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1、第 9 章多级开关电路组合型交流、直流电源,9 多级开关电路组合型交流、直流电源,引言9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源VVVF 9.2 AC/DC-DC/AC恒压、恒频不间断电源UPS9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统9.4 具有中间交流环节的直流电源*9.5 移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DC变换器9.6 交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较小结,直流-直流电压变换,四类基本型变换器,直流-交流逆变,交流-直流整流,交流-交流电压、频率变换,实际应用中将2个甚至3个基本变换电路先后组合，构成多级开关电路组合型变压或变频电源。例如图9.1,引言,9.1 A
2、C/DC-DC/AC变压、变频电源,图9.1(a)，,异步电动机：,变速传动要求VVVF电源，且V1、f1能协调控制，如令V1/f1 比值不变，使m 不变，,9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续1）,SR-PI型速度调节器,不同的控制策略，要求有不同的V/f 函数关系。前级AC/DC常采用不控整流，当然也可以采用相控整流，或采用高频整流。,9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续2）,交流异步电动机、交流同步电动机、交流绕线转子异步电动机调速,图5.32 交流绕线转子异步电动机串级调速,9.2 AC/DC-DC/AC恒压恒频(CVCF),9.2.1 典型在线双变换式UPS
3、9.2.2 典型后备式UPS9.2.3 在线互动式UPS,不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply）,9.2.1 典型在线双变换式UPS,由 整流 和 逆变 两级变换器构成 可以将质量不好的交流市电（电压波动大，电压波形非正弦，频率稳定度不够等）转换成恒压、恒频正弦波交流电压。,适用于重要的交流负载,正常时，市电经整流、逆变向负载供电,异常 负载供电,分类：热后备式 冷后备式,正常时，市电直接向负载供电,异常时，蓄电池经逆变器向负载供电,供电质量不如在线双变换式UPS,9.2.2 典型后备式UPS,9.2.3 在线互动式UPS,通常交流电源vS不是额定值，且
4、有谐波电压，但希望is仅有基波分量且cos=1；负载非线性，有谐波电流，要求不停电，有额定正弦电压VR。令并联变流器II输出iLh+iLQ及部分iLP，输出额定正弦电压VR;令串联变流器I输出vsh及基波补偿电压(VS1-VR)（容量1520%）;使电源仅输出基波有功电流cos=1、负载仅含基波电压且vL=vR。,9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统,末端有源逆变,首端相控整流,逆变角,远距离直流输电优点：相同的高压和导线截面，输出极限功率大（无电抗压降，无稳定性问题），传送相同的功率时P小，V小线路投资低,9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统,9.4 具有中间交流环节(DC
5、/AC-AC/DC）的直流电源,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源 9.4.2 全桥型DC/AC-AC/DC直流电源,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源,前级DC/AC半桥高频逆变，经高频变压后，再经二极管全波整流。正半周DTS期间T1通态，负半周DTS期间T2通态。,图9.6(a)(b)(c)(d),占空比：0D0.5 D=Ton/Ts,输出电压平均值：,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源,在正半周T1 导电时，iD3=iL线性上升，随后期间i1=0，iL由D3、D4分流。在负半周T2 导电时，iD4=iL线性上升，随后期间i1=0，iL由D3、D4
6、分流。,图9.6(a)(d)(e)(f),T1on T2on 时C1、C2充、放电时间不等，使VC1 VC2，,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源,稳态工作时，一个开关周期Ts中，12=0故有,T1on期间C1放电，C2充电，T2on期间C2放电，C1充电。若T1onT2on，则C1放电时间短，充电时间长。最初VC1=VC2，经过几个周期将使VC1高于VC2，直到 VC1T1on=VC2T2on 达到平衡，VC1、VC2平均值固定不变。,物理上，,一个开关周期Ts中，N1上外加电压直流分量等于0（正负面积相等），直流电流为0，无直
7、流磁化电流。,9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源,指vAB在一个周期中无直流电压，不会在N1中产生直流电流偏磁，无直流磁化。,9.4.2 全桥型DC/AC-AC/DC直流电源,图(b)：正半周Ton期间，T1、T4同时导通，D5、D8导通 负半周Ton期间，T2、T3同时导通，D6、D7导通直流输出,9.4.2 全桥型DC/AC-AC/DC直流电源,若T1on T2on 则VAB中有直流分量，变压器直流偏磁。加隔直电容C使VAB中的直流分量落在C上（f=0，XC=），则N1上只有交流电压分量，变压器无直流磁化。,9.5 移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DC变换器,9.5.1
8、电路特点9.5.2 一个周期的开关过程9.5.3 开关器件零电压开通条件9.5.4 变压器二次绕组及二极管导电情况9.5.5 电压（占空比）丢失情况,9.5.1 电路特点,与硬开关全桥变换器的共同点：单相全桥单脉波PWM逆变，高频变压器变压隔离，半波不控整流，LC滤波输出；T1、T2、T3、T4脉宽相同；与硬开关全桥变换器的区别：增设了谐振电感Lr和四个并联电容C1C4；在控制时序上T1与T2、T3与T4互补驱动，有死区td；T1比T4驱动超前t，T2比T3驱动超前t，T1、T2称为超前桥臂，T3、T4称为滞后桥臂。,9.5.1 电路特点（续）,死区角d=td，移相角=t，脉宽=-d-；d=0
9、，=0，=方波d 0，0则,可见移相角决定输出电压的大小，移相角越大，输出电压越小,9.5.2 一个周期的开关过程,1.所有二极管、开关管通态等效电阻为零，断态等效电阻无穷大2.变压器为理想变压器，变比为KN1/N2，忽略励磁电流3.直流滤波电感折算到一次侧的等效电感为K2LfLr,电容C1C2，C3C44.直流滤波电感极大，因而电感电流If波动不大，近似直流,为了简化分析，假定：,起始时刻t0以前，T1、T4、D5导通，电感Lr上的电流ip=If/K从t0时刻起关断T1，ip从T1转到C1、C2，C1以ip/2充电到VD，C2以ip/2放电到0，ip衰减很少，可求得该阶段持续时间t01:,（
10、a)(b)(d),9.5.2 一个周期的开关过程（续1）,第2阶段，t1t3,保持vC2=0，直到t=t 3时刻关断T4。,（a)(b)(d),第1阶段，t0t1 从t0时T1关断开始到t1时C2放电到零，vC2=0，此后ip经D2续流。,只要死区时间tdt01=t1-t0（2C2VD/I0）就可在t2点零电压开通T2。,9.5.2 一个周期的开关过程（续2）,第3阶段，t3t4,软关断T4，C4充电，C3放电，T2已开通，D2仍续流ip，等值电路为图(c)。,（a)(c)(d),C3以ip/2放电，C4以ip/2充电，到t4时vC3=0，此后 D3导电，为T3零电压开通创造条件。,由于D5、
11、D6同时导通，因此变压器一、二次侧绕组电压为零，相当于BD短路。,9.5.2 一个周期的开关过程（续3）,在此阶段vAB0,第3阶段 t3t4期间，C3放电到零，到t4时vC3=0，D3导电，可求得：,(c),9.5.2 一个周期的开关过程（续3）,9.5.2 一个周期的开关过程（续4）,第4阶段：t4t6期间,(c)(e),t=t4时C3放电到零，这时要,必须,此后经D3、VD、D2续流，ip在t6时下降为零，在t3t6期间,vC30，T3可实现零电压开通，条件是:td t34。,9.5.2 一个周期的开关过程（续5）,(a)(e),t6时ip=0 T2、T3都是通态，从t6开始，电源VD经
12、T3、N1、T2 建立负半波电流，直到t=t7时达到负载对应的,D5、D6同时导电期间vO=0。,第5阶段:t6t7期间,9.5.2 一个周期的开关过程（续6）,第6阶段 t7t8。t=t7以后ip=0，T2、T3已处于负半周通态，经D6向负载供电；此后，在t=t8时撤除vG2，T2软关断，结束从t0-t8半个周波。从t0开始 T1软关断，T2零电压开通，T4软关断，T3零电压开通，T2软关断，完成半个周波工况。从t8-t16另半个周波的工况类似。,图9.8(a)(d)(e),9.5.3 开关器件零电压开通条件,1.要超前桥臂T2（T1）零电压开通必须,在tfi 期间,问题：为什么超前桥臂T1
13、、T2实现零电压开关比较容易？原因：在C1充电、C2放电过程中，ip较大且恒定不变（等效电感LLrK2Lf很大），因此C2迅速放电到零，时间很短，D2很快导电，为T2的零电压开通创造了条件。,若按临界关断缓冲选C2,使能零电压开通，则要求：,9.5.3 开关器件零电压开通条件（续1）,2.要滞后桥臂T3（T4）零电压开通必须,图9.8(a)(d)(e),同时要求t=t4时，,问题：为什么滞后桥臂T3、T4实现零电压开关比较困难？原因：在滞后桥臂T3开通前的t34期间，电流ip减小很快（在此期间变压器短路，因此仅有谐振电感Lr提供能量),因此电容C3放电到零、D3续流导通的时间很长，死区时间td
14、必须大于该时间才能实现T3的零电压导通（931）（933）表明，轻载时很难实现零电压开通，但轻载时负载电流小，开关损耗不大，设计时可折中考虑。如果实现零电压开通所需的Lr超过变压器漏感，则要外加串联电感。如果开关器件的寄生电容不足以实现软关断要求，则应另外并联电容。,9.5.3 开关器件零电压开通条件（续2）,9.5.4 变压器副方绕组及二极管导电情况,图9.8(a)(d)(e),9.5.5 电压（占空比）丢失情况,9.6 交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较,小 结,将基本的整流、逆变、DC/DC变压电路按一定的顺序串联，可以构成二级或三级组合型电力变换电源。例如含有直流中间环节的交
15、流直流交流两级变换交流电源，又如含有交流中间环节的直流交流直流二级变换直流电源。有中间直流环节的交流电源有两类基本应用领域：一是VVVF变压、变频交流电源对交流电动机供电，实现交流电动机的转速、转矩、转向控制。另一是CVCF恒压、恒频交流电源，用于对供电质量要求较高的交流负载供电，现已得到广泛应用的交流不间断电源UPS就是一个典型的应用实例。,有中间交流环节的直流电源，常用于对供电质量要求较高的直流负载，例如通讯系统中48V直流基础电源。图9.8(a)移相全桥零电压开关逆变不控整流直流电源，由于具有优良的技术特性已成为DC/ACAC/DC二级变换直流电源的最佳技术方案之一。如果是公用交流电网供电而直流负载功率又比较大、对特性的要求又比较高，则采用高频PWM整流高频逆变不控整流三级变换应该是最佳技术方案。,小 结（续1）,交流供电时常采用AC/DCDC/AC两级变换得到负载所需的交流电压，直流供电时常采用DC/ACAC/DC两级变换得到负载所需的直流电压。,小 结（续2）,
