典型电力电子装置介绍

第8章典型电力电子装置介绍第8章典型电力电子装置介绍8.1开关电源8.2UPS不间断电源8.3有源功率因数校正器第8章典型电力电子装置介绍8.1开关电源8.1.1开关电源的基本工作原理1．线性稳压电源的工作原理及其特点稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源,它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，其原理框图如图8-1所示,由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。第8章典型电力电子装置介绍图8-1线性稳压电源＋－RLUo取样基础电压放大器整流滤波电路工频变压器交流输入第8章典型电力电子装置介绍它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。图8-1中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。第8章典型电力电子装置介绍这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性，但同时存在以下缺点：(1)输入采用50Hz工频变压器，体积庞大。(2)电压调整器件（如图8-1所示的三极管）工作在线性放大区内，损耗大，效率低。(3)过载能力差。第8章典型电力电子装置介绍2．开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源简称开关电源，这种电源中，起电压调整，实现稳压控制功能的器件始终以开关方式工作。图8-2所示为输入输出隔离的开关电源原理框图。图8-2开关电源的基本框图EMI滤波器交流输入整流滤波变换电路高频变压器整流滤波器直流输出控制驱动取样比较放大第8章典型电力电子装置介绍其主电路的工作原理为：50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。第8章典型电力电子装置介绍控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。第8章典型电力电子装置介绍3．开关稳压电源的控制原理开关电源中，变换电路起着主要的调节稳压作用，这是通过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为T，在一个周期内，导通时间为ton，则占空比定义为D＝ton／t。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PWF）。在脉冲宽度控制中，保持开关频率（开关周期T）不变，通过改变ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的，即D越大，滤波后输出电压也就越大；D越小，滤波后输出电压越小,如图8-3所示。第8章典型电力电子装置介绍图8-3PWM控制方式tonT不变ton第8章典型电力电子装置介绍频率控制方式中，保持导通时间ton不变，通过改变频率（即开关周期T）而达到改变占空比的一种控制方式。由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。第8章典型电力电子装置介绍4．开关稳压电源的特点开关稳压电源具有如下的优点：(1)功耗小、效率高。开关管中的开关器件交替工作在导通—截止—导通的开关状态，转换速度快，这使得功率损耗小，电源的效率可以大幅度提高，可达90％～95％。(2)体积小、重量轻。开关电源效率高，损耗小，可以省去较大体积的散热器；用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。第8章典型电力电子装置介绍(3)稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。(4)电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。开关电源的缺点主要是存在开关噪声干扰。第8章典型电力电子装置介绍在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，对这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机正常工作。此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。第8章典型电力电子装置介绍8.1.2在开关稳压电源的主电路中，调频变换电路是核心部分，其电路形式多种多样，下面介绍输入输出隔离的开关电源常用的几种高频变换电路的结构和工作原理。1．正激式变换电路（Forward）所谓正激式变换电路，是指开关电源中的变换器不仅起着调节输出电压使其稳定的作用，还作为振荡器产生恒定周期T的方波，后续电路中的脉冲变压器也具有振荡器的作用。第8章典型电力电子装置介绍该电路的结构如图8-4（a）所示。工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成该图中所示的直流电压Ui；V1为功率开关管，多为绝缘栅双极型晶体管IGBT（其基极的驱动电路图中未画出）；TR为高频变压器；L和C1组成LC滤波器；二极管VD1为半波整流元件，VD2为续流二极管；RL为负载电阻；Uo为输出稳定的直流电压。当控制电路使V1导通时，变压器原、副边均有电压输出且电压方向与图示参考方向一致，所以二极管VD1导通，VD2截止，此时电源经变压器耦合向负载传输能量，负载上获得电压，滤波电感L储能。第8章典型电力电子装置介绍当控制电路使V1截止时，变压器原、副边输出电压为零。此时，变压器原边在V1导通时储存的能量经过线圈N3和二极管VD3反送回电源。变压器的副边由于输出电压为零，所以二极管VD1截止，电感L通过二极管VD2续流并向负载释放能量，由于电容C1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保持不变，iiokDUDUNNU12式中k为变压器的变压比，D为方波的占空比,N1,N2为变压器原、副边绕组的匝数。由上式可看出，输出电压Uo仅由电源电压Ui和占空比D决定。第8章典型电力电子装置介绍图8-4正激变换电路(a)原理图；(b)开关管驱动波形；(c)VF波形TVD1VF＋－VD2LC1RL＋－UoN2N3VD3V1＋－Ui(a)(b)(c)＋第8章典型电力电子装置介绍2．半桥变换电路半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，如图8-5（a）所示。工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成图中所示的直流电压Ui；V1、V2为功率开关管IGBT；TR为高频变压器，L、C3组成LC滤波电路，二极管VD3、VD4组成全波整流元件。第8章典型电力电子装置介绍图8-5半桥变换电路及波形(a)电路；(b)波形＋uV1TVD3VD4LC3＋－Uoug1V1VD1C1Aug2V2VD2－＋－Ui(a)(b)uV1ug2ug1C2＋＋＋第8章典型电力电子装置介绍半桥变换电路的工作原理：两个输入电容C1、C2的容量相同，其中A点的电压UA是输入电压Ui的一半，即有UC1＝UC2＝Ui／2。开关管V1和V2的驱动信号分别为ug1和ug2，由控制电路产生两个互为反相的PWM信号，如图8-5（b）所示。当ug1为高电平时，ug2为低电平，V1导通，V2关断。电容C1两端的电压通过VD1施加在高频变压器的原边，此时uV1＝Ui／2，在V1和V2共同关断期间，原边绕组上的电压为零，即uV1＝0。当ug2为高电平期间，V2导通，V1关断，电容C2两端的电压施加在高频变压器的原边，此时uV1＝-Ui／2。其波形如图8-5（b）所示。可以看出，在一个开关周期T内，变压器上的电压分别为正、负、零值，这一点与正激变换电路不同。为了防止开关管V1、V2同时导通造成电源短路，驱动信号ug1、ug2之间必须具有一定的死区时间，即二者同时为零的时间。第8章典型电力电子装置介绍当uV1＝Ui／2时，变压器副边所接二极管VD3导通，VD4截止，整流输出电压的方向与图示Uo方向相同；当uV1＝-Ui／2时，二极管VD4导通，VD3截止，整流输出电压的方向也与图示Uo方向相同；在二极管VD3、VD4导通期间，L开始储能。在开关管V1、V2同时截止期间，虽然变压器副边电压为零，但此时电感L释放能量，又由于电容C3的作用使输出电压恒定不变。第8章典型电力电子装置介绍半桥变换电路的特点为，在一个开关周期T内，前半个周期流过高频变压器的电流与后半个周期流过的电流大小相等，方向相反，因此，变压器的磁芯工作在磁滞回线B—H的两端，磁芯得到充分利用。在一个开关管导通时，处于截止状态的另一个开关管所承受的电压与输入电压相等，开关管由导通转为关断的瞬间，漏感引起的尖峰电压被二极管VD1或VD2箝位，因此开关管所承受的电压绝对不会超过输入电压，二极管VD1、VD2还作为续流二极管具有续流作用，施加在高频变压器上的电压只是输入电压的一半。欲得到与下面将介绍的全桥变换电路相同的输出功率，开关管必须流过两倍的电流，因此半桥式电路是通过降压扩流来实现大功率输出的。另外，驱动信号ug1和ug2需要彼此隔离的PWM信号。第8章典型电力电子装置介绍3．全桥变换电路将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成另外两只开关管，并配上相应的驱动电路即可组成图8-6所示的全桥电路。图8-6全桥变换电路＋uV1TVD5VD6LC＋－Uoug3V3VD3ug4V4VD4－＋－Uiug1V1VD1ug2V2VD2＋第8章典型电力电子装置介绍驱动信号ug1与ug4相同，ug2与ug3相同，而且ug1、ug4与ug2、ug3互为反相。当ug1与ug4为高电平，ug2与ug3为低电平时，开关管V1和V4导通，V2和V3关断，电源电压通过V1和V4施加在高频变压器的原边，此时变压器原边电压为uV1＝Ui。当ug1和ug4为低电平，ug2与ug3为高电平时，开关管V2和V3导通，V1、V4关断，变压器原边电压为uV1＝-Ui。与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。第8章典型电力电子装置介绍图8-6中变压器副边所接二极管VD5、VD6为整流二极管，实现全波整流。电感L、电容C组成LC滤波电路，实现对整流输出电压的滤波。开关管V1、V2、V3和V4的集电极与发射极之间反接有箝位二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些箝位二极管的作用，当开关管从导通到截止时，变压器初级磁化电流的能量以及漏感储能引起的尖峰电压的最高值不会超过电源电压Ui，同时还可将磁化电流的能量反馈给电源，从而提高整机的效率。全桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。，常用的隔离型高频电路还有反激型变换电路、推挽型变换电路和双正激型变换电路。第8章典型电力电子装置介绍8.1.3开关电源的应用图8-7直流操作电源电路(a)主电路V1ug1V2ug2TVD5VD7VD6VD8LIdCUo＋－C1C2R1SCRVD1VD3VD2VD4EMIuAC(a)＋＋＋第8章典型电力电子装置介绍图8-7直流操作电源电路(b)控制电路(b)U3SG3525驱动ug1驱动ug212345678161514131211109Uref＋15VRsR3C4C3R9R10U2＋－＋△∞C2R8R11保护电路R6R7U1＋－＋△∞C1R5R4UOGUOFPIOF＋＋第8章典型电力电子装置介绍1．交流进线EMI滤波器电磁干扰EMI为英文ElectroMagneticInterference的缩写。为了防止开关电源产生的噪声进入电网或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作，