第3章直流调压电路.ppt
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1、1,第3章 直流调压电路,3.1 全控型电力电子器件,将直流电压变成另一固定电压或大小可调的直流电压的变换电路称为直流电压变换电路。它的基本原理是利用电力电子开关器件周期性地开通与关断,从而改变输出电压的大小,因此也称为开关型DC/DC变换电路,俗称斩波电路(Choppter)。,通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。,2,3.1.1 直流电压变换电路的工作原理,图中开关S可以是各种全控型电力电子器件。Ud是恒定直流电压电源;R为负载。,通过开关S的接通和断开,将负载与电源接通继而又断开,它能将恒定输入的直流电压经过斩波后形成可调的负载电压。图3.1(b
2、)表示出了变换电路的输出电压u的波形。,3,这样直流变换电路输出电压的平均值为:,变换电路的输出电压的平均值UAV受电路工作频率D(又称此为占空比)的控制,通过改变D的值即可改变电路的输出电压平均值。,4,欲改变电路的占空比,可以采用3种方法:,脉冲宽度调制(PWM),也称定频调宽式。保持电路频率f1/T不变,即工作周期T恒定,只改变开关电器S的导通时间ton。,频率调制(PFM),也称定宽调频式。保持开关电器S的导通时间ton不变,改变电路周期T(即改变电路的频率),混合调制。脉冲宽度(即ton)与脉冲周期T同时改变,采取这种调制方法,输出直流平均电压UAV的可调范围较宽,但控制电路较复杂,
3、5,3.1.2 门极可关断晶闸管(GTO),通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。,1.GTO的基本情况,门极可关断晶闸管(Gate Turn off Thyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部特性,如耐压高(工作电压可高达6000V)、电流大(电流可达6000A)、造价便宜等。,6,当在GTO的门极加正脉冲信号(极高电位,门极低电位)时,触发导通;加门极负脉冲信号(阳极低电位,门极高电位)时,GTO触发关断。在它的内部有电子和空穴两种载流子参与导电,所以它属于全控型双极型器件。它有阳极A、阴极K和门极G三个电极。,GTO导通后的管压降比较大
4、,一般为23V。由于门极可关断,关断期间功耗较大。另外,由于导通压降较大,门极触发电流较大,所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。,7,2.GTO的缓冲电路,可以减轻GTO在开关过程中的功耗,抑制静态电压上升率。,8,3.GTO门极驱动电路,用门极正脉冲可使GTO开通,门极负脉冲可以使其关断,这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大,约为阳极电流的1/5左右。尽管采用高幅值的窄脉冲可以减少关断所需的能量,但还是要采用专门的触发驱动电路。,9,4.GTO的典型应用,GTO主要用于高电压、大功率的直流变换电路即斩波电路、逆变器电路中,例如恒压恒频电源即CVCF,常用的不
5、停电电源(UPS)等。另一类是调频调压电源即VVVF,较多用于风机,水泵、轧机、牵引等交流变频调速系统中。其方式以微型计算机控制和以脉宽调制(PWM)控制方式发展最快,图中GTO为主开关,控制GTO导通与关断即可使脉冲变压器TR次级产生瞬时高压。该电压使汽油机火花塞电极间隙产生火花。在晶体管T的基极输入脉冲电压,低电平时,T截止,电源对电容C充电,同时触发GTO。由于L和C组成LC谐振电路,C两端可产生高于电源的电压。脉冲电压为高电平时,晶体管T导通,C放电并将其电压加于GTO门极,使GTO迅速而可靠地关断。,10,3.1.3 大功率晶体管(GTR),大功率晶体管,又可称为电力晶体管(Gian
6、t Transistor)简称GTR,通常指耗散功率(或输出功率)1W以上的晶体管。所以它的电气符号与普通晶体管相同。,GTR有以下应用特点:,具有自关断能力。,能在较高频率下工作,GTR存在二次击穿的问题,管子裕量要考虑足够一些。,11,1.GTR的基极驱动电路,GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足够大,足以保证GTR可靠导通和关断的程度。基极驱动电流的各项参数直接影响GTR的开关性能。因此根据主电路的需要,GTR的基极驱动电路比普通晶体管要复杂很多,简单的双电源驱动电路。,驱动电路与GTR(T6)直接耦合,控制电路用光耦合实现电隔离,正负电源(UC2和UC3)供电。当
7、输入端S为低电位时,T1T3导通,T4、T5截止,B点电压为负,给GTR基极提供反向基极电流,此时GTR(T6)关断。当S端为高电位时,T1T3截止,T4、T5导通,T6流过正向基极电流,此时GTR开通。,12,集成基极驱动电路。,THOMSON公司生产的UAA4002大规模集成基极驱动电路可对GTR实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。它采用标准的双列DIP16封装,对GTR基极正向驱动能力为0.5A,反向驱动能力为3A,也可以通过外接晶体管扩大驱动能力,不需要隔离环节。UAA4002可对被驱动的GTR实现过流保护、退饱和保护、最小导通的时间限制(ton(min)112s),最大导通的时间
8、限制、正反向驱动电源电压监控以及自身过热保护。,13,2.GTR的保护电路,GTR保护分为过电压、过电流保护、电流变化率di/dt限制和电压变化率du/dt限制等。,GTR的过电压保护及di/dt、du/dt的限制:,在GTR关断过程中,流过负载RL的电流通过电感LS、二极管DS给电容CS充电,因为CS上电压不能突变,这就使GTR在关断过程电压缓慢上升,避免关断过程初期GTR中电流下降不多时,电压就升到最大值,同时也使电压上升率du/dt被限制。在GTR开通过程中,一方面CS经RS、LS和GTR回路放电,减小了GTR承受较大的电流上升率di/dt;另一方面负载电流经电感LS后受到了缓冲,也就避
9、免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。,14,GTR的过电流保护,负载过电流或基极驱动电流不足,都会导致GTR管压降明显增加。电路检测GTR管压降并与基准值Ur比较,当管压降UCEUr时就使驱动管T截止,切除GTR的驱动信号,关断过流的GTR。Ur的大小取决于需要保护电路动作时的负载电流大小。Ur的值通常由它所对应的额定负载电流值确定。这个电路可使GTR在几个微秒之内封锁驱动电流,关断GTR。,GTR的UCE识别法,15,GTR桥臂互锁保护法,若一个桥臂上的两个GTR控制信号重叠或开关器件本身延时过长,则会造成桥臂短路。为了避免桥臂短路,可采用互锁保护法,即一个GTR关断后,另一个
10、才导通。采用桥臂的互锁保护,不但能提高可靠性,而且可以改进系统的动态性能,提高系统的工作频率。,16,3.GTR的应用,直流传动:,D16构成一个三相桥式整流电路,获得一个稳定的直流电压。D为续流二极管,作用是在GTR关断时为直流电机提供电流,保证直流电机的电枢电流连续。通过改变GTR的基极输入脉冲的占空比来控制GTR的导通与关断时间,在直流电机上就可获得电压可调的直流电,17,电源装置:,大量使用的开关式稳压电源装置中,GRT的功能是斩波稳压。与以往的晶体管串联稳压或可控整流稳压相比,其优点是效率高,频率范围一般在音频之外,无噪声,反应快,滤波元件可大大缩小。,逆变系统:,18,3.1.4
11、绝缘栅双极型晶体管(IGBT),绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT,既具有输入阻抗高、速度快,热稳定性好和驱动电路简单的特点,又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点,因此发展迅速,备受青睐。由于它的等效结构具有晶体管模式,所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制,1986年投产,是发展最快,使用最广泛的一种混合型器件。,19,IGBT是电压控制型器件,即它的导通和关断由栅极电压来控制。栅极和发射极间加以正向电压(栅极高电位,发射极低电位)时,IGBT导通,它不仅具有耐高压的特性,且导通后IGBT具有很低的通态
12、压降,导通后,集电极输出电流IC与驱动的栅与发射极间的电压UGE基本呈线性关系,即电压UGE越高,集电极电流IC也越高;在栅极上施以负电压时,IGBT关断。,1.IGBT的栅极驱动电路,采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路:,20,推挽输出栅极驱动电路:,采用光耦合隔离的由T1、T2组成的推挽输出栅极驱动电路。当控制脉冲使光耦合关断时,光耦合输出低电平,使T1截止,T2导通,IGBT在DW1的反偏作用下而关断。当控制脉冲使光耦合导通时,光耦合输出高电平,T1导通,T2截止,经UCC、T1、RG产生的正向电压使IGBT开通。,21,专用集成驱动电路,EXB系列IGBT专用集成驱动模块是日本富士公司出
13、品的,它们性能好、可靠性高、体积小,得到广泛应用。EXB850、EXB851是标准型,EXB840、EXB841是高速型,它们的内部框图如图所示。,22,集成驱动器的应用电路,它能驱动150A/600V、75A/1200V、400A/600V和300A/1200V的IGBT模块。EXB850和EXB851的驱动延迟4s,因此适用于频率高达10kHz的开关操作。EXB840和EXB841的驱动信号延迟1s,适用于高达40kHz的开关操作。使用中IGBT的栅极都接有栅极电阻RG,表3.4和3.5分别列出了EXB850和EXB840驱动电路中IGBT的栅极串联电阻RG的推荐值和电流损耗。,23,2.
14、IGBT的保护,IGBT具有较高的输入阻抗,容易造成静电击穿,故在存放和测试时应采取防静电措施。,过电流保护:IGBT应用于电力电子系统中,对于正常过载(如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等)系统能自动调节和控制,不至损坏IGBT。对于非常的短路故障要实行过流保护。,过电压保护:利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并限制过量的电压变化率du/dt。但由于IGBT的安全工作区宽,因此,改变栅极串联电阻的大小,可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而,由于IGBT控制峰值电流的能力强,因此在有些应用中可不用缓冲电路,过热保护:利用温度传感器检测IGBT的壳温,当超过允许温度时,主电路跳闸以
15、实现过热保护。,24,3.IGBT功率模块,一个IGBT基本单元是由IGBT芯片和快速二极管集成而成,封装于同管壳内,组成单管模块。,25,3.2 由普通晶闸管构成的直流电压变换电路,3.2.1 电路的工作原理,当晶闸管V导通时,直流电源Ud向负载电机输送能量,变换电路的输出电压uUd,续流二极管反向偏置,负载电流i由于平波电抗器LG的作用,滞后电压Ud的变化,在电感LG足够大的情况下,其波形如图所示,即电流的变化滞后电压的变化。,26,当晶闸管V阻断时,原储存在平波电抗器LG中的能量经二极管D对负载续流,变换电路输出电压u0,负载电流i逐渐减少,但由于平波电抗电感LG足够大,所以在V阻断时电
16、流仍然连续。第二个周期则重复前述过程。在此情况下,电动机工作于正向电动运行状态,表现出负载电压与负载电流方向相同且都为正值,所以这种电路又被称为单象限直流电压变换电路。,27,3.2.2 晶闸管的换流过程,28,3.3 单象限直流电压变换电路,电能只能从电源传送给负载的直流电压变换电路称为单象限直流电压变换电路。,3.3.1 降压直流电压变换电路,直流降压变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路,又叫Buck型变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速,降压型直流变换电路的基本型式如图所示。图中开关S可以是各种全控型电力器件。D为续流二极管,其开关速度应和S同等级,常用快
17、恢复二极管。L、C为滤波电感和电容,组成低通滤波器,R为负载。为了简化分析,,29,3.3.1 降压直流电压变换电路,30,电路输出的平均电压U0:,由于D值在0之间变化,因此输出电压的平均值总是小于输入电压Ud,称此为降压直流变换电路。,输出电流I0与输入电流Id的关系为:,维持电流临界连续的电感值L0为:,电流连续时的输出电压绞波为:,31,3.3.2 升压直流电压变换电路,输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路,又叫Boost电路。它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。,升压型直流变换电路的基本形式如图所示。图中S为全控型电力器件组成的开关,D是快恢复二极管。,输出电
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