第八章 电力电子技术

1青岛大学自动化工程学院电工电子技术III8.1半导体直流稳压电源8.2*晶闸管及其应用电力电子技术第8章2青岛大学自动化工程学院电工电子技术III电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:在电网电压波动及负载变化时,保持输出电压u0稳定。8.1半导体直流稳压电源整流电路滤波电路稳压电路变压器u1u2u3u4uo变压器整流电路滤波电路稳压电路3青岛大学自动化工程学院电工电子技术III整流电路的任务是把交流电压转变为单向脉动的直流电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式整流等。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，即加正向电压导通，且正向导通电阻为零（相当于短路），加反向电压截止，且反向电阻为无穷大（相当于开路）。8.1.1整流电路4青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1.单相半波整流电路1）电路u1u2TrVDRLu0Tr：整流变压器1122UNNUVD：理想二极管UD0，VD导通；UD=0，I取决于外电路；UD0，VD截止；I=0，UD（负值）取决于外电路。RL：负载电阻u1，u2：正弦波5青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu20时，二极管导通，2）工作原理u20时，二极管截止，uoiotwu2twuDu0=u2，uD=0u0=0，uD=u2u1u2TrVDRLu0i0iDuD思考：VD反接，uo的波形6青岛大学自动化工程学院电工电子技术III二极管上承受的最高反向电压：二极管的平均电流：3）各电量计算输出电压平均值：输出电流平均值：22200045.0221UUtduUw2045.0UULoRUI0ODII22UUDRMtw2UOIO半波整流时，变压器副边电流为非正弦波！有效值与最大值不满足的关系。27青岛大学自动化工程学院电工电子技术III4）整流元件选择选择依据：二极管上承受的最高反向电压：UDRM二极管上的平均电流：ID选择方法：查手册，看参数，选型号最大整流电流IOMIOMID最大反向工作电压URMURM=（2~3）UDRM8青岛大学自动化工程学院电工电子技术III整流桥1）电路2.单相桥式整流电路u1u2TrVD4VD2VD1VD3RLu0简化画法u1u2TrRLu09青岛大学自动化工程学院电工电子技术III+-u2正半周时：2）工作原理Tru1u2VD4VD2VD1VD3RLu0u20，D1，D3通，D2，D4止；u20，D2，D4通，D1，D3止；u0=u2u0=-u2u2负半周时：-+uoiotwu2tw10青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu2twtwuD4,uD2uD3,uD1twuou2D4D2D1D3RLu0输出是单向脉动的直流电压！11青岛大学自动化工程学院电工电子技术III二极管上承受的最高反向电压：二极管的平均电流：3）各电量计算输出电压平均值：输出电流平均值：209.0UULRUI209.0ODII2122UUDRMuoiotw22009.021UtduUow12青岛大学自动化工程学院电工电子技术III变压器副边电流有效值为正弦波电流的有效值！9.022oLIRUI4）整流元件选择同半波整流。最大整流电流IOM最大反向工作电压URMURM=（2~3）UDRMIOMID13青岛大学自动化工程学院电工电子技术III几种常见的硅整流桥+AC-~+~-~+-~14青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu0u1u2u1abVD4VD2VD1VD3RLSu2twtwuo电源短路例1桥式整流电路中，若D3断开、短路、反向，会出现什么现象？15青岛大学自动化工程学院电工电子技术III8.1.2滤波电路滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成分。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。16青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1.电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1abVD4VD2VD1VD3RLu0C1）电路接在整流电路之后，与负载并联；一般选择极性电容器。滤波电容C17青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu2tu0t没有电容时的输出波形2）工作原理0/2t1t2C事先未充电0~/2u2uo，D1、D3通，C充电C放电，指数规律，快！u2uo，D1、D3仍导通uo=u2正弦规律uo仍为正弦规律~t2t1C放电，指数规律慢！ucu2，D1、D3截止，uo指数规律有电容时的输出波形~t1/2u2正弦规律，慢！u1u2u1abD4D2D1D3RLu0C18青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu2tu0t有电容时的输出波形半波整流电容滤波时没有电容时的输出波形19青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu0tu2tu2uo时，二极管截止，电容通过RL放电，u0逐渐下降。电容的放电电流填补了波形的部分空白，使输出电压的平均值增大。u0tu2t滤波电容在u2uo时充电，在u2uo时放电。桥式整流电容滤波时，每个周期充、放电两次；半波整流电容滤波时，每个周期充、放电一次；20青岛大学自动化工程学院电工电子技术III输出电压的平滑程度和平均值与电容的放电时间常数RLC有关。RLC越小，输出电压越低，输出电压中含纹波成分越大。RLC大RLC小UOUO若空载（RL开路），输出波形如何？21青岛大学自动化工程学院电工电子技术III3）滤波电容的选择与输出电压的估算C容量选择：2)5~3(TCRLT：交流电压的周期C耐压选择：C耐压oU2输出电压的估算（满足C容量条件下）：半波整流电容滤波:桥式整流电容滤波:202.1UU20UURLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大。22青岛大学自动化工程学院电工电子技术III4）电容滤波电路的特点电路简单，波形平滑；输出电压平均值提高大；整流二极管导通时间短，峰值电流大；u0t整流电路的输出电流输出特性（外特性）较差；23青岛大学自动化工程学院电工电子技术III输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0也随之改变。如:RL愈小(I0越大),U0下降多。电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。输出特性(外特性):uO电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IO负载开路时的输出电压24青岛大学自动化工程学院电工电子技术III2.电感滤波电路在桥式整流电路与负载间串入一电感L，就构成了电感滤波电路。u2u1RLLu01）电路25青岛大学自动化工程学院电工电子技术III对直流分量(f=0)：XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量：f越高,XL越大,电压大部分降在XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。2）滤波原理u2u1RLLu0整流输出的脉动电压中既含直流分量(f=0)，也含各次谐波分量（不同频率的交流分量）。020.9UU26青岛大学自动化工程学院电工电子技术III3）电感滤波的特点:输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。若在电感滤波器后再加一电容滤波，则构成了LC滤波器，滤波效果更好。27青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIILC滤波器LC滤波电路电路结构u2u1RLLu0C其滤波原理及应用场合与电感滤波相似28青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1）LC型滤波器LC型滤波电路电路同电感滤波电路。3.型滤波电路滤波原理及应用场合u2u1RLLu0C2C1为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法,如在电容滤波后再接一级（LC或RC）滤波电路，从而构成（LC或RC）-型滤波电路。29青岛大学自动化工程学院电工电子技术III2）RC-滤波RC-u0Ru2u1C1C2RL电路滤波原理桥式整流电路输出的直流脉动电压经C1滤波后，仍含有一定的纹波成分，再经R和C2使其中的交流分量较多地降在电阻两端（因为电容C2的交流阻抗很小），而较少地降在负载上，从而有较好的滤波效果。30青岛大学自动化工程学院电工电子技术III特点电阻上有直流压降损失；适用于负载电流较小，又要求输出电压脉动很小的场合。滤波效果好，脉动分量小；31青岛大学自动化工程学院电工电子技术III8.1.3稳压电路常用稳压电路（小功率）稳压管稳压电路集成稳压电路电路简单，带负载能力差，一般只提供基准电压。电路简单，带负载能力较强，作为电源使用。32青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1.稳压管稳压电路1）电路稳压电路R：调整电阻DZ：稳压管与负载电阻RL并联ZOUURIZOUUUUu2u1RLuOCVDZuZuIRuRLDRIIIZ33青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIIu2t0tuIuOt2）工作原理UIUO=UZIZURUO=uI-uRUZ当电源电压波动引起输出变化时，调整过程如下：请自行分析电源电压下降时的调整过程。34青岛大学自动化工程学院电工电子技术III3）稳压管的选择OZUUmaxminZZZIIIOIUU)3~2(R35青岛大学自动化工程学院电工电子技术III2.串联型稳压电路集成稳压器的基础1）电路结构UIUO调整取样比较放大基准UBUfUZUOUCEUIRL}}R1R2+∞RT串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。36青岛大学自动化工程学院电工电子技术III基准电压部分：稳压管稳压电路；2）工作原理ofURRRU212取样部分：R1，R2串联，取出输出电压的一部分；ZU比较放大器，运放组成差动放大，放大UZ，Uf的差；调整部分：T，与负载串联。)(0fZUBUUAUCEIoUUUR1：串联负反馈。ZoURRU)1(21改变UZ或电位器可调整UO。37青岛大学自动化工程学院电工电子技术III稳压原理U0UfUB=A（UZ-Uf）UCEU0当UI增加或输出电流减小使U0升高时UBUfUZUORLUI}}R1R2+∞RTUCE38青岛大学自动化工程学院电工电子技术III集成稳压电源简介3.集成稳压电源将串联型稳压电路集成在一块半导体基片上；体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉；电路内部附有短路和过热保护环节；常用的W7800和W7900系列三端集成稳压器（只有输入，输出和公共引出端）。39青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1端:输入端3端:公共端2端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端3端:输入端2端:输出端W7900系列稳压器外形12340青岛大学自动化工程学院电工电子技术III分类:正稳压W78XX负稳压W79XX固定式可调式三端集成稳压器型号后XX两位数字代表输出电压值W78系列(输出正电压)W79系列(输出负电压)}输出电压额定电压值有:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次。有1.5A、0.5A和0.1A三个电流档次。41青岛大学自动化工程学院电工电子技术III1）输出为固定正电压的电路应用电路COW7800CIUI+_+_UO1230.1~1F1µF输入与输出端之间的电压不得低于3VUI：整流滤波后的直流电压；CI：用于抵消输入线较长时的电感效应，以防产生自激振荡，改善纹波特性。(通常取0.33F）CO：为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，改善负载的瞬态效应。(通常取1F）42青岛大学自动化工程学院电工电子技术IIICOW7900CIUI+_+_UO3210.1~1F1µF2）输出为固定负电压的电路输入与输出端之间的电压不得低于3V公共端是正！43青岛大学自动化工程学院电工电子技术III3）输出为正、负电压