电力电子——三相电压型全桥可逆变换器的设计

三相电压型全桥可逆变换器的设计1设计目的运用所给的初始条件，设计一三相电压型全桥可逆变换器。

从这涉及构成中学习和进一步掌握课本上所学到的理论知识，并熟练运用到实际的设计过程中。

（1）熟悉三相桥式可逆变换电路的接线；（2）熟悉TC787集成触发电路的原理及应用；（3）掌握调试晶闸管逆变与整流装置的步骤和方法；（4）三相可逆变换器过电压、过电流的产生及保护；（5）通过观察各种不同负载情况时，输出电压电流波形，来进一步了解三相可逆变换器的工作原理。

2设计原理可逆变换电路的一般结构，通常有交流电源、直流主电路、电抗器、负载及控制电路构成。

其基本的工作原理是，对于可控整流电路而言，只要满足一定的条件，就可以工作于有源逆变状态，此时，电路形式并未发生变化，只是电路工作条件转变，整流和逆变的区别仅仅是控制角α的不同，0<α<π/2时，电路工作在整流状态，π/2<α<π时，电路工作在逆变状态。

而发生逆变的条件是：首先要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的控制角α>π/2，使Ud为负值。

整流电路从交流电源吸收电能，并把它转化成直流电能输送到负载端。

在实际应用时，对一个可逆变换器的基本技术要求是：（1）直流输出电压可调范围大、电流脉动小、带载能力强；（2）整流元件导电时间尽可能长，合理利用元件的电压、电流定额；（3）变压器利用率高，尽量防止直流磁化；（4）交流侧功率因数高，谐波电流要小。

2.1变流器主电路目前在各种变流电路中，应用最为广泛的是三相电压型全桥可逆变换电路，三相电压型全桥可逆变换原理图如图1所示，电路由三个半桥电路组成，开关管可以采用全控型电力电子器件（图中以IGBT为例），二极管D1-D6为续流二极管，习惯上希望IGBT按从1至6的顺序导通，为此将IGBT按图示的顺序编号，即上面的三个IGBT分别为T1、T3、T5，下面的三个IGBT分别为T4、T6、T2。

从后面的分析可知，按此编号，IGBT的导通顺序为T1－T2－T3－T4－T5－T6。

在第三部分中，我会整流和逆变分别来分析。

图1三相电压型全桥可逆变换原理图2.2触发电路本实验采用TC787触发电路，它可单电源工作，也可双电源工作。

与TC785及KJ004相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰能力好、外接圆减少等优点。

只需一只TC787继承触发电路就可完成3只KJ004与一只KJ041和一只KJ042功能，多用于晶闸管三相桥式全控触发电路中。

在它内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲分配及驱动电路。

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源一般来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。

触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。

经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。

三个恒流源输出的恒流值电流给三个等值电容C1、C2、C3恒流充电，形成线性度良好的锯齿波。

锯齿波形成单元输出的锯齿波于控制电压Uco比较后取得交相点，该交相点经抗干扰电路锁定，保证交相点唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。

该交相信号与脉冲发生器输出地脉冲信号经脉冲形成电路处理后，变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。

在电路正常时，引脚5为低电平，此时脉冲分配电路根据6脚设定的状态完成双脉冲列或单脉冲列的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出。

一旦发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5变为高电平，脉冲分配和驱动电路的内部逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保输出脚全为低电平。

由于输出为脉冲列，故也适应于触发电感性负载晶闸管电路。

脉冲宽度可通过改变Cx值来确定，C越大，输出脉冲越宽。

输出太宽会增大驱动级的功耗损耗，故x C值一般取x3300pF~0.01μF。

触发电路设计图如图2所示。

图2 触发电路设计图2.3过电压过电流保护在电路中，除了选择合适的元件参数，良好的触发电路之外，对元件采用适当的保护也是必要的。

元器件一旦过流，温度将迅速上升而烧坏；反向电压一旦超过限度，反向击穿后，反向漏电流也会急剧增大，导致烧坏。

2.3.1过电压保护对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压，关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法主要有：1）在IGBT中装有保护电路可吸浪涌电压，保护电路的电容，采用薄膜电容，并靠近 IGBT 配置，可使高频浪涌电压旁路；2）调整IGBT的驱动电路的V CE或R C，使di/dt最小；3）尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳；4）为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。

阻容保护电路是变流装置中用的最多的过压保护措施，它利用电容两端电压不能突变的特性，把电容C和电阻R串联组成RC电压抑制器，过电压保护电路如图3所示。

这种电路能降低截流过电压及过电压上升陡度，还能在高频复燃时用电阻R吸收能量使高频振荡过程强烈衰减，因而有限制重复性高频过电压的作用。

电容C的数据值一般为0．1～0．2 F，电阻R为100～200Ω。

R-C阻容保护电路可以设置在变流器装置的交流侧、直流侧，也可将R-C保护电路直接并在主电路的元件上，有效的抑制元件关断时的关断过电压。

图3 过电压保护电路2.3.2过电流保护一旦发生短路，IGBT的集电极增加到既定的直，则C—E间的电压急剧增加。

根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在IGBT上还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。

从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有：1）晶体管或二极管的破坏2）控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作3）配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。

快速熔断器是IGBT变流装置中应用最普遍的过电流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中，过电流保护电路如图4所示。

其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。

直流侧快速熔断器只对负载短路或过载起保护作用，对元件无保护作用。

只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同一电流，因而被广泛应用。

图4 过电流保护电路3参数设定和计算3.1整流时的情况分析在三相电压型全桥整流电路中，当 α =0°时，可以采用与分析三相半波相控整流电路类似的方法，假设将电路中的IGBT 均换作二极管，也就相当于晶闸管触发角α =0°时的情况。

此时对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个晶闸管导通，而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个晶闸管导通。

这样，任意时刻共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管处于导通状态，α =0°就是在自然换相点处换相，三相电压型全桥整流电路α =0°时工作波形图如图5所示。

图5 三相电压型全桥整流电路α =0°时工作波形图第 I 阶段，a 相电位最高，T1管触发导通，b 相电位最低，T6触发导通，电流流通路径为a →T1→ R →T6→ b ，负载上电压d a c ac U U U U =-=。

变压器 a 、b 两相工作，a 相电流为正，b 相电流为负。

第 II 阶段，a 相电位仍然为最高，Tl 继续导通，但 c 相电位最低，在自然换相点处触发 c 相的 T2 管，则 T2 导通，电流从 b 相换至 c 相，T6因承受反向电压关断。

这时电流流通的路径为a →T1 → R →T2 → c ，负载上电压d a c ac U U U U =-= 。

第 III 阶段，b 相电位最高，自然换相点处触发 T3管，则换相至 T3，电流从 a 相换至 b 相，T1因承受反向电压关断，T2 因 c 相电位仍为最高而继续导通，负载上电压d b c bc U U U U =-= 。

以下 IV 、V 、VI 阶段以此类推。

在第 IV 阶段，T3、T4导通，d b a ba U U U U =-= ；第 V 阶段，T4、T5 导通，d c a ca U U U U =-=；第 VI 阶段，T5、T6 导通，d c b cb U U U U =-=。

以后重复上述过程。

由以上分析可知，三相电压型全桥整流电路中，对于上面的三个IGBT ，所接交流电压值最大的一个导通；对于下面的三个IGBT ，所接交流电压值最低(或者说负得最多)的导通；任意时刻上面的三个IGBT 和下面的三个IGBT 中各有1个IGBT 处于导通状态。

其余的IGBT 均处于关断状态。

触发角α的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。

当触发角α >0°时，每个晶闸管都不在自然换相点换相，而是从自然换相点向后移α角开始换相。

三相电压型全桥整流电路α=30°时工作波形图如图6所示，其分析方法与α =0°时相同。

可从α角开始把一个周期 6 等分，IGBT 导通顺序仍为T1、T6→ T1、T2 →T2、T3 →T3、T4→T4 、T5→T5、T6所以输出电压波形还是ab U 、ac U 、bc U 、ba U 、ca U 和cb U 线电压一部分，只是相位后移30°。

IGBT 中的T1承受的电压波形由三段组成：1~3t t ωω 段，T1导通，10T u = ;3~5t t ωω段，T3导通，1T a b ab U U U U =-= ;5~7t t ωω段，T5导通，1T a c ac U U U U =-=。

三相电压型全桥整流电路α=60°时工作波形图如图7所示，三相电压型全桥整流电路α=90°时工作波形图如图8所示。

其中分别显示出了α =60°、α =90°时输出电压的波形，α =60°为电流连续和断续的临界条件，当 α >60°时电流波形断续。