电力电子技术(西电第二版)第7章 典型电力电子装置介绍

，还要实现相位跟踪。图7-20中所示的电压给定信号 U*d、电压反馈信号uF、PI调节器即可完成上述功能。
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图7-20 UPS逆变控制系统结构框图
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7.2.4 UPS中的锁相技术
基本的锁相环路由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组
成，如图7-21所示。
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图7-9 直流开关电源控制系统原理框图
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4． SG3525的管脚功能
SG3525系列开关电源PWM控制集成电路是美国硅通用 公司设计的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量 小，适用于各种开关电源。图7-10所示为SG3525的内部结构 框图。
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图7-21 基本锁相环路的方框图
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7.2.5 UPS中的静态开关
所谓静态开关是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点
通、断组件。如图7-22(a)所示为光/电双向晶闸管耦合器非零 电压开关，当输入端1、2输入信号时，光/电双向晶闸管耦合 器B导通，门极由R2、B形成通路触发双向晶闸管。这种电路 相对于输入信号的交流电源的任意相位均可同步接通，称为
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图7-3 PWM控制方式
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4． 开关稳压电源的特点
开关稳压电源具有如下的优点：
(1) 功耗小，效率高。 (2) 体积小，重量轻。 (3) 稳压范围宽。 (4) 电路形式灵活多样。
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7.1.2 隔离式高频变换电路
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图7-17 直接电流控制系统结构图
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7.2.3 UPS中的逆变器
正弦波输出的UPS通常采用SPWM逆变器，这是抑制谐 波分量的最有效的方法之一，有单相输出，也有三相输出。
下面以单相桥式脉宽调制逆变器为例，说明它的基本工作原
理。如图7-18所示，对于小功率的UPS，电路中的开关器件 一般采用MOSFET管；而对于大功率的UPS，则采用IGBT管。
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图7-10 SG3525内部结构框图
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5． IGBT驱动电路
驱动电路采用日本三菱公司生产的驱动模块M57962L。 该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集 于一体，能驱动电压为600 V和1200 V系列电流容量不大于 400 A的IGBT。IGBT驱动电路的接线图如图7-11所示。
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图7-7 (a) 主电路；(b) 控制电路
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1． 交流进线滤波器
电磁干扰EMI为英文Electromagnetic Interference的缩写。 为了防止开关电源产生的噪声进入电网或者电网的噪声进入
开关电源内部，干扰开关电源的正常工作，必须在开关电源
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图7-18 UPS单相逆变电路
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在图7-18中，V1、V2和V3、V4不能同时导通，否则将使 输入直流电源短路，这个电路只在V1、V4和V2、V3间交替导 通与关断，负载上才有连续的交流矩形波。如果在输出电压
的半个周期内V1和V4导通和关断许多次，在另外半个周期内 V2和V3也导通和关断同样的次数，并且在每半周期内开关器 件的导通时间按正弦规律变化，那么输出波形如图7-19 所示。
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2． 半桥变换电路
半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，其原理图如图
7-5(a)所示。 两个输入电容C1、C2的容量相同，其中A点的电压UA是
输入电压Ui的一半，即有UC1＝UC2 ＝Ui／2。开关管V1和V2 的驱动信号分别为ug1和ug2，由控制电路产生两个互为反相的 PWM信号，如图7-5(b)所示。
图7-12 离线式UPS的结构框图
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离线式UPS的特点： (1) 当市电正常时，市电只是通过交流稳压后直接输出至 负载，因此对市电噪声以及浪涌的抑制能力较差。
(2) 存在转换时间。 (3) 保护性能较差。 (4) 结构简单，体积小、重量轻，控制容易，成本低。
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1． 正激式变换电路
所谓正激式变换电路(Forward)，是指开关电源中的变换 器不仅起着调节输出电压使其稳定的作用，而且作为振荡器
产生恒定周期T的方波，后续电路中的脉冲变压器也具有振 荡器的作用。
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图7-4 (a) 原理图；(b) 开关管V1的驱动波形ui；(c) uf波形
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2． 启动浪涌抑制电路
当开启电源时，由于将对滤波电容C1和C2充电，接通电 源的瞬间电容相当于短路，因此会产生很大的浪涌电流，其
大小取决于启动时交流电压的相位和输入滤波器的阻抗。
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3． 输出控制电路
控制电路是开关电源的核心，它决定开关电源的动态稳
定性。该开关电源采用双闭环控制方式，如图7-9所示。
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2． 在线式UPS
在线式UPS的结构框图如图7-13所示，它由整流器、逆 变器、蓄电池组、静态(转换)开关等部分组成。
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图7-13 在线式UPS的结构框图
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由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电 压动态响应特性好，波形畸变小，因此，其供电质量明显优 于离线式UPS。目前大多数UPS，特别是大功率UPS均为在线 式。
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7.2.2 UPS电源的整流器
如图7-15所示是单相全控桥式PWM整流电路，其中起整 流作用的开关器件采用全控器件IGBT。
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图7-15 单相全控桥式PWM整流电路
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单相全控桥式PWM整流电路的工作原理为：在交流电源 us的正半周期，控制电路关断V2、V3，而在V1、V4的控制极 输入SPWM控制脉冲序列，则在A、B两点间获得正半周期的 SPWM波形，如图7-16所示。
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图7-16 单相全控桥式PWM整流电路波形
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图7-17给出了如何实现电源电流is与电压us同相位的控制 系统结构示意图。该控制系统为双闭环控制系统，电压环为
外环，其作用是用于调节和稳定整流输出电压；电流环为内
环，其作用是使整流电路交流侧的电流is与电压us相位相同。
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图7-11 IGBT驱动电路
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7.2 UPS不间断电源
7.2.1 UPS的分类 1． 离线式UPS 离线式UPS的结构框图如图7-12所示，它由充电器、蓄
电池组、逆变器、交流稳压器、转换开关等部分组成。
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非零电压开关。
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图7-22 (a) 非零电压开关；(b) 零电压开关
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为了进一步提高UPS的可靠性，在线式UPS均装有静态 开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护、 检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。
静态开关的主电路比较简单，一般由两只晶闸管或一只双向
晶闸管组成，单相输出UPS的静态开关如图7-23所示。
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图7-23 单相输出UPS静态开关原理图
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7.3 有源功率因数校正器
7.3.1 有源电力滤波器和有源功率因数校正 消除电力系统的谐波有无源技术和有源技术两种办法。
的输入端施加EMI滤波器。有时又称EMI滤波器为电源滤 波器，用于滤除电源输入输出中的高频噪声(150 kHz～ 30 MHz)。图7-8所示为一种常用的高性能EMI滤波器， 该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。
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图7-8 交流进线EMI滤波器
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当控制电路使V1截止时，变压器原、副边输出电压均为 零。此时，变压器原边在V1导通时存储的能量经过线圈N3和 二极管VD3反送回电源。变压器的副边由于输出电压为零， 因此二极管VD1截止，电感L通过二极管VD2续流并向负载释 放能量，因电容C1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保 持不变，其输出电压为
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图7-6 全桥变换电路
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7.1.3 开关电源的应用
图7-7所示为由开关电源构成的电力系统用直流操作电源 的电路，其中图(a)为主电路，图(b)为控制电路。主电路采 用半桥变换电路，额定输出直流电压为220 V，输出电流为 10 A，包含图7-2中所有的基本功能模块。下面简单介绍各 功能模块的具体电路。
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图7-19 UPS单相逆变电路输出波形
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逆变器是UPS的核心部分，这不仅由它的功能所决定， 也可从它的控制电路的复杂程度看出来。目前逆变器的主电