压变换器的电路可按输出波形、直流电源的性质、用途、换流方式和输出相数等分类。1.按输出波形分一类是正弦波逆变器,另一类是方波逆变器。DC/AC电压变换器的分类二2.按直流电源性质分按直流电源性质可分为电压型和电流型。3.按换流方式分按换流方式可分为外部换流和自换流两大类。4.按逆变分按逆变可分为有源逆变与无源逆变两种。有源逆变与无源逆变的概念如图2-17所示。图2-17有源逆变与无无源逆变的概念DC/AC电压变换器的基本原理三1.半桥逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂,每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成,如图2-18所示。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,两个电容的连接点是直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。开关器件Vl和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏,两者互补。当负载为感性时,工作波形如图1-18b所示。图2-18单相半桥电压型DC/AC电压变换器工作原理示意图a)单相半桥电压型逆变电路b)单相半桥电压型逆变电路工作波形DC/AC电压变换器的基本原理三2.全桥逆变电路全桥逆变电路(见图2-19)是单相逆变电路中应用最多的,电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形是矩形波,幅值Um与直流电源的电压Ud相等,即Um=Ud;输出电流io波形如图2-19b所示,与半桥逆变电路的波形相同,但幅值增加一倍。图2-19电压型全桥逆变电路的工作原理a)全桥逆变电路b)逆变电路工作波形DC/AC电压变换器的基本原理三3.三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。图2-20为采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路,它可看成由三个半桥逆变电路组合而成。图2-20三相电压型桥式逆变电路DC/AC电压变换器的基本原理三三相电压型桥式逆变电路也是180°导电方式,每桥臂导电角度为180°,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电的角度依次相差120°。在任一瞬间将有三个桥臂同时导通,每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。负载各相到电源中点N′的电压如图2-21所示。图2-21电压型三相桥式逆变电路的工作波形DC/AC电压变换器的基本原理三4.组合式DC/AC电压变换器图2-22为组合式DC/AC电压变换器的驱动电路。图2-22组合式DC/AC电压变换器的驱动电路DC/AC功率变换器性能参数的测量方法四1.DC/AC功率变换器的交流输出电压稳定度测量(1)DC/AC功率变换器的交流输出电压稳定度测量电路DC/AC功率变换器的交流输出电压稳定度δu是衡量DC/AC功率变换器的一个重要指标。测量δu时使用的仪表主要有直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、直流电源、交流可变负载(仪表不低于1.5级)等。试验电路如图2-23所示。图2-23逆变设备性能试验电路图a)单相试验电路b)三相试验电路DC/AC功率变换