缓冲电路

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 等电力电子装臵的核心部分都是逆变电路。
换流方式
• 逆变电路的基本工作原理
• 换流方式分类
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。
电压型逆变电路
1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
直流侧是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI
单相电压型逆变电路
1）单相半桥逆变电路
工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两 者互补，输出电压uo为矩形 波，幅值为Um=Ud/2。
V1或V2通时，io和uo同方向， 直流侧向负载提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向， 电感中贮能向直流侧反馈。 VD1、VD2称为反馈二极管, 它又起着使负载电流连续的 作用，又称续流二极管。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R 对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud 电流：I=(1.5~2)(2)1/2i
电阻负载时，负载电流 io 和uo的波形相同，相位也 相同。
阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同。
a) uo
io
t1 t2
t b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。
开通：适当的控制极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
放电阻止型RCD缓冲电路：
与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损耗小，适合于 高频开关，在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为：
5-31
缓冲电路波形
IGBT采用缓冲电路后典型关断电 压波形如图所示。图中，VCE起始 部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的 寄生电感和缓冲二极管的恢复过 程引起的。其值由下式计算： ΔV1=LS×di/dt（1） 式中：LS为缓冲电路的寄生电 感； di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬 间的电流上升率，其最恶劣的值 接近0.02Ic（A/ns）。
(a) 开通损耗波形
(b) 关断损耗波形
5-26
I GB T 逆变器的开关损耗
每个脉冲 I GB T 的开通损耗近似为( mJ )：
每个脉冲 I GB T 的关断损耗近似为：
每个脉冲二极管的关断损耗近似为：
I GB T 的总开关损耗可近似表示为：
式中
fsw———逆变器的载波频率
5-27
缓冲电路的几种类型
段。
u VT
2,3
O
t
LT 使V1 、V4 不能立刻关断，电流有一个 u 减小过程。V2 、V3 电流有一个增大过程。 4个IGBT全部导通，负载电容电压经两个 u 并联的放电回路同时放电。 LT1 、VT1 、VT3 、LT3 到C；另一个经LT2 、 VT2、VT4、LT4到C。
VT
1,4
O
t
AB
补充 DC-AC逆变电路
引言 • • • • • 换流方式 电压型逆变电路 电流型逆变电路 缓冲电路 无损缓冲电路
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。
交流侧接负载，为无源逆变。
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。
RC缓冲电路：Leabharlann 其特点是适用于斩波电路，但在使用大容量IGBT时， 必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流 过大，使IGBT的功能受到一定限制。
5-29
缓冲电路的类型
RCD缓冲电路：
与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从 而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问 题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为：
缓冲电路
缓冲原理
器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt 、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用， 就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低 器件开关损耗，保护器件安全运行。
5-25
I GB T 逆变器的开关损耗波形
图中 tdon —开通延迟时间 tr ——开通上升时间 trr——二极管的反向恢复时 间 t doff——关断延迟时间 t tail——尾部电流itail下降时 间 tf——关断下降时间 (d i/ d t)on——开通电流上升 率 IRRM——二极管反向恢复电 流
5-12
单相电压型逆变电路
2) 全桥逆变电路
共四个桥臂，可看成两个半 桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压和电流波形与半桥 电路形状相同，幅值高出一 倍。 改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来 实现。
图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式
u G1 O u G2 O u G3 O u G4 O uo io O
Ud 和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo 和io 波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。
电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆 变电路称为电流型逆变 电路。 电流型逆变电路主要特点
参数计算与器件选择 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为 20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐 振负载， 其等效电阻为：R=Ud2/4P=3.78Ω 负载上的电流有效值为：i＝Ud/2R=72.75A 开关管上的电压：U=(2~3)Ud=1100~1650V 电流：I=(1.5~2)(2)1/2i=154~205A
5-16
单相电压型逆变电路
阻感负载时，还可采用移 相得方式来调节输出电压 －移相调压。
V3的基极信号比V1落后 （0＜ ＜180 °）。V3、 V4的栅极信号分别比V2、 V1的前移180°－。输 出电压是正负各为的脉 冲。 改变就可调节输出电压。
图5-7 单相全桥逆变 电路的移相调压方式
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R 对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud 电流：I=(1.5~2)(2)1/2i
参数计算与器件选择 例：逆变器输入电压为550V，输出功率为 20KW，逆变器开关频率为20KHz，RLC谐振 负载， 其等效电阻为：R=Ud2/P=15.125Ω 负载上的电流有效值为：i＝Ud/R= 36.36A 开关管上的电压：U=(2~3)Ud=1100~1650V 电流：I=(1.5~2)(2)1/2i=77~102A
uo
S1 Ud io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
b)
图5-1 逆变电路及其波形举例
逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
直流电
交流电
逆变电路的基本工作原理
逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关 切换频率，可改变输出 交流电频率。
式中：L为主电路中的分布电感， IC为IGBT关断时的集电极电流， f为IGBT的开关频率，C为缓冲电 容，Ud为直流电压。
RCD型截止缓冲电路
适用于较大功率IGBT模块，缓冲二极管D可箝制瞬变电压， 从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC 时间常数应设计为开关周期的1/3。
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缓冲电路的类型
u o Um O -Um io
a)
t
图5－6 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形
t 3 t4 O t t t5 t6 1 2 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
t
单相电压型逆变电路
优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率 为全桥的1/4，开关管承受的电压为 Ud ，且 直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。
t1~t2：V1和V4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2
时刻前在C上建立了左正右负的电压。
u G1,4 O u G2,3 O iT O io O t1 Id t 2 t3 t i VT
1,4
i VT
2,3
t
Id tg t4 tf t5 td uo O tb t6 t7 t t
t
t2~t3：t2时V2和V3开通，进入换流阶
u G1 O u G2 O u G3 O u G4 O uo io O a)
t
t

t t
io t 1 t2 t3 uo t
b)
单相电压型逆变电路
3） 带中心抽头变压器的逆变电路
交替驱动两个IGBT，经变压 器耦合给负载加上矩形波交 流电压。 两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道。