楊成林陳敏徐德鴻ppt課件

1、楊成林楊成林 陳敏陳敏 徐德鴻徐德鴻2003.11浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 電力電子安裝多數(shù)經(jīng)過整流器與電力網(wǎng)接口，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線性電路，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量電流諧波和無功污染了電網(wǎng)，成為電力公害，電力電子安裝已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。 我國國家技術(shù)監(jiān)視局在1994年公布了規(guī)范GB/T 14549-93 。 國際電工學(xué)會(huì)也于1988年對(duì)諧波規(guī)范IEC 555-2進(jìn)展修正，歐洲制定IEC1000-3-2規(guī)范，傳統(tǒng)整流器普通不符合新的規(guī)定；因此，傳統(tǒng)整流器將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。 奇次諧波次數(shù)最大允許的諧波電流值（A）32.3051.1470.7790.

2、40110.33130.21n=15 至 390.15*15/n偶次21.0840.4360.30n=8 至 400.23*8/n注：表中n為諧波次數(shù) 被動(dòng)方法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或?yàn)V除諧波 。 自動(dòng)式方法，設(shè)計(jì)新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，即具有功率因數(shù)校正功能。 主電路圖電路任務(wù)原理：以A相為例，當(dāng)A相電壓為正時(shí)，S4導(dǎo)通使La上電流增大，電感La充電；S4關(guān)斷時(shí)，電流ia經(jīng)過與S1并聯(lián)的二極管流向出端，電流減小。同樣A相電壓為負(fù)時(shí)，可經(jīng)過S1及與S4并聯(lián)的二極管對(duì)電流ia進(jìn)展控制。 常用的PWM控制 控制電路由電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)

3、及PWM發(fā)生器構(gòu)成。 PWM控制可采用三角波比較法、滯環(huán)控制或空間矢量調(diào)制法SVM。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 輸入電流的輸入電流的THD小，功率因數(shù)為小，功率因數(shù)為1，輸出，輸出直流電壓低，效率高，能實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳直流電壓低，效率高，能實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳送，適用于大功率運(yùn)用。送，適用于大功率運(yùn)用。 缺陷：缺陷： 運(yùn)用開關(guān)數(shù)目較多，控制復(fù)雜，本錢高運(yùn)用開關(guān)數(shù)目較多，控制復(fù)雜，本錢高，而且每個(gè)橋臂上兩只串聯(lián)開關(guān)管存在直通，而且每個(gè)橋臂上兩只串聯(lián)開關(guān)管存在直通短路的危險(xiǎn)，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)控制的可靠性要求短路的危險(xiǎn)，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)控制的可靠性要求高。高。 三相單開關(guān)PFC電路及其控制框圖 三相單開關(guān)PFC電路可以看成是單

4、相電流斷續(xù)DCMBoost PFC在三相電路中的延伸。 T1T2T3TsiaibicT4ti 在T1期間開關(guān)導(dǎo)通，電流ia，ib，ic線性添加 (設(shè)VcVb0。 T2期間開關(guān)關(guān)斷，ia，ib，ic在輸出電壓和相電壓的共同作用下開場減小，最后ib減小到零，T2期間終了 。 ia,ic同時(shí)回到零，T3階段終了。 在T4期間三個(gè)Boost電流堅(jiān)持為零。 輸入電感上的電流波形T1T2T3T4VcVbVaLticibia32331,VoVcVoVbVoVaLTtcIpeakbIpeakaIpeakicibia2022121021VoVaVcVoVcVaLTTtTTIcTTIaicibia20,20,20

5、,sin() 023 sin()632sin()sin(2)23 22633 sin()3 sin()36sin()3 sin(2)3223 sin()3 sin3aavgsaavgsaavgstVDitLfMtMttVDitLfMtMtMttVDiLfMtM 32()6ttT1T2T3電感電流的平均值 表達(dá)式0 mVMV升 壓 比 ： 電感電流波形圖電感上電流平均值 由于開關(guān)頻率高與工頻相比，可以用電感上電流平均值近似慮去調(diào)頻后的實(shí)踐電流。 電流波形 分析：升壓比M越大，可以縮短一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入電流平均值與輸入電壓瞬時(shí)值的非線性階段T2和T3，因此可以減小電流畸變。 從圖可知，升壓比M越大

6、，電流波形正弦度越好。M2M2.5M3M3.55次7次11次13次 升壓比M越大，各次諧波含量越小。 缺陷：缺陷： 從上面的分析可知：為了減小網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變就從上面的分析可知：為了減小網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變就要提高輸出電壓值，這就增大了開關(guān)管接受的電壓，也要提高輸出電壓值，這就增大了開關(guān)管接受的電壓，也添加了后面添加了后面DC/DC變換器的電壓耐量，也給變換器的電壓耐量，也給Boost二極二極管的選擇帶來困難。管的選擇帶來困難。 由于電流任務(wù)在由于電流任務(wù)在DCM下，輸入側(cè)的電流下，輸入側(cè)的電流THD值大，并值大，并需求有較大的需求有較大的EMI濾波器。濾波器。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 僅運(yùn)用一只開關(guān)管

7、，控制容易。僅運(yùn)用一只開關(guān)管，控制容易。 由于電路任務(wù)在由于電路任務(wù)在DCM下，下，Boost二極管二極管Ds不存在反向恢不存在反向恢復(fù)問題，普通情況下可以不運(yùn)用吸收電路。復(fù)問題，普通情況下可以不運(yùn)用吸收電路。 開關(guān)在零電流下導(dǎo)通，開關(guān)開通損耗小。開關(guān)在零電流下導(dǎo)通，開關(guān)開通損耗小。 系統(tǒng)本錢低。系統(tǒng)本錢低。 VaVcVbD1D3D5D2D4D6SCoLoadLbLaLcDs電壓補(bǔ)償器調(diào)制比m乘法器六次諧波發(fā)生器PWM 為了減小輸出電壓值和輸入電流的THD值，可以運(yùn)用注入諧波的方法來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的脈寬微調(diào)，從而減小電流THD值。諧波注入法主要是經(jīng)過注入6次諧波來抑制輸入電流諧波。 諧波注入法主電

8、路及其控制框圖 6次諧波注入使開關(guān)導(dǎo)通比變?yōu)椋?d(t)=D1+msin(6t+3/2) m為調(diào)理參數(shù)，0m1。 sin ()sin (5)51IItIta2sin ()sin (5)5133IItItb4sin()sin(5)5133IItItc輸入電流諧波中五次諧波占主導(dǎo)位置，電感電流的平均值表達(dá)式中略去5次以上諧波時(shí)，三相電流可近似為 sin()()sin(5)511sin(7)1iItIm Itam It2sin()()sin(5)511332sin(7)13iItIm Itbm It4sin()()sin(5)511334sin(7)13iItIm Itcm Itd(t)=D1+ms

9、in(6t+3/2) 代入電感電流的平均值表達(dá)式中并忽略m2和高于7次的諧波 00.20.40.60.811.21.41.61.8571113系列1系列2系列3A諧波次數(shù)固定占空比IEC6100032A類規(guī)范諧波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4% 注入6次諧波時(shí)，可以減小5次諧波，但同時(shí)也增大了7次諧波 。 固定占空比諧波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4%固定占空比諧波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4%T1T2T3TsiaibictiM2M2.5M3.5M3電感電流波形電感電流平均值波形 每當(dāng)三相Boost電感電流均下降到零時(shí)，開關(guān)管

10、立刻導(dǎo)通，開場下一個(gè)開關(guān)周期。在這種條件下Boost電感任務(wù)在DCM與CCM的臨界情況(critical) 。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 由于開關(guān)頻率改動(dòng)，從頻譜由于開關(guān)頻率改動(dòng)，從頻譜上看諧波不會(huì)集中分布在開關(guān)上看諧波不會(huì)集中分布在開關(guān)頻率附近，而是分布在某個(gè)頻頻率附近，而是分布在某個(gè)頻率區(qū)域范圍內(nèi)。這就減小了諧率區(qū)域范圍內(nèi)。這就減小了諧波的幅值，波的幅值，PFC電路前的電路前的EMI濾波器可以設(shè)計(jì)得比較小。濾波器可以設(shè)計(jì)得比較小。 VaVcVbD11D13D15D12D14D16S1CoLb1La1Lc1Ds11Ds12D21D23D25D22D24D26S2Lb2La2Lc2Ds21Ds22Loadi

11、a上ia下ia總tttib上ic上ib下ic下ib總ic總優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 兩個(gè)模塊的電流之和有能夠是延續(xù)的，兩個(gè)模塊的電流之和有能夠是延續(xù)的，輸入網(wǎng)側(cè)電流的諧波顯著減小輸入網(wǎng)側(cè)電流的諧波顯著減小 。 兩只開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)在相位上錯(cuò)開兩只開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)在相位上錯(cuò)開180o，使系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率翻倍，這可以使，使系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率翻倍，這可以使EMI濾波器的截止頻率提高。濾波器的截止頻率提高。 兩組電路盡能夠任務(wù)在接近DCM與CCM臨界情況，兩只開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在相位上相錯(cuò)開180o。 電流波形 為了減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率進(jìn)而減小輸入濾波器，減小EMI等，可以經(jīng)過輔助開關(guān)M和Lr，Cr組成的諧振支路使主

12、開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。 VaVcVbD1D3D5D2D4D6CoLbLaLcDsSLrCrDrLoadM任務(wù)原理：任務(wù)原理： 在主開關(guān)在主開關(guān)S導(dǎo)通期間，導(dǎo)通期間，Cr經(jīng)經(jīng)過過Lr，S，M內(nèi)部的二極管放電內(nèi)部的二極管放電，使，使Cr電壓為上負(fù)下正。在開電壓為上負(fù)下正。在開關(guān)關(guān)斷前一段時(shí)間，輔助開關(guān)關(guān)關(guān)斷前一段時(shí)間，輔助開關(guān)M先導(dǎo)通，先導(dǎo)通，Cr與與Lr 諧振，將諧振，將Cr上上充好的電能放出。諧振電流經(jīng)充好的電能放出。諧振電流經(jīng)過主開關(guān)管的方向與原來主開過主開關(guān)管的方向與原來主開關(guān)管電流方向相反，抵消了主關(guān)管電流方向相反，抵消了主開關(guān)管的電流，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管開關(guān)管的電流，實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電流關(guān)斷

13、。的零電流關(guān)斷。 軟開關(guān)輔助電路三個(gè)Y型接法的電容構(gòu)成浮動(dòng)中點(diǎn) 用于控制的兩只開關(guān)管 三相雙開關(guān)PFC電路中，浮動(dòng)中點(diǎn)與兩只串聯(lián)開關(guān)管的公共點(diǎn)相聯(lián) ，電路可以看成兩個(gè)Boost PFC電路在輸出端并聯(lián)。 輸入電感任務(wù)在電流斷續(xù)DCM下。S 1S 2iaibic開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 電感電流波形 單開關(guān)電路中三個(gè)電感是同時(shí)充放電的。在該電路中，電壓值最高相的Boost電感與其他兩相上的Boost電感充電或放電在時(shí)間上是錯(cuò)開的 。 在電感放電起始的一段時(shí)間里輸出電壓全部參與電感放電，而單開關(guān)電路中輸出電壓是被分成兩部分分別參與不同的電感放電的，這就使電感放電時(shí)間縮短，即縮短了電感電流平均值與輸入電壓瞬時(shí)值

14、的非線性階段，可減小輸入電流的THD。在較小的輸出電壓下就可以獲得比較小的THD。 主電路控制電路均壓環(huán) 電流環(huán) 電壓環(huán) 輸入端Y型接法的三個(gè)電容構(gòu)成的中點(diǎn)與兩只串聯(lián)的開關(guān)中點(diǎn)和兩個(gè)串聯(lián)輸出電容的中點(diǎn)相聯(lián)接構(gòu)成三電平電路，電路可以任務(wù)在CCM或DCM方式下。 圖中的控制框圖是電路任務(wù)在CCM下的，這種控制方法經(jīng)過開關(guān)S1和S2分別控制正向電壓最大相和負(fù)向電壓最大相的電流來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)控制包括均壓環(huán)、電壓環(huán)、電流環(huán)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 電路任務(wù)時(shí)開關(guān)管所接受的最大電壓只需輸出電壓的一半，這就電路任務(wù)時(shí)開關(guān)管所接受的最大電壓只需輸出電壓的一半，這就可以選擇耐壓參數(shù)小而開關(guān)速度快的半導(dǎo)體開關(guān)器件如可以選擇

15、耐壓參數(shù)小而開關(guān)速度快的半導(dǎo)體開關(guān)器件如MOSFET以提高開關(guān)頻率。同時(shí)電路任務(wù)在以提高開關(guān)頻率。同時(shí)電路任務(wù)在CCM下，下，THD較小，前端的較小，前端的EMI濾波器可以設(shè)計(jì)得比較小。濾波器可以設(shè)計(jì)得比較小。 缺陷：缺陷：需求檢測的控制量比較多，控制比較復(fù)雜。需求檢測的控制量比較多，控制比較復(fù)雜。 VaVcVbCo1LbLaLcDs1S1S2Ds2Co2LbLaLcDs3S3S4Ds4D1D2D3D4D5D6LoadD7D8D9D10D11D12 三相雙開關(guān)電路任務(wù)在DCM下時(shí)，為了進(jìn)一步減小輸入電流的THD值，從而減小EMI濾波器，可以經(jīng)過兩個(gè)電路模塊并聯(lián)的方法來到達(dá)這個(gè)目的，這種交錯(cuò)并聯(lián)

16、方法與三相單開關(guān)PFC電路的交錯(cuò)并聯(lián)思想是一致的。 模塊2模塊1三相單開關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)與三相雙開關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)在不同的輸入電壓不同升壓比M下THD的比較 三相單開關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)與三相雙開關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)在不同的輸入電壓不同升壓比M下效率的比較 VaVcVbD1D3D5D2D4D6LbLaLcS1S2S3Co1Co2LoadM 三相三開關(guān)PFC電路中開關(guān)S1，S2，S3是雙向開關(guān)。由于電路的對(duì)稱性，電容中點(diǎn)電位VM與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似一樣，因此經(jīng)過雙向開關(guān)S1、S2、S3可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。 任務(wù)原理：開關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的電流幅值增大，開關(guān)斷開時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通電流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管導(dǎo)通，在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。 三相三開關(guān)電路中的雙向開關(guān)用一只MOSFET器件與四只整流二極管組成的整流橋相聯(lián)接構(gòu)成