开关控制变换原理.ppt

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1、1,第2章 功率半导体器件、应用基础,(第二讲),2,本章主要内容,2.1开关控制和变换原理 开关功率控制 2.1.2 功率变换2.2器件物理基础与晶闸管的额定值 常用开关器件及分类 2.2.2 pnpn器件导通物理过程2.3 晶闸管的主要特性 晶闸管的断态特性 晶闸管的通态特性 晶闸管的动态特性,3,本节具体内容：简要介绍开关控制和变换的基本原理,学习要点：开关控制的基本原理四种变换形式开关变换中平均值、有效值、峰值及波形因子的概念,4,2.1开关控制和变换原理,2.1.1 开关功率控制 功率开关是功率控制的基本单元效率负载上消耗的功率与由电源提供的功率之比,5,2.1.1 开关功率控制,负

2、载上消耗功率/总功率RL/(RLRV),由晶体管控制,6,2.1.1 开关功率控制,开关只有两种状态：开态 断态负载上的电流：E/RL 0开关上：压降0 漏电流 0,7,2.1.1 开关功率控制,如何实现？时间比率控制（Time Ratio Control）通过控制开态和断态的时间以调整平均功率 时间比率控制是通过脉宽调制来实现的 PWM（Pulse Width Modulation）,8,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,2.1.1 开关功率控制,9,正弦波脉宽调制原理,正弦波脉宽调制(SPWM)等幅矩形脉冲的宽度按正弦规律变化 用

3、等效正弦波的、等幅不等宽的矩形脉宽作为控制器件通、断的依据 通常采用三角波作载波得到PWM控制波形,2.1.1 开关功率控制,10,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,PWM控制的基本思想,11,2.1.1 开关功率控制,直流斩波原理,降压式直流斩波电路（buck chopper）,12,保持开/关的周期T一定，让开的时间Ton慢慢增加,2.1.1 开关功率控制,13,2.1.1 开关功率控制,电压型无源逆变电路,单相半桥逆变电路,14,2.1.1 开关功率控制,电压型无源逆变电路,单相全桥逆变电路,15,单极性PWM控制

4、方式（单相桥逆变）,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，请同学们自己分析。,2.1.1 开关功率控制,16,2.1.1 开关功率控制,SPWM是利用三角载波与正弦调制波进行比较得到的，适合于模拟电路。不足是对直流电压利用率低。空间矢量脉宽调制(SVPWM)：在交流电机调速中提出了实现磁通轨迹控制思想，进而发展产生了电压空间矢量PWM，由于其物理概念清晰，算法简单，适合于数字实现，直流电压利用率高，电压谐波小等优点，得到了广泛应用。,17,2.1.1 开关功率

5、控制,电机最优效率的实现-采用了先进的算法来提高电机的运行性能 解决方案：利用密集的数值计算来提高系统的性能，给定的通量结构下产生最大的力矩。高性能DSP控制器可以实时完成转子定位和速度计算，而无需进行查表操作；DSP控制器的处理能力使得面向现场的控制(field-oriented control，FOC)成为可能；基于同一种DSP控制器平台的其它产品可以复用这些算法。,矢量控制智能控制,18,2.1.1 开关功率控制,理想开关的条件：（半导体开关）VoN/E0 ioFF/IL 0 tS/T 0其他：调节范围 动作延迟 信号灵敏 无误动作 寿命长 小型轻量,19,开关功率控制,开关的功率损耗,

6、开关内部损耗 p=i.v,ts1从通到断ts2从断到通,20,2.1.1 开关功率控制,总的平均功耗:P=IL.Von tON/T+E.iOFFtOFF/T+E.IL.1.ts1/T+E.IL.2.ts2/T 1、2 为开关轨迹决定的系数。如果近似有P 0，则有RL/(RLRV)100,21,2.1.1 开关功率控制,假定：开关期间的电流、电压为线性变化 V E(1t/tS)iIL.t/tS则 pS V.i E.IL(1t/tS).t/tS一周期开通一次的过渡损耗:PS(平均)1/T0tsPSdt(1/6)E.IL.tS/T此时轨迹系数:1/6,22,2.1.1 开关功率控制,开关轨迹系数,线

7、性感性负载理想开关,23,20世纪60年代以前的变换,2.1.2 功率变换,直流变换,24,2.1.2 功率变换,交流电压、频率变换,25,2.1.2 功率变换,基本开关变换电路,三种工况：S1S4导通、S2S3断开，e2=e1 S2S3导通、S1S4断开，e2=e1 S1S2导通（或S3S4导通）S3S4断开（或S1S2断开）e2=0（感性负载则回路中有电流）,26,2.1.2 功率变换,交流直流：正变换装置（又称为整流装置）交流交流：交流功率调整装置 频率变换装置（变频器）直流交流：逆变换装置（又称逆变器）直流直流：直流变换装置（间接式；直接式斩波器）,四种变换形式,27,2.1.2 功率

8、变换,正变换,28,2.1.2 功率变换,逆变换,29,2.1.2 功率变换,变频,30,2.1.2 功率变换,额定电流的定义：,各种器件面临不同的应用、不同工况，有不同的定义：直流值，峰值，有效值，可关断值,31,2.1.2 功率变换,允许通过器件的电流 在标准正弦半波下，若延迟角=0，定义有：通态平均正向电流 IT=1/20IM sint d(t)=IM/有效值电流(均方根电流)I=IM/2,32,2.1.2 功率变换,任意波形下（非正弦波）电流的平均值、有效值 定义波形因子 Kf=I/IT 正弦波的Kf=/2=1.57 根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦波电流的有效值I 折合成等效的正弦半波电流平均值来选择晶闸管额定值。非正弦波下允许通过的电流平均值Id I=Id.Kf=1.57 IT 得到：Id1.57 IT/Kf 表明:额定值100的晶闸管只有在全导通情况下才能通过100A的电流,33,2.1.2 功率变换,例：1.求图示电流波形下的电流平均值、有效值及波形系数；2.选用KP100型器件，不考虑安全裕量，试计算上述电流波形下器件所能承受的平均电流Id,34,2.1.2 功率变换,本节要求掌握的内容：开关功率控制的基本原理；开关损耗包括哪几部分、如何减小开关损耗；功率变换几种形式；整流电路中的有效值、平均值、峰值的概念以及器件额定值与工况的关系。,35,谢谢！,