第三章 电力电子变换器

开关点预置：不是由载波交截决定，而 是按一定原则优化计算得到。
1 控制原则 x最小，或某次谐波为0，同时基波最大
0
π
2π
θ1 θ 3 θ 5 π θ 5 θ2 θ4 π θ4
ωt
2 f (θ ) =
∑b
n =1
∞
n
sin θ
2 π bn = f (θ ) sin n θ d θ ∫ T 0 4Ui (cosnθ1 − cosnθ2 + cosnθ3 − cosnθ4 + cosnθ5 ) bn = nπ b3 = b5 = b7 = b9 = b11 = 0
4U i = nπ
∞
要求稳定，怎么办？
180 D − 2ϕ 脉宽调制波：减小导通时间 二、 4U i ∞ u AB = cos nϕ sin nwt ∑ nπ n =1， 3， 5
u1 = 4U
π
i
cos ϕ sin wt
u AB
0
T
ϕ
2
(b)
T
t
改变 ϕ →（1）改变U1，调节输出电压。 （2）改变U1 ，谐波也发生变化。
u AB
0
io
T
2
T
t
（c）Dc=1/2的逆变器波形
u AB
io
T
0
2
T
t
（d）Dc较小时的逆变器 波形
2. 全桥
＋
V1
V2
V4
V1
Ui
D1
io
D3
V3
B
V4
U AB
V3
V3
A
V2
－
RL
D2
LL
D4
α
（a）桥式逆变器主电路原理图 （b）移相控制原理及电压 U 电流 io 波形。
AB
to t1
t4
为保证变换器正常工作： t k < t off
W1 Dc < W1 + W 3
三. 推挽式直流变换器 两个对称的单端正激式直流变换器. 1. 主电路原理图
D3
V1 V2 W1 D1 - + Ui D2 W2
+
C
W1 W2 D4
Uo
-
( a)
2. Dc=0.5时副边电压和磁通波形
u2
0
T
2
T
t
φ
0
∞
4 特点：
谐波系数和载频比及调制比有关。 Ar fc M = N = Ac fr
（1）N大，x小→开关频率高，损耗大。 （2）M＜1.1, M↑,x↓ ，Uo1↑ 。 （3）M＞1.1， M↑，x↑ ，Uo1↑ 。 单脉宽调制：输出电压基波达最大
2 2 Ui
π
四、最优SPWM逆变 低开关频率，高基波电压，小谐波系数。
fc
调制波：正弦波 f o
二种电压输出形式 ：单极性和双极性。
2 输出电
U AB = ∑ [an sin nwt + bn cos nwt ]
n =1 ∞
an =
π∫
1
2π
0
2 n
f (θ ) sin θdθ
2 n
bn =
π∫
1
2π
0
f (θ ) cos θdθ
Cn = a + b
X=
∑(
Cn 2 ) n n=2 C1
电力电子变换器
整流器： 交 直 直流变换器：直 直 逆变器： 直 交 交交变换器：交 交
§3 - 1 直流变换器
直接变换：降压、升压、升降压。 隔离变换：单端正激、反激、推挽、 半桥、桥式。 常用做机内电源。
一.降压式 ： 二.升压式 ： 1 画出电路 2 on、off时的方程。 3 电流连续时波形。 4 外特性：Uo 与Dc 的关系。
+
B
D1
L
+ C Uo -
Ui
W3
W 1
W2
D3
D2
-
V
变压器铁心磁通和副边电压波形：
φ
φ
0
U
2
t
o n
T
2T
t
0
T
t
2. 基本关系：
Uo
W2 = D cU i W1
３．开关、变换器工作状态：
∆ φ on Ui = ⋅ t on W1
∆ φ off
Ui ⋅ tk = W3
W3 tk = ⋅ t on W1
比较器输出-1 V1、 V4导通 iL
u if = u ig
u ig
′
比较器输出1
∆ + 2
R2 R1 = * ( −U cc ) + u if + R1 + R 2 R1 + R 2
u if +
R1 R1 + R 2 = U cc u ig + R2 R2
迟滞比较器
u − = u ig
R2 R1 u if U cc + u+ = R1 + R 2 R1 + R 2
iL 0
t on
ton
T
2T
t
（c）临界电流连续时的电感电流波形
T
′ t on + t off
2T
ห้องสมุดไป่ตู้
t
（d）电流不连续时的电感电流波形
三.两象限变换器 1.电流两象限：电流极性可变。由升、降压组成
＋
V1
D1
A
Ui
V2
－
L
、 ： 降压；充 V 1 、D L 2
D2
E b L 、 V2 、 ： D1 升压；放电。
第三章 电力电子变换器
内容要求 §3-1 直流变换器 §3-2 具有隔离变压器的直流变换器 §3-3 单相逆变器 §3-4 三相逆变器 §3-6 飞机静止式二次电源 小结
第三章 电力电子变换器
内容：运用电力电子技术中所学的知识， 构成飞机静止二次电源。 要求：理解典型电力电子变换器的工作原理 。 掌握二次电源的构成、工作原理。 TRU、SI、充电器。
U AB < 0
－
不能反转电动。
§3-2 具有隔离变压器的直流变换器
¾ 隔离：输入与输出间的电气绝缘
电压匹配 多路输出
¾单管：单端正激式、单端反激式 ¾多管：推挽、桥式（半桥、全桥）
¾
采用变压器：变压器只传递交流能量； 直交直变换。
¾表征变换器的技术水平：
功率密度：单位体积（重量）的输出功率。
在电流断续时：续流时间小于 T off
Ui ∆ i1 = T on L1
Io =
U0 ∆ i2 = TK L2
U 1 ∆ i2 T ⋅ T k → ∆ i2 = × 2 I o = 0 TK T 2 TK L2
磁通平衡： ∆ i1W 1 = ∆ i 2W 2
∆ i1 L2 ∆i = L 1 2
一. 单端反激式直流变换器 1. 电路及组成 V、 D、 C、 B + B：有气隙，储能电感， 匝比 W1 :W2 。
Ui
B W1 W2
D
+
C Uo
仿
-
V
（a)
2. 工作原
（1）V on，D off，C→load。 B储能， W1中电流i升，φ ，
（2）V off， W1中电流等于0。 但 φ不能突变，∴ W2 中产生电流 + D on di 2 L2 =U0 dt
u ig
u if
− ∆ 2
－ ＋
V1
D1
D2
D3
D4
Lf
V3
V2
∆ 2
－
V4
iL
Cf
u if
′
∆ = u ig + 2
iL
比较器输出+1
V2、V3 on， 经D2、D3续流或者 V2、V3导电
u if
′
∆ = u ig − 2
迟滞比较器
u − = u ig
R2 R1 u if U cc + u+ = R1 + R 2 R1 + R 2
1.
降压式（Buck）变换器
On:
diL L = Ui −Uo dt
Off:
di L L = −U o dt
U o = U i Dc
电流连续时波形:
iL
0 iV
t on
T
2T
t
0 iD
t on
T
2T
t
0
t on
T
2T
t
iL 0 t on
iL 0
T
2T
（c）临界电流连续时的电感电流波形
ton
′ ton + toff
比较器输出+1
V2、V3 on， iL
经D2、D3续流或者V2、V3导电 比较器输出-1
u ig
u if = u ig
′
∆ − 2
R2 R1 = * U cc + u if − R1 + R 2 R1 + R 2
u if −
R1 R1 + R 2 = U cc u ig − R2 R2
3 优点：谐波含量小，可有选择地消除低次谐波。 缺点：不能调压。
五. 具有电流瞬时反馈的逆变器 电压电流双闭环
＋
u ig
u if
− ∆ 2
－ ＋
V
1
D1
D
D
D
3
V3
V2
∆ 2
－
2
4
V4
iL
C
L
f
f
五. 具有电流瞬时反馈的逆变
＋
1 原理 （1）比较器， 滞环特性 逻辑延时与分相 （2）电流跟踪
比较器输出-1 V1、 V4导通 iL
导通期间输入电 流平均值
I iav
i
= U
0
功率平衡 ⋅ I oav 全周期平均法
iiav
U 0 I oav U0 = ⋅ T = Dc I oav U i Ton Ui
W 2 I oav = W1 1 − Dc
晶体管关断期间承受的反压：
U ce U 0W 1 1 = +Ui = Ui W2 1 − Dc
L1 di1 dt = U i
B W1 W2
D
+
C Uo
磁通平衡
∆ i1W1 = ∆ i 2W 2
Ui V
（a)
-
Ui ∆ i1 = T on L1
L1 W1 = L2 W 2
2
U0 ∆ i2 = Toff L2
Ui U0 Ton ⋅ W1 = Toff ⋅ W2 磁通平衡 L1 L2 Dc W 2 Ton W2 U0 = Ui = U i 升降压变换器 ⋅ ⋅ W1 T off W1 1 − D c
W 2 Ui W2 Uo = × × 2 Dc = U i Dc W1 2 W1
I iU
Ii
i
= I oU
2 1
o
W = W
DcI
o
半桥式直流变换器及逆变器电路图
+
C
+
D1 B
D2
V1 A
V2
Ui B
C
C
io
RL
D1
LL D2
V1
A
V2
Ui B
C
+ C Uo -
D3
D4
L
（b)
（a)
Ä
a）半桥式直流变换器主电路 （b）半桥式逆变器主电路
Dc = Ton T
占空比
φ
0 iW1
ton
T
2T
t
0 iW2
ton
T
2T
t
0
T
2T
t
（b）电流连续时的磁通和电流波形
iw1 0
ton
T
2T
3T
t
iw2 0 t
（c）临界电流连续 时的电流波形
ton
T
2T
3T
i
0
（d）电流不连续 时的波形
ton + tk
输入电流平均值 I iav ⋅ U
T
2
T
t
基本关系：
W2 U0 = 2 U i Dc W1
¾变压器的工作状态：双向磁化，磁利用率高。 ¾晶体管的反压：2Ui +漏感引起的尖峰。 ¾变压器漏感的影响:双线并绕紧耦合以减小漏感。 ¾变压器双向磁化：直流偏磁问题。
四. 半桥及桥式隔离型直流变换器
1.半桥： 两个轮流工作的降压式直流变换器
2
2 T on L2 = U0 L 1 T × 2Io × L2
Ui L 1
2
∴U 0
U i2 D c2 = 2 L 1 fI o
∴ D c 一定时不能空载
设计特点： 优点：电路简单，隔离， 升降压变换 缺点：不能空载；磁利用率低。
二.单端正激式变换器 1. 电路图：
B
iL 0
iL t T 2T
ton
T
2T
t
（b）充电电流大时的电感电流波形
0
ton
（c）充电电流小时的电感电流波形
iL 0
T
2T t
（d）蓄电池放电电流波形
2.电压两象
.电压极性可变。 .电机控制，励磁控制 正转，电动。 正转时，不能制动。
U AB > 0
＋
＋
V1
Ui
A
io
B
D3
D2
V4
因为I单向。 － 反转，制动。发电机工作
1 控制信号 V1、V2互补，各导通180°。 V3、V4互补，V1和V4同时开关。
U A B
0
＋
V1
Ui
D1
CL
D3
V3
B
A
V2
T
2
T
t
－
LL
D2 RL
D4
V4
(a)
n = 1,3,5 sin nwt 2 输出电压 U AB ∑ w = 2π f n =1 没有偶次谐波，有基波、奇次谐波 4U i 基波：U 1 = sin wt π 3 优点：控制简单 缺点：谐波含量丰富 输出电压不可调
T
2T
（d）电流不连续时的电感电流波形
Uo
Dc 1 > Dc 2
Dc 1 Dc 2
0
Io
（e）变换器的输出特性
2. 升压式直流变换器
On:
di L L =U dt
i
Off:
diL L = Ui −Uo dt
Ui Uo = 1 − Dc
iL 0
t
ton
T
2T
（b）电流连续时的电感电流波形
iL 0
t2 t3 t5
＋
＋
io
A
RL
LL
B
A
RL
LL
B
io
－
－
＋
＋
io
io
A
RL
LL
B
A
RL
LL
B
－
－
（c）移相控制桥式逆变器的工作模
分析：
t on π − α D= = T π W 2 π −α Uo = Ui W1 π
+
B W1
Ui
A
B
W2
-
L
+ C Uo （d)桥式逆变器式直流变换器主电路原理图
u AB 4U i = nπ
n =1， 3， 5
∑ cos nϕ sin nwt
∞
u1 =
4U i
π
cos ϕ sin wt
4U i u3 = cos 3ϕ sin wt 3π
3 特点： 优：可调压、可有选择地消除谐波 缺：调压和消除谐波不可兼顾 谐波仍很丰富
三、 SPWM逆变（载波交截） 1 控制规律 多个脉宽调制波，且每个波的宽度按正弦规律分布 常用载波交截法 载波：三角波
变换器所用可控功率电子器件多，在相同器件 定额时，所能变换的功率也越大。 全桥﹥半桥，推挽﹥单端。
§3-3 单相逆变器
逆变器：DC→AC （一般为正弦） 单相 三相 推挽 半桥 桥式 三相桥 输 出 方波 阶梯波 正弦脉宽调制
＋
V1
Ui
D1
CL
D3
V3
B
A
V2
LL
D2 RL
D4
V4
－ (a)
一. 方波逆变