电力电子技术第四 DCAC变换器1
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DCAC变换器
1) 电路原理 由四个桥臂构成，每 个桥臂的开关管各串 联一个二极管，用来 提高器件的反向阻断 能力。 当为RL负载时，需要 并联滤波电容。 电容C和L 、R构成并 联谐振电路。 输出电流波形接近方 波，含基波和各奇次 谐波，且谐波幅值远 小于基波。
i ii Li
VT1 VD1 VT3 iVT1 iVT4
3-13
1.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路的特点
(1)直流侧为电压源或 并联大电容，直流侧电压 基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同 而不同。
(3)阻感负载时需提供 无功功率。为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆变桥各臂并 联反馈二极管。
图3-5 电压型全桥逆变电路
一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。
桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动 一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传 送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源 短路，应采取“先断后通”
3-22
wt RL
VD3 VT4 VD4
i
iVT2iVT3
ui
VT2 VD2
io
wt io wt
uo
单相桥式电流型逆变电路
3-26
1.3.2 三相电流型方波逆变器
模式1 L ii VT3 VT5 VT2 VD1 ud VT4 VT6 VT2 VD3 VD5 U V W VT6 VT1 VT1 W V
i uv 2 ii 3
3-2
1.1 换流方式
1.1.1 逆变电路的基本工作原理
1.1.2 换流方式分类
3-3
i ii Li
VT1 VD1 VT3 iVT1 iVT4
3-13
1.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路的特点
(1)直流侧为电压源或 并联大电容，直流侧电压 基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同 而不同。
(3)阻感负载时需提供 无功功率。为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆变桥各臂并 联反馈二极管。
图3-5 电压型全桥逆变电路
一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。
桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动 一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传 送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源 短路，应采取“先断后通”
3-22
wt RL
VD3 VT4 VD4
i
iVT2iVT3
ui
VT2 VD2
io
wt io wt
uo
单相桥式电流型逆变电路
3-26
1.3.2 三相电流型方波逆变器
模式1 L ii VT3 VT5 VT2 VD1 ud VT4 VT6 VT2 VD3 VD5 U V W VT6 VT1 VT1 W V
i uv 2 ii 3
3-2
1.1 换流方式
1.1.1 逆变电路的基本工作原理
1.1.2 换流方式分类
3-3
浙江大学电力电子技术课件第4章第1部分DCAC.ppt
SPWM改善输出谐波性能的基本手段－提高mf值。
mf值的选取应综合考虑： 功率开关器件容量、电磁干扰、开关损耗、系统效率 等性能指标。
直流侧输入电流分析
Id
假定fs>>fo
uo Uom sin t
io Iom sin(t )
S1 Ud
S2
S1 + _
S2
L
Io
C
Uo
由 Pin=Pout: idUd iouo UmIm sin t sin(t )
• 有源逆变器 ：典型输出负载是电网，如可再生能 源并网发电。
逆变器应用于太阳能光伏发电
太阳能电池阵列
控制器
室内并网逆变器
直流负载
直流－交流 变换器
交流负载
蓄电池组
逆变器应用于风能发电系统
• 逆变电路的分类： 直流电源形式、电路结构、按功率器件、输出 波形要求、所接负载能量传递情况、输出相数、 开关器件工作情况、输出调制方式等分类。
uo1
t
io1 i o1
t
t
id i d
母线平均电流
id
全桥逆变电路
0
t
画iT波形？
能量回馈 能量输出
1,3
2,4
1,3
2,4SBiblioteka 1,32,41,3
2,4
D
全桥方波逆变基本工作波形
全桥逆变电路输出电压分析：
uo
n
4Ud sin nt n
Ts
(n = 1, 3, 5, ……) ，其中ω= 2πfs
SPWM逆变器为什么能够输出正弦波？！
E1 S1
S1 + a
L
mf值的选取应综合考虑： 功率开关器件容量、电磁干扰、开关损耗、系统效率 等性能指标。
直流侧输入电流分析
Id
假定fs>>fo
uo Uom sin t
io Iom sin(t )
S1 Ud
S2
S1 + _
S2
L
Io
C
Uo
由 Pin=Pout: idUd iouo UmIm sin t sin(t )
• 有源逆变器 ：典型输出负载是电网，如可再生能 源并网发电。
逆变器应用于太阳能光伏发电
太阳能电池阵列
控制器
室内并网逆变器
直流负载
直流－交流 变换器
交流负载
蓄电池组
逆变器应用于风能发电系统
• 逆变电路的分类： 直流电源形式、电路结构、按功率器件、输出 波形要求、所接负载能量传递情况、输出相数、 开关器件工作情况、输出调制方式等分类。
uo1
t
io1 i o1
t
t
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母线平均电流
id
全桥逆变电路
0
t
画iT波形？
能量回馈 能量输出
1,3
2,4
1,3
2,4SBiblioteka 1,32,41,3
2,4
D
全桥方波逆变基本工作波形
全桥逆变电路输出电压分析：
uo
n
4Ud sin nt n
Ts
(n = 1, 3, 5, ……) ，其中ω= 2πfs
SPWM逆变器为什么能够输出正弦波？！
E1 S1
S1 + a
L
第四章 直流-直流变换器
_
+
19:11
图4-6升压斩波电路及其波形（b）工作模式（c）波形 电力电子技术
1、工作模式1（0≤t≤t1=αT）
设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向电感充电，
电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载 供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基 本恒定），电路模式及工作波形如图（4-6）所示。因此
二、基本斩波电路的工作原理
最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。 当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直流电压
加到负载R上，并持续ton时间。 当开关（S）断开时，负载上的电压为零，并持续toff时间， T＝ton+toff为斩波电路的工作周期 其输出波形如图4-1所示。
19:11
负载电压：
Ud=
T
U
电压电流波形分析
19:11
动画
电力电子技术
19:11
电力电子技术
19:11
电力电子技术
电感值较大，电流连续
19:11
电力电子技术
电感值较小，电流断续
19:11
电力电子技术
占空比较小，电流脉动大
19:11
电力电子技术
低通滤波器 fc<<fs(开关 频率)
19:11
动画
图4-7 升降压斩波电路及其波形 （a）电路 （b）工作模式 （c）波形
19:11
电力电子技术
19:11
图4-7 升降压斩波电路及其波形 （a）电路（b）工作模式 电力电子技术
当V导通时 VD反向偏置而关断，电源Ud经V 向电感L供电使其贮存能量； 电感中的电流按线形规律从I1上 升到I2； 同时电容C上的电压向负载供电， 电容上电压uC减小； 电容上电流iC=-IO（假设负载上 的电流基本恒定）。
+
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图4-6升压斩波电路及其波形（b）工作模式（c）波形 电力电子技术
1、工作模式1（0≤t≤t1=αT）
设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向电感充电，
电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载 供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基 本恒定），电路模式及工作波形如图（4-6）所示。因此
二、基本斩波电路的工作原理
最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。 当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直流电压
加到负载R上，并持续ton时间。 当开关（S）断开时，负载上的电压为零，并持续toff时间， T＝ton+toff为斩波电路的工作周期 其输出波形如图4-1所示。
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负载电压：
Ud=
T
U
电压电流波形分析
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动画
电力电子技术
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电力电子技术
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电力电子技术
电感值较大，电流连续
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电力电子技术
电感值较小，电流断续
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电力电子技术
占空比较小，电流脉动大
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电力电子技术
低通滤波器 fc<<fs(开关 频率)
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动画
图4-7 升降压斩波电路及其波形 （a）电路 （b）工作模式 （c）波形
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电力电子技术
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图4-7 升降压斩波电路及其波形 （a）电路（b）工作模式 电力电子技术
当V导通时 VD反向偏置而关断，电源Ud经V 向电感L供电使其贮存能量； 电感中的电流按线形规律从I1上 升到I2； 同时电容C上的电压向负载供电， 电容上电压uC减小； 电容上电流iC=-IO（假设负载上 的电流基本恒定）。
《新能源汽车驱动电机与控制技术》第三章【4】DC-AC变换器
图5-9 三相电压型桥式逆变电路
电路结构分析
如果把三相负载ZA、ZB、ZC作为三相整流电 路变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路即为 三相桥式可控整流电路与三相桥式不控整流电路的 反并联，其中，可控电路用来实现直流到交流的逆 变功能，不控电路为感性负载电流提供续流回路， 完成电流续流或能量反馈，因此二极管VD1～VD6 称为续流二极管或反馈二极管。 这种三相桥式逆变电路在交流电动机变频调速系统 得到了广泛的应用。
引言
• 逆变的概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。
应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以 及高压直流输电等。
交流侧接负载，为无源逆变。
Ø 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有 源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转 变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为 变流电路。
引言
逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两 部分组成，后一部分就是逆变。
主要应用：
–各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电 池等。
–交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加 热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电 路。
一、有源逆变
1、 直流发电机—电动机系统电能的流转 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流 向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的 功率。
（b） （b）线电压波形
3.4.2 三相电流型逆变电路
在电流电源上串联大电感，电流基本无脉
动，相当于电流源；大电感能起到缓冲武功能 量的作用，则不必给开关器件反并联功率二极 管。
Ld
VT1
VT3
VT5
电路结构分析
如果把三相负载ZA、ZB、ZC作为三相整流电 路变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路即为 三相桥式可控整流电路与三相桥式不控整流电路的 反并联，其中，可控电路用来实现直流到交流的逆 变功能，不控电路为感性负载电流提供续流回路， 完成电流续流或能量反馈，因此二极管VD1～VD6 称为续流二极管或反馈二极管。 这种三相桥式逆变电路在交流电动机变频调速系统 得到了广泛的应用。
引言
• 逆变的概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。
应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以 及高压直流输电等。
交流侧接负载，为无源逆变。
Ø 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有 源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转 变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为 变流电路。
引言
逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两 部分组成，后一部分就是逆变。
主要应用：
–各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电 池等。
–交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加 热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电 路。
一、有源逆变
1、 直流发电机—电动机系统电能的流转 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流 向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的 功率。
（b） （b）线电压波形
3.4.2 三相电流型逆变电路
在电流电源上串联大电感，电流基本无脉
动，相当于电流源；大电感能起到缓冲武功能 量的作用，则不必给开关器件反并联功率二极 管。
Ld
VT1
VT3
VT5
第四章电力电子技术(ACAC)
Ui
U0
4.7.2 变压器绕组组合型交流稳压电源
VT1 VT2 VT3 VT4 VT10
Ui
VT5 VT6 VT7
U0
VT8 VT9
现代电力电子技术
第四章 AC/AC变换
交流电的三要素: 电压、频率、相数 用变压器实现AC/AC变换的缺点: 调压不方便，体积大，设备笨重，消耗金 属材料（铜和铁）多。 只能改变电压的大小，不能改变频率和相 数。 电力电子变流器可以改变交流电的三要 素。还可改变交流电输出功率。
4.1 交流无触点开关器件 能控制交流电路的通断，使电流双向流 通，且能对交流电压的大小进行控制。 器件可以是半控型器件，也可是全控型器 件，也可是器件的组合。 特点：无机械触点（因而无电弧）、开关速 度快、寿命长 。
t
t
t 阻断 整流 逆变
在阻感负载输出电压的一个周期内，交 交变频电路有四种工作状态： 正组整流、正组逆变、反组整流、反组逆变。 哪组变流电路工作取决于负载电流的方 向，而该组变流电路的工作状态则取决于负 载电压和负载电流的方向是否一致，二者方 向一致则工作在整流状态，二者方向相反则 工作在逆变状态。
4.1.1 晶闸管交流无触点开关
晶闸管存在漏电流，为了让电路断开时把 负载和交流电源真正隔离，通常需要在晶闸 管开关前设置“机械式有触点开关”来保证 用电 安全。机械开关应先通后断。
仅用于通断控制的交流开关
上述开关特点：在承受正压时触发导通， 流过晶闸管的电流过零时自然关断。通过 控制小信号开关S的通断实现对交流主电路 的通断控制。
ua ~
n
ub ~
uc ~
TCR电路负载相电流和输入线电流波形
α=120°
α=135°
《电力电子技术》项目4 DC-DC变换器
M
M 1
M D
当D恒定
O Io IOB
Io
图4.3 Buck变换器稳态输出特性
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----临界连续导电工作状态
❖ 图4.3的Buck变换器稳态输出特性曲线中，IOB为变换器电感电流 iL工作于临界连续状态时的负载电流Io 。
❖ Buck变换器临界连续导电工作状态时的iL与Io 波形如图4.2(b)所示。
❖ 有Buck变换器变压比：M=D v 显然，工作于连续导电模式（CCM）时，Buck变换器的稳态输出
电压Uo不随负载Io的变化而变化。 v 变换器输出电压：Uo =D∙E。
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----断续导电模式（DCM）
❖ 当Io <IOB 时，Buck变换器电感电流不连续，称其工作于断续导电 模式（DCM）。此时变换器变压比M不仅与工作占空比D有关，
L1 iL1
C1
iL2 L2
Io
E
S
VD
C2 Uo
R
图4.8 Cuk变换器原理图
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.4 Cuk变换器----等效电路
❖ Cuk变换器等效电路如图4.12。
iE
L1 iL1
C1
iL2
L2
v 能力目标：能正确运用DC-DC变换器稳态公式对各变换器进 行稳态分析,重点是各变换器稳态输入输出电压关系分析。会 根据实际应用场合的功率范围初步选用合适的DC-DC变换器 及PWM控制方法。
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----导电模式
❖ Buck变换器工作于稳态时的电感电流波形如图4.2所示。
M 1
M D
当D恒定
O Io IOB
Io
图4.3 Buck变换器稳态输出特性
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----临界连续导电工作状态
❖ 图4.3的Buck变换器稳态输出特性曲线中，IOB为变换器电感电流 iL工作于临界连续状态时的负载电流Io 。
❖ Buck变换器临界连续导电工作状态时的iL与Io 波形如图4.2(b)所示。
❖ 有Buck变换器变压比：M=D v 显然，工作于连续导电模式（CCM）时，Buck变换器的稳态输出
电压Uo不随负载Io的变化而变化。 v 变换器输出电压：Uo =D∙E。
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----断续导电模式（DCM）
❖ 当Io <IOB 时，Buck变换器电感电流不连续，称其工作于断续导电 模式（DCM）。此时变换器变压比M不仅与工作占空比D有关，
L1 iL1
C1
iL2 L2
Io
E
S
VD
C2 Uo
R
图4.8 Cuk变换器原理图
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.4 Cuk变换器----等效电路
❖ Cuk变换器等效电路如图4.12。
iE
L1 iL1
C1
iL2
L2
v 能力目标：能正确运用DC-DC变换器稳态公式对各变换器进 行稳态分析,重点是各变换器稳态输入输出电压关系分析。会 根据实际应用场合的功率范围初步选用合适的DC-DC变换器 及PWM控制方法。
任务4.1 非隔离型DC-DC变换器
4.1.1 Buck变换器----导电模式
❖ Buck变换器工作于稳态时的电感电流波形如图4.2所示。
第四章 DCAC逆变
电力电子技术——DC-AC逆变
换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流和强迫换流——属于自换流。
电网换流和负载换流——属于外部换流。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而 是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1 逆变器的类型和性能指标
T 2
t
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.3 其他指标
逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包 括：
逆变效率
单位重量（或单位体积）输出功率
可靠性指标
逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率 电磁干扰EMI及电磁兼容性EMC
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2 电压型单相方波逆电路工作原理
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源
等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工 作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。
uo
Ud S1 io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
电力电子技术——DC-AC逆变
4
直流/交流逆变器
4.0 换流方式 4.1 逆变器的类型和性能指标 4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 4.3 三相逆变电路工作原理
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0 换流方式
引言 逆变电路的基本工作原理 换流方式分类 PWM
4.0.0 4.0.1 4.0.2 4.0.3
( a ) 基 本逆 变电 路
电力电子技术第4章直流直流变换器课件
cos 2t
2
n
sin nD
cos nt)
以上分析表明，输出电压可以分解成直流分量、具有开关频率fs及其倍数的谐波分 量，如右下图所示，左下图中uo是未加滤波器前的直流电压，由傅里叶级数可以看出， 谐波的幅值和占空比有关，谐波的频率是开关频率的倍数。
采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性 如图(c)所示。当低通滤波器的角频率fc<<开关频 率fs时，经过滤波器后的输出电压基本上消除了 高频谐波。电感和电容越大，输出电压越平稳， 纹波越小。而开关频率越高，滤波效果越好，滤 波器也可以越小。因此，在直流斩波器中，开关 频率较高，可以减少装置的体积，提高性能。
➢ 随着控制角的增大功率因数降低，无功功率增大，影响电网质量。 ➢ 由于输出电压中具有低次谐波，为保证输出电压具有较小的纹波，必须有较大的滤
波电感和电容。 ➢ 在直流电机调速系统中，为避免电流断续，最小负载电流越小，保证电流连
续的电感越大，体积重量越大，成本越高。 ➢ 相控整流器存在着较大的失控时间，导致动态响应慢，快速性差。
4.4.2 电流连续和断续模式的边界
在开关管导通期间，
Ud
uL
L diL dt
L
I LM ton
在临界连续的情况下，在断开间隔结束时电感电流iL降为0。因此有
I LB
1 2
I
LM
Udton 2L
TsUo 2L
D(1 D)
I OB
TsU o 2L
D(1
D)2
由在临界连续情况下电感电流和输出电流表达式，给出了临界电流与占空比的 关系曲线。图中，在输出电压不变 的条件下，如果输出电流平均值Io比IoB小，则工 作在电流断续模式下。
电力电子技术第四 DCAC变换器1
整流器
逆变器
市电
负载
蓄 电 池
4.1 概述
• 重点学习内容: 1. 逆变器的电路结构、分类及主要性能指标。 2. 逆变器的三种基本变换方式——方波变换、阶梯波变 换、正弦波变换。 3. 方波逆变器的基本电路及其特点。 4. 阶梯波逆变器的基本电路及其特点。 5. 正弦波逆变器及其SPWM控制。 6. 空间矢量PWM控制的基本问题——原理、矢量分布、 矢量合成。
+EM-
VD4
VT4
• 逆变器的输出电压为幅 值与直流电压幅值相等 的方波电压，其输出电 流波形取决于负载对方 波电压的响应
• 若考虑到负载的无功缓 冲，则所用开关管必须 具有电流双向流通的能 力，为此可采用单向功 率管反向并联续流二极 管的组合来实现开关管 的电流双向流通特性
4.1.1 逆变器的基本原理
• 显然，采用SPM控制方式时，逆变 器输出方波的幅值即逆变器直流侧 电压（或电流）的幅值恒定。
VT1 VD1 VT3 VD3
ui
uo
VT2 VD2 VT4 VD4
a)逆变器原理电路
e)
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
• 采用SPM变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一 定，因此逆变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的 直流电源整流输入方式（如二极管整流电路）。
VT1 VD1 VT3 VD3
ui
uo
VT2 VD2 VT4 VD4
a)逆变器原理电路
a)
b)
c)
d)
显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角恒定（180°方波 或120°方波）。
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
DCAC直流交流逆变换器
12
1 2 2 THD （Vn V1 ) V1 n 1, 2
12
V V 1 1
2
V 2 V1 2 V2 2 V3 2
180 方波VD
v1 ( t ) VD
0
V1
2 2
VD
T 2
v ab
Vd
0
2
3 2
2
2
双 极 性 SPWM电 压 波 形
t
Vd
4-3-3 单极性正弦脉冲宽度调制SSPWM（续1）
vc , fc
O
2
1
N
10 11 12
4 3
fc 14, P 6 fr
vr , f r
t
2
由正弦波 vr ( f r ) 与三角波 vc ( f c ) 的交点所确定的 等幅多脉冲电压 v ab , 各段脉宽按正弦变化， v ab 仅 含 基 波 v1，f 1＝f r 和
Vab
驱动
T1 T4
驱动 驱动
T2 T3
T1
T4
T1、T4与T2、T3 交替通、断
id Vd
T1
a
0
t
ia
0
(b)负载电压 t
R负载
ia
0
(c)电阻负载电流波形
T0 4
T0 2 3T0 4 T0
t L负载
ia
D1 T3
Z b
D3
D4
0
D 1 D4
T1 T4
D
2
D3
T 2 T3
ia
电力电子技术_第四章直流—直流变换..
I0 1 ton 1 t1 U C iC dt I 0 dt ton C 0 C 0 C U0 E 因ton = T = ,则 U0 f I 0 (U 0 E ) I 0 U C = fCU 0 fC
24
DC-DC
南华大学电气学院电子工程系
-电力电子技术-
4、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper) L和C很大 电感电流iL和负载电压uo基本为恒值 工作原理 ： V通时 E经V向L供电使其贮能，电流为i1 C维持输出电压恒定向负载供电 V断时 L的能量向负载释放，电流为i2 负载电压上负下正 稳态时
-电力电子技术-
（3） 滤波器的设计 为了获得平直的直流输出电压U0，应设计好输出低通滤波 器，可以通过对电流连续时输出电容电压UC纹波的计算来 估算L、C值。 按照电路拓扑，iL=i0+iC，电感电 流的脉动成分ΔiL全部流入电容， 即ΔIC=ΔIL，稳定运行时流经电 容电流的平均值应为0。因而可 从图上可以看到半周期内(1/2)T 内电容电量的变化为
3
DC-DC
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-电力电子技术-
DC－DC变换电路的控制原理
一、 基本控制方式
1、时间比控制 脉宽控制、 频率控制、 混合控制
t 1 T U 0 udt on E E T 0 T
4 DC-DC
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2、瞬时值控制
5
DC-DC
1）电感上电流纹波；
2）输出电压纹波比值 解： 1）斩波周期 1 1
T f
3
Uc Uo
。
20 10 U 5 导通比 = O 0.417 E 12 U 5 I L O (1 )T (1 0.417) 5 105 0.0729 A 3 L 2 10 Uc 1 1 2) (1 )T 2 (1 0.417) (5 105 ) 2 3 6 Uo 8 LC 8 (2 10 ) (220 10 ) 4 104 0.04%
电力电子技术Chapter42
电力电子技术Power Electronics第4章 DC－AC变换器1 2 3 4 概述电压型逆变器（VSI）空间矢量PWM控制基本内容电流型逆变器4.2.3 电压型正弦波逆变器电压型方波逆变器以及电压型阶梯波逆变器当需要改变输出电压幅值时，一般常采用脉冲幅值调制（PAM）或单脉冲调制（SPM）。
这类逆变器应用于大功率场合具有开关损耗低，运行可靠等优点，但也存在动态响应慢、谐波含量大（方波逆变器）、结构复杂（阶梯波逆变器）等一系列不足。
例如，当利用电压型逆变器驱动交流电动机时，需进行变频变压（VVVF）控制，此时若采用PAM方式，则必须采用两套功率调节电路与控制即：◆输出电压的调整依赖于可控整流电路及其控制◆而输出频率的调整则由逆变器及其控制。
4.2.3 电压型正弦波逆变器这不仅使电路结构和控制复杂化，而且因电压与频率的不同控制响应将导致系统响应变慢，这主要是由于直流侧的储能惯性会使可控整流电路的输出电压响应远慢于逆变器的输出频率响应。
对于要求输出正弦波电压的电压型PWM逆变器，常称为电压型正弦波逆变器。
这种电压型正弦波逆变器一般应具备以下特点即:①逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路；②利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快；③由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量低。
电压型正弦波逆变器的基本原理从图4-24a 中容易看出：在频率恒定的一个正弦波周期中，斩控脉冲的占空比和斩控周期一定，而斩控脉冲的幅值则按正弦函数变化，当要改变斩控波形的基波幅值时，若被斩控正弦波的幅值不变，则只需要控制斩控占空比即可。
显然，当斩控频率足够高时，其斩控波形的谐波含量会足够低。
由于被斩控正弦波的频率恒定，因此，该方案适用于交流变压恒频控制，属于AC-AC 变换中的交流斩波变换，其优点就是可以直接对频率一定的输入（如50HZ 交流电）进行斩控，以调节交流斩波输出的基波幅值。
电力电子技术：第四章 直流-直流(DC-DC)变换
-L2
I 2 U0
U C1
U0 a
U0 I a E I0 1 a
15
4.3 晶闸管斩波器
1. 降压斩波器
t1~t2
t2~t3
t3~t’3
T’3→t4
16
4.3 晶闸管斩波器
(1)VT1，VT2均不通 , E经L1、VD1 ,L1,R对C ug1
充电，如图（a）。
(2)触通VT1，负载上有电压，VD1截至，C 无放电回路，如图（b） 。
2.触发脉冲可较宽，不存在输出电压很小时 不能可靠实现上下桥“换流”的影响。
3.相较于单极性调制，开关损耗约大一倍。
24
双极性脉宽调制
特点：“H”桥中一同相桥臂上阀与另一同 相桥臂下阀“两两成对，交替导通”。
1.只要改变交替触发的时刻（t1）就可改变 输出电压极性，控制相对简单。如
1）0～t1期间，V1、V4导通，V2、V3关断，输出 电压B“+”A“-”（触发信号如右图）；
2）t1～T期间，V1、V4关断，V2、V3导通，输出 电压B“-”A“+”。
uC下降； (2)VT关断时，iL方向不变，则其感应电势和E叠加后向负载供电，同时
向C充电， uC上升，且有： 储存在L中的能量=转储到C中的能量+负载消耗的能量
18
4.3 晶闸管斩波器
电感中的能量∶
VT通：Win E IL ton
VT断 :Wout (Ud E) IL toff
输入-输出电压关系∶
o ug2
t
(3)
触通VT2，C经VT2与L1形成谐振，C放 电并反向充电,上(-)下(+),负载仍有电压 ，
o uLR
t1
DCAC直流交流逆变换器共48页文档
1.电压型逆变器VSI
id
Vd
C T1
a
D1 T3 ia Z
D3
b
Vd
T2
D2 T4
D4
2.电流型逆变器CSI
Id
L
T1
a
T2
D1 T3
ia
Z
D2 T4
D3
b
D4
Vab
驱动T1 T4
0
Vd
驱动T1 T4
驱动T2 T3 Vd
负载电压
iab
驱动T1 T4
t0
Id
驱动T1 T4
驱动T2 T3 Id
负载电流
R V L n n L V nn 1cn 1cn 2 2 V L n C 1
V Ln n2V n 2LC n2 V n0 2(n V 0 n)2
n次 谐 波 衰 减n2了 倍 ，
第n次谐波的畸变系 : 数
t
t
DFn
Vn n2 V1
HFn n2
总
畸
变
系:数DF
1 V1
n2,3,4(Vnn2
ia
T0 4
3T0 4
0
D 1 D4
T0 2
T1 T4
D 2 D3
T0 T 2 T3
L负 载
ia
0
D1 D4
id
(d)电 感 负 载 电 流 波 形
T 1 T4
D2
D3
2
T 2 T3
RL负 载
(e)R-L负 载 电 流 波 形
t
t
观看flash演示
T1 T4
T 2 T3
0
t
(f)输 入 电 流 波 形
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ui
u Um
U3' U2'
U5' U4'
o U1'
阶梯波 正弦波
π
2π t
DC-AC 1
DC-AC 2
T1
Lf
u1
T2 u2
uo Cf RL
TN
a)
DC-AC
uN
3
b)
4.1.1 逆变器的基本原理
3. 斩控调制方式
斩控方式主要是指：逆变器输出调制脉冲幅值固定不变，而 逆变器中功率开关管以一定的控制规律进行调制，当开关频 率足够高时，输出电压波形的谐波含量足够小，这种控制方 式是当前逆变器的主要控制方式。 一般有两类：PWM、PFM
• 交流电机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源， 这些电源的核心就是逆变电路。
4.1 概述
• 有些负载虽然也用工频电源供电，但对电源的频率稳定性、 波形畸变等有严格要求，且绝不允许瞬时停电。比如对于 计算机一类的负载，特别是银行、证券公司、医院以及大 型计算机中心的计算机，瞬时的停电会带来严重后果。因 此，需要不间断电源（Uninterruptable Power Supply—— UPS），其核心就是逆变电路。
• 为何120°方波变换方式的输出波形的多TH了D个比电18平0°方 波变换方式的的输出波形的THD要低呢？
• 因此，为减a)少DC-AC变换时的交流输b出) 谐波，可以考
虑采用方波变换叠加以增加输出交流波形的输出电平 数。
4.1.1 逆变器的基本原理
2. 阶梯波变换方式
• 由于这种多电平输出的交流波形形似阶梯波形，因此采 用方波叠加的DC-AC变换方式称为交流阶梯波变换。
uo ui VT1 VT4
VD1 VD4
• 单相全桥电路的输出波形如左b图所示， 显然，输出的正、负方波电压幅值相等
VT2 VT3 t VD2 VD3 ui b)输出波形
• 若使输出的正、负方波电压宽度相等，则 输出电压的正、负半周的面积相等，从而 实现了直流电压到交流电压的变换，这就 是实现逆变器的基本思路。
• 逆变器中直流侧必须设置储能元件，如电感元件和电容元 件。
• 储能元件的作用： – 直流侧的滤波作用； – 缓冲负载的无功能量。
• 当逆变器直流侧设置电容元件且电容容量足够大时，此时 由于直流侧的低输出阻抗，因而呈现出电压源特性
• 当逆变器直流侧设置电感元件且电感值足够大时，此时由 于直流侧的高输出阻抗，因而呈现出电流源特性。
电力电子技术
Power Electronic Technology
杨淑英
第3章作业
• 3.5 如题3.5图所示为理想Buck变换器，已知 Ud=100V，开关频率20kHz，占空比D=0.6…
• 3.7 在题3.7图所示的降压斩波电路中，已知 E=200V,R=10，L值极大….
• 3.9 Boost变换器中，输入电压在18~30V之间变 化，若要求输出电压固定…
载的无功缓冲，则左图中的开关管 负载 必须具有电流反相阻断的能力，考
虑到常规功率管弱的反向阻断特性， 为此可采用单向功率管顺向串联二 极管的组合来实现开关管的反相电 流阻断特性。
为什么？
4.1.1 逆变器的基本原理
• 以左a)图所示的单相电压型全桥逆变器原
理电路来讨论逆变器的基本原理。
VT1 VD1 VT3 VD3
• 显然，采用SPM控制方式时，逆变 器输出方波的幅值即逆变器直流侧 电压（或电流）的幅值恒定。
VT1 VD1 VT3 VD3
ui
uo
VT2 VD2 VT4 VD4
a)逆变器原理电路
e)
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
• 采用SPM变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一 定，因此逆变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的 直流电源整流输入方式（如二极管整流电路）。
4.1.1 逆变器的基本原理
THD——Total Harmonic Distortion，衡量
2. 阶梯波变换方式
谐波含量的重要指标
• 采用方波变换方式时，虽然逆变器的控制较为简单， 但交流输出谐波较大。
• 研究表明：对于180°方波变换方式，其输出波形的谐 波总畸变率THD 约为48％，而对于120°方波变换方 式，其输出波形的谐波总畸变率THD约为30％。
4.1.1 逆变器的基本原理
• 如何完成直流－交流这一变换呢？
VT1
VD1
ui
A
VT2
VD2
uAB
L
R
iAB
VT3
VD3 B
+EM-
VD4
VT4
4.1.1 逆变器的基本原理
•如何完成直流－交流这一变换呢？
• 考虑采用开关切换的方式将 直流量变换成交流量
• 完成直流电压变换的逆变器
称为电压型逆变器
Ld
Sa
Id
Sb
逆变器的原理拓扑
• 左图所示电流型逆变器直流侧采用 足够容量的电感滤波，因此直流侧 电流基本不变
负载
• 逆变器的输出电流为幅值与直流电 流幅值相等的方波电流，其输出电 压波形取决于负载对方波电流的响 应
4.1.1 逆变器的基本原理
Ld
Sa
Id
Sb
逆变器的原理拓扑
若考虑到直流电流的单向性以及负
6. 按逆变器输出交流电的相数的不同，逆变器可分为单相逆 变器、三相逆变器以及多相逆变器。
7. 按逆变器输入、输出是否隔离，逆变器可分为隔离型逆变 器和非隔离型逆变器。其中隔离型逆变器又可分为低频隔 离型逆变器和高频隔离型逆变器两类。
8. 按逆变器输出电平的不同，逆变器可分为两电平逆变器和 多电平逆变器。
Vd
Cd
+ -
Sa
Sb
• 完成直流电流变换的逆变器 则称为电流型逆变器。
• 右图所示电压型逆变器直流 侧采用足够容量的电容滤波， 因此直流侧电压基本不变
负载
逆变器的原理拓扑
4.1.1 逆变器的基本原理
Vd
Cd
+ -
Sa
Sb
负载
逆变器的原理拓扑
VT1
VD1
ui
A
VT2
VD2
uAB
L
R
iAB
VT3
VD3 B
4.1.3 逆变器的性能指标
1．逆变器的输出波形性能指标
⑴ 谐波系数HF（Harmonic Factor）: • 表征实际波形中第n次谐波与基波相比的相对值。 • 第n次谐波系数HFn定义为第n次谐波分量有效值Un与基
ui
a)V逆T2变器V原D2u理o 电实路VT现4 DVDC4-AC•变变换图 导 输 （ 和 方换波中 通出VV功方DT电而，电能42式（）压当 V压的T呢V和。功为2D逆（V？率正4）TV变管的3D（关器V2方）V断T波有D1和时（3电那）V，V压T导D些输31（；通）出V当而和电D功VV3压）TT率14为关（（管负断VVVDD时的T142）），
• 能把一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值、 一定频率的交流输出电压（或电流），并向电网供电的电 力电子装置称为有源逆变电路,习惯作为整流器电路的馈能 运行来讨论
• 本章将只讨论无源逆变电路——逆变器。
4.1 概述
• 许多场合下，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的 特殊需要，要用交直交变频电路进行电能变换。如感应加 热，根据加热工艺和对象的不同，所需感应加热电源的频 率范围从几百Hz到几千Hz。
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
• 方波变换方式是实现DC-AC最简单 的变换方式，一般而言，方波变换
时逆变器的交流输出有两种基本调 制方式：脉冲幅值调制（PAM－ Pluse Amplitude Modulation）和 单脉冲调制（SPM－Single Pluse Modulation）。
• 但是SPM方式由于需要调节方波的导通角，因而需要 采用快速功率元件（如IGBT等）
• PAM方式由于需要控制逆变器输出方波的幅值，因此 逆变器直流侧必须采用可变幅值的直流电源整流输入 方式（如采用相控整流电源），因而直流侧电路与控 制相对复杂。
• 但是PAM方式由于输出方波的导电角恒定，因此无需 采用快速的全控型功率元件。
u Um
U3' U2'
U5' 正弦波
π
2π t
a)
交流阶梯波是由多组采用方波变换的叠加组合而成，该阶梯波 的THD为9.48%，远低于120°和180°方波变换时的THD。
4.1.1 逆变器的基本原理
2. 阶梯波变换方式
• 实现这种交流阶梯波变换的原理电路如下b)图所示——移 相叠加的组合逆变器结构，通过多组采用方波变换的逆变 器进行移相叠加组合
+EM-
VD4
VT4
• 逆变器的输出电压为幅 值与直流电压幅值相等 的方波电压，其输出电 流波形取决于负载对方 波电压的响应
• 若考虑到负载的无功缓 冲，则所用开关管必须 具有电流双向流通的能 力，为此可采用单向功 率管反向并联续流二极 管的组合来实现开关管 的电流双向流通特性
4.1.1 逆变器的基本原理
3. 斩控调制方式
②脉冲频率调制（PFM）：
这种控制方式是指调制脉冲宽度和幅值固定不变，而脉冲调 制频率可调。基于PFM控制的逆变器输出波形如下图所示。 PFM控制方式由于需要很宽的开关频率变化范围，考虑到输 出滤波器设计的困难，因此在逆变器中一般较少采用。
u
o
t
b)
4.1.2 逆变器的分类
1. 按直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器 （VSI－Voltage Source Inverter）和电流型逆变器（CSI －Current Source Inverter）。