電力電子技術課件ACDC

第2章.AC/DC變換（整流變換）2.1(傳統(tǒng))相控整流電路（Rectifier）

目的：將AC→可調DC。主要類型：相控、斬控（PWM整流）。i2ThZTu1u2i0u0Th1ZTu1u2i21u0u2Th2i22i0Th1Zu1u2i2u0Th2i0TTh3Th4Th1Zu1u2i2u0D1i0TTh2D2Th1Zu1u2i2u0Th2i0TD1D2DTh1ZuAuBu0i0TTh4Th3Th6Th5Th2uCabc單相三相橋式2023/2/412.1(傳統(tǒng))相控整流電路Th1Zu0i0Th4Th3Th6Th5Th2uauaubucubuabuacucbubauabucaubcuacuabuacucbubauabucaubcuac261211u0iTh1uGuTh1uφ1665544332三相橋式雙反星型(低壓大電流)改變觸發(fā)脈沖位置(出發(fā)角)改變輸出整流電壓大小。觸發(fā)脈沖形式：寬脈沖脈寬(70-80o，不多用);雙窄脈沖(寬約20o相隔60o強觸);高頻脈沖列(常為10k左右,省去強觸,可靠、數(shù)字觸發(fā))。功率因素λcosα,直流脈動6f0,網(wǎng)側諧波奇次,大小隨α↑而↑。有源逆變:α+β=180o,一般βmin>30o(考慮重疊角等)TuAuBuC135462*********abcabc多相整流(12、18、36相)→多重化：多組三相橋串(并)獲取高壓(大電流)輸出、低直流脈動、低網(wǎng)側諧波→順序控制:輸出分為多段,不同段投入不同組,使α不致過大進一步減小諧波影響。2023/2/422.1(傳統(tǒng))相控整流電路2.1.2

相控(傳統(tǒng))整流的主要缺陷1.網(wǎng)側功率因素低、諧波大相控整流電路功率因素：尤其深控，α較大↑→cosα↓，μ↓

(諧波增加)→λ降低。2.閉環(huán)系統(tǒng)難以實現(xiàn)快速調節(jié)

SCR導通后失控,相鄰兩個轉換點之間相隔：單相橋式電路10ms,三相橋式3.3ms,時滯在0～10ms(3.3ms)之間隨機分布;為了抑制輸出端紋波,一般帶有較大輸出濾波電容電感→電路難以對擾動做出快速反應。相控方式本身難以克服上述缺點。解決之道→PWM整流！2023/2/43第2章.

AC/DC變換1.技術思路α相控：調節(jié)α斬控PWM調節(jié)占空比2.2

PWM整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi02.電路拓撲及工作原理單相電壓型為例電路拓撲如圖：Ls:電路工作在Boost狀態(tài)所需。Lr、Cr:濾除i0中二次諧波。2023/2/442.2

PWM整流CrLrRC0D4T4T3D3D2T2T1D1abLsusuNu0isi0工作原理：假設C0足夠大，使得u0≡U0。(1)

i0>0,us>0(電源電壓正半周)，D1、D4導通,uN

=＋U0；i0>0,us<0(電源電壓負半周)，D2、D3導通，uN

=－U0。此時Ls釋放能量,與電源us一起向負載供電。(2)

is>0,D1、T2或T3、D4導通;is<0,D2、T1或T4、D3導通,電源us沿Ls短路,此時uN

=0,Ls儲能,負載R則依靠C0放電維持。(3)i0<0,us<0,T1、T4導通,uN

=＋U0;i0<0,us>0,T2、T3導通,uN

=－U0。負載饋能,與電源us一起向Ls儲能。U0－U0uNt由以上分析可見,電路工作在Boost狀態(tài)。橋路的輸入電壓uN波形將如圖所示。若uN波形是采用SPWM調制而成，uN中將含有很少的諧波成分。2023/2/45第2章.

AC/DC變換3.對調制波的要求：進一步分析i0。忽略整流電路的內部損耗，則有：2023/2/462.2

PWM整流2023/2/47第2章.

AC/DC變換

事實上，在電源電壓us一定的情況下，改變uN1的幅值以及與us之間的相位差，可以得到PWM整流電路的不同工作狀態(tài)，如下圖所示：整流運行逆變運行SVG運行(StaticVarGenerator)任意容性(或感性)運行三相PWM整流電路分析類似，可參見有關文獻。2023/2/482.2

PWM整流4.電路控制主要兩類控制方案：(1)間接電流控制PI××RsωLs－－－＋又稱幅相控制,優(yōu)點:簡單易實現(xiàn)。不足：(1)運算系根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)模型，動態(tài)性能欠缺。(2)運算使用電路參數(shù),實際參數(shù)變化影響控制效果。2023/2/49第2章.

AC/DC變換(2)直接電流控制PI×－

直接電流控制結構簡單，電流調節(jié)響應快，對擾動魯棒性好，故應用較多。近多年對于三相PWM則多采用SVPWM。2023/2/410第2章.

AC/DC變換2.3

同步整流(SR:SynchronousRectifier)主要用于低壓大電流集成電路中。如，現(xiàn)代高速集成電路的電源電壓甚至降到1V以下。對于這種情況，即使采用SBD(SchottchBarrierDiode)作為整流管往往也難以滿足要求，因為SBD通態(tài)壓降約為0.3～0.6V：整流管承擔了相對于電源電壓的較大壓降；整流效率極低，尤其是在高頻的開關電源中。

將功率MOS反接作為整流電路中的整流管→稱為同步整流，可以較好解決低壓大電流情況的上述問題，近多年被廣為采用。以Intersil公司的型號為HUF67145P3的功率MOS為例：UDQ=30V,ID=75A，導通電阻Ron=4.5mΩ

→假設用于輸出電壓2V,20A負載電流(輸出功率40W),

器件導通壓降只有90mV:單管管壓降占輸出電壓的0.5%;單管管耗1.8W:占輸出功率的4.5%。若采用通態(tài)壓降0.3V的SBD,管耗將達6W

→單管管壓降占輸出電壓的15%;單管管耗占輸出功率的15%。現(xiàn)已開發(fā)出導通電阻Ron=1～2mΩ，電流卻高達100A的專用MOS。2023/2/4112023/2/412門極驅動信號和源極電壓同步，如源極為高電平時，驅動信號也是高電平則MOS管導通；反之，源極為低電平時，驅動信號也是低電平，則MOS管關斷；這樣就自然實現(xiàn)了整流，而且電流也只能由源極s流向漏極D。由于是通過門極信號和源極電壓同步來實現(xiàn)整流的，因此把這種整流方式稱為同步整流。功率MOS管反接，其固有的體二極管極性卻是正向的。有時要利用它先導通，以便過渡到功率MOS管進入整流狀態(tài)。但由于體二極管的正向壓降較大，常常不希望它導通或導通時問過長。2.3

同步整流1.同步整流原理uGS=0UDSuGS1uGS2uGS3uGS3>uGS2>uGS1IDMOS的靜態(tài)輸出特性如圖所示。正向使用時(漏源極電壓為正)，柵極施加正向電壓會形成導電通道，柵極不加電壓或者施加反向電壓則會使導電通道夾斷。但MOS是逆導器件，反向使用時(漏源極電壓為負)，柵極不加電壓或者施加反向電壓MOS也會導通。若柵極再施加正向電壓,反而會拓寬導電通道，使導通電阻更小。

如圖,將MOS反接在半波整流電路中，即構成所謂同步整流電路。us>0,使MOS的uGS

>0;us<0,使MOS的uGS

<=0。uGS與us保持同步，故稱同步整流。usu0u0ustt

同步整流的技術關鍵是掌握好反接MOS的控制時序。若MOS開通過晚、關斷過早，電流將流過體二極管，使導通損耗加大。若MOS開通過早、關斷過晚，在橋臂回路中就可能形成橋臂斷路。2023/2/4132.典型同步整流電路及其控制時序EVT1VF1＋－VT1VF1(1)SR-Buck

SR-Buck是SR在非隔離開關變換器中的典型應用，也是新一代微處理機電源電壓調節(jié)器模塊的基本拓撲。與傳統(tǒng)Buck相比，濾波電感更小。美國IR、TI、Intersil公司2001年之后已相繼推出用于20A以下的專用集成電路及網(wǎng)絡處理單元。但是，如何進一步減小變換器損耗仍是熱點話題。VT1VF1EVF1VT1＋－**

輸入電壓較高時,應采用隔離式→取得合適的電壓匹配,易于獲得低壓輸出。美國弗吉尼亞電力電子中心早在1998就研究SR在Flyback中的應用，現(xiàn)已有不少型號的模塊產品推出?，F(xiàn)在主要研究話題:如何進一步減小體積、加大輸出功率以及應用軟開關等。(2)SR-Flyback2023/2/4142.3

同步整流(3)SR-ForwardEVF1VT1＋－**VF2VT1VF1VF2

此外尚有SR-半橋、SR-全橋等等，可參見有關文獻不再多述。3.同步整流驅動方式主要有:自驅動(Self-driven:驅動信號來自電路自身中某一元件的電壓或電流)、外(控制)驅動(External-drivenorcontrol-driven)；電壓型、電流型驅動等。***VF1VF2SR全波VF1**VF2SR正激**VF1VF2SR倍流幾種典型SR電路的電壓型自驅動方式，驅動都直接取自變壓器二次繞阻。2023/2/415第2章.

AC/DC變換電壓型自驅動尚有通過變壓器耦合(驅動取自變壓器副邊另加的附加繞組)以及驅動取自濾波電感的電路等，可參閱有關文獻，不再一一列舉。電流型驅動使用相對較少，外驅動則有專門的驅動芯片，也不多贄述。自驅動尤其是電壓型自驅動簡單易行，但自驅動方式的驅動信號存在：易受變壓器原邊輸入電壓以及負載影響、開關管通斷狀態(tài)轉換時有較大信號尖峰、變換器死區(qū)時段無法提供驅動信號等問題，故建議盡量選用外驅動方式。2.4倍流整流出于電隔離、尤其是電壓匹配需要，DC/DC變換器常采用DC→逆變?yōu)锳C→變壓器變換→整流為DC的方案。且為提高功率密度，逆變頻率較高(幾十kHz)。整流采用橋式，導通元件較多→損耗較大。采用全波(推挽)，變壓器需中間抽頭。故低壓大電流多用倍流整流。**VD1VD2usiD1iD2iL1iL2iLiLiCi0u0L1L2CRis倍流整流電路拓撲如圖：圖中,L1=L2。當us>0:is→L1→負載→VD2構成回路(電源供能,L1儲能)。同時,L2經負載→VD2構成回路釋能,有is=iL1,iL=iL1+iL2。