1、第九章电力电子器件的应用与实训 主编第一节晶闸管的应用一、直流电动机可控调速图9 1所示为典型的直流电动机可控整流调速电路，适用于中小容量的直流电动机转速的调节。图9-1直流电动机可控整流调速电路第一节晶闸管的应用二、过电压保护电路图9-2过电压自断电晶闸管保护电路第一节晶闸管的应用三、大功率充电电路图9-3采用晶闸管组成的大功率充电电路第二节功率场效应晶体管的应用一、三片式开关稳压电源若交流电压直接经过工频整流、滤波后转换为直流电压，再经过电力电子器件以高频率的开通与关断进行功率变换（高频逆变）,得到2050kHz的高频脉冲交流电，然后再经过高频整流与滤波，得到所要求的直流，这样的电源即称为
2、开关电源。图9-4三片式开关电源电路图第二节功率场效应晶体管的应用图9-5MC34060引脚图和内部电路等效电路a)MC34060的引脚图b)内部等效电路第二节功率场效应晶体管的应用二、高频自激式振荡电源以往的荧光灯都采用镇流器限制灯管电流，镇流器不仅笨重，而且自身功耗大（约占灯具总功耗的30）、功率因数低，所以在大量使用荧光灯照明的公共场所需要用体积很大的电容器作无功补偿。图9-6功率MOSFET高频自激振荡器电路第二节功率场效应晶体管的应用1)增加变压器二次侧匝数，则二次侧可以输出高频高压，用于各种触发点火装置。2)将图9-6中整流部分改用电池供电，适当选择变压器匝数比，可以在变压器二次侧
3、输出任意所需的电压，在各种便携式仪器中有广泛的应用，也可将此用于应急照明中。由于这类高频振荡电源摆脱了笨重的变压器和滤波器，所以十分轻便，制造也简单。这类电源的缺点是高频振荡会干扰电网，也会通过空间电磁辐射干扰通信，所以应注意屏蔽和交流电源输入端的滤波。第三节电力晶体管的应用一、彩色电视机开关电源电路图9 7所示为东芝四片机芯彩色电视机开关电源电路。图9-7东芝四片机芯彩色电视机开关电源电路第三节电力晶体管的应用1.电路的组成该开关稳压电源由整流滤波部分、开关调整部分、直流输出电路和保护电路组成。另由R01、L01组成消磁电路。(1)整流滤波部分220V50Hz交流电从插头引入，经熔断器FU0
4、1，两级互感滤波器L08、C23、L06等滤除外来干扰信号(同时也防止开关振荡信号窜入电网)后，送入VD01VD04进行全波整流，再经C07滤波后得到300V左右的纹波直流电压。C02C05是为高频信号提供通路，防止高频信号影响整流电路的正常工作而设置的。R25是压敏电阻，用来吸收开机和关机等产生的过电压和浪涌电流，保护整流二极管。(2)开关调整部分开关调整部分包括自激振荡电路和取样稳压电路两部分。第三节电力晶体管的应用 自激振荡电路由开关管V01、R08、R09、R04L02、开关变压器T01的启动组、，正反馈绕组、和正反馈网络VD09C09、R06等组成。(3)直流输出电路在V01截止期间
5、，开关变压器T01二次绕组、上感应出上正下负的电压，经VD16整流，L09、C27型滤波后得到110V主电源直流电压。C17、L03，L04、C21、C26是为了滤除开关脉冲中的高频干扰而设置的。2.电路特点 开关管V01与输入、输出端并联；启动时没有其他振荡激励；开关管V01基极没有输入型逆程脉冲，强迫开关管振荡同步，因此该稳压电源属于单端反激式（储能式）开关电源，亦称为并联自激调频型开关电源。第三节电力晶体管的应用二、GTR直流斩波器将直流电源的恒定电压通过电力电子器件的开关作用，变换为可调直流电压的装置称为直流斩波器，亦称直流直流变换器。直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点
6、，可广泛用于直流牵引调速，如地铁车辆、城市无轨电车和电动汽车等；直流斩波器还广泛用于可调直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、远程控制器和移动电话等。第三节电力晶体管的应用随着电力电子新器件的不断发展，直流斩波器将更加广泛地应用于工业和家庭生活中。直流斩波器的主控器件可以采用半控型电力电子器件（如晶闸管），也可以采用全控型电力电子器件（如GTR等）。图9-8GTR组成的直流斩波电路的主电路第三节电力晶体管的应用1.牵引过程的工作原理将接触器触点KM1、KM2、KM3、KM41、KM42闭合。当VT（GTR）导通时，电源U通过UKM1KM2KM3KM41MKM42LHLVTU回路向电动机M
7、供电，电压极性为左正右负，电动机两端电压uABU。当VT截止时，电流续流回路为MLHLVD1KM3KM41M，电动机两端电压uAB0。控制VT的导通和截止时间，就可以控制电动机两端的平均电压，其平均电压为UAB（T）U，为脉宽，T为周期。由此可见，改变和T就可以调节UAB，从而改变电动机的转速，达到斩波调速的目的。触发快速晶闸管VT2可进入弱磁运行。在牵引工作时采用恒流控制来获得恒加速度启动。第三节电力晶体管的应用2.牵引制动转换过程的工作原理VT截止，电枢电流通过MKM42LHLVD1KM3KM41M回路续流，由于回路中存在的电阻很小，电枢电流很快衰减到零，当HL检测到电枢电流为零时，接触器
8、进行切换，KM3、KM4断开，KM5闭合，为形成制动回路做好准备，同时KM6闭合，投入预励磁,加快反电动势的产生，一旦反电动势电压建立后KM6自动断开。3.电制动过程的工作原理电制动分为能耗制动和回馈制动，主要根据负载情况而定。第四节IGBT 的 应 用一、开关电源主电路的工作原理图9-928V/100A开关电源的原理框图第四节IGBT 的 应 用图9-1028V/100A开关电源的主电路第四节IGBT 的 应 用二、开关电源的电压、电流波形分析开关电源的电压、电流波形如图9 11所示。输入激励信号uG1、uG2相差180，使VT1与VT2交替通断。变压器一次绕组电压uP的波形如图9 11d所
9、示。通过变压器耦合，次级绕组电压uS和u S分别通过二极管VD5、VD6整流，输出直流电压uo，如图9 11i所示。当uS使VD5正偏导通时，通过滤波电感L2向负载供电，其电流波形如图9 11h所示，此时L2储能。图9-11半桥变换电路波形第四节IGBT 的 应 用三、主要元器件的选择与参数1.IGBT管的电压、电流计算与选择(1)IGBT的电压交流220V电压经桥式整流滤波，加至逆变桥的电压约为300V，考虑到裕量，通常选用600V等级的IGBT管。(2)IGBT的电流由于IGBT管工作在脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和缓冲电路等因素有关，工程计算是以实际
10、流过管子的最大峰值电流再考虑两倍左右的裕量来确定管子的电流。第四节IGBT 的 应 用2.高频变压器铁心材料与高频整流元件的选择高频变压器的作用是电压变换、功率传递和输入输出隔离。高频变压器对电路的工作状况有十分重要的影响，主要体现在变压器漏感和励磁电流的影响，工作时变压器不能饱和，否则励磁电流会大大增加。选择铁心材料时要考虑高频铁损小、饱和磁密高的导磁材料，如C型超微晶磁心或铁氧体材料。绕组采用双绕组并绕中心抽头的工艺结构。第四节IGBT 的 应 用3.滤波、软启动与软开关在电路的输入端接有线路滤波器，其作用一是抑制和吸收电网中可能出现的强脉冲对电源的影响，二是利用线路滤波器良好的共模和差模
11、插入损耗，抑制电源产生的高频干扰信号对电网的影响，实现电源与电网的隔离和减少电源对周围环境的电磁干扰。在本电路的输出端与负载之间亦接有滤波器。第四节IGBT 的 应 用四、IGBT管的驱动与控制电路1.IGBT的控制电路控制部分采用CW494（或TL495）集成脉宽调制器，它是控制部分的核心。该集成控制器与美国德克萨斯（TEXAS）公司生产的TL495功能一致，为双列直插式16脚集成电路。CW494的引脚排列及内部功能框图如图9 12所示。图9-12CW494的引脚排列及内部功能框图第四节IGBT 的 应 用(1)锯齿波振荡器其振荡频率由5、6脚外接RT、CT参数决定，(f1(RTCT)，对于
12、双端输出，振荡频率应调整为两倍的逆变器频率即40kHz。(2)脉宽调制控制 脉宽调制主要由PWM比较器实现。输出端8、9、11、10脚有两种连接方式，一种是将8、11脚接控制电源，9、10脚接负载（发射极输出）；另一种是将9、10脚接地，8、11脚经电阻接控制电源，由集电极8、11脚输出。(3)死区时间控制对于桥式逆变电路，IGBT从一管关断到另一管导通之间必须留有死区时间，死区时间由死区控制比较器来实现。(4)稳压与过电压、过电流保护稳压和保护功能由两个误差放大器来完成。第四节IGBT 的 应 用2.IGBT的驱动电路图9-13IGBT的驱动电路第五节开关稳压电源的设计一、开关稳压电源的设计
13、原则1.主电路的选择开关稳压电源的主电路，即是第四章中介绍的逆变电路，亦称变换电路。变换电路的形式要根据负载要求和给定的电源电压等技术条件进行选择，重点是合理选择功率开关管和高频变压器，以使电路结构简单经济。(1)激励方式的选择激励方式选择的主要依据是电源输出功率的大小。(2)电路结构的选择电路结构选择的主要依据一是电源输出功率的大小，二是电路输入、输出电压的高低。第五节开关稳压电源的设计(3)开关频率的选择开关频率与主电路的工作模式，开关管的类型及发热程度，变压器、滤波器体积的大小，干扰抑制等因素有关，应综合考虑，不能顾此失彼。目前，对于软开关电源，开关频率通常选在数百千赫以上；对于硬开关电
14、源，开关频率通常选在20100kHz之间。2.功率器件的选择这里所说的功率器件，主要是指功率开关管。功率器件选用的主要依据是电源的输出功率、开关频率和主电路的结构形式。通常在负载功率较小的自激式变换中采用电力晶体管（GTR）；在负载功率较小，开关频率较高的变换电路中采用功率场效应晶体管（MOSFET）；在负载功率较大的桥式变换电路中采用IGBT或智能模块（IPM）。第五节开关稳压电源的设计3.控制方式的选择控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用两者的误差信号对功率开关器件的导通与关断时间进行比例调节，将实际输出电压维持在期望电压附近。控制方式有脉宽
15、调制（PWM）、脉频调制（PFM）和混合调制等，目前脉宽调制（PWM）控制方式应用较多。能实现PWM控制的集成电路有多种，设计控制电路时应根据实际需要选用。第五节开关稳压电源的设计二、开关稳压电源的设计内容与方法 开关稳压电源设计的主要内容是主电路的设计与计算，以主电路的参数为依据，选择恰当的功率开关管、高频变压器及整流、滤波等元器件。对于控制电路来说，通常选用典型的集成控制器，只计算和选取可调元器件，而其他元器件可参照常用电路的经验数值或大致估算来选取。1.功率开关管的计算与选用选择功率开关管时要考虑的主要因素是元器件可能承受的最高反向电压和流过元器件的最大电流。为了叙述方便，下面以电力晶体
16、管（GTR）为例来说明。(1)功率开关管耐压的选择加在功率开关管集电极、发射极之间的电压与变换电路的类型有关，见表4-1。第五节开关稳压电源的设计在半桥和全桥式变换电路中，功率开关管集电极、发射极间的电压应为最高直流输入电压Umax与干扰尖峰电压U之和，即(2)功率开关管电流的选择功率开关管电流的选择决定于晶体管的功耗和发热程度，所以通过开关管的电流应小于其极限参数Icm。对于单端反激变换电路第五节开关稳压电源的设计2.主变压器的设计主变压器设计的任务是选取变压器铁心，计算绕组匝数，确定导线直径，以及明确相应的工艺要求。图9-14双端电路电压磁通变化规律第五节开关稳压电源的设计(1)变压器铁心
17、的选取根据变压器的视在功率(设计容量)确定铁心尺寸，根据变压器工作频率和效率选取铁心材料，两者综合确定铁心型号。图9-15单端电路磁滞回线工作情况图9-16单端变换电路电压磁通变化规律第五节开关稳压电源的设计(2)绕组匝数的计算首先根据铁心截面积确定变压器一次绕组的匝数NP，然后根据NP确定二次绕组匝数NS。(3)绕组导线截面的计算表9-1铜导线的电流穿透深度第五节开关稳压电源的设计3.整流、滤波元件的计算与选择对于直流变换器来说，高频变压器二次侧接整流、滤波电路，其作用是将高频矩形波电压变成符合要求的直流电压。整流电路的主要形式有变压器中点抽头全波整流和桥式整流，前者用于输出低电压、大电流的
18、情况，后者用于输出高电压、小电流的情况。由于中点抽头全波整流电路只用两只整流二极管，与桥式整流电路相比，可以减少二极管的管压降，提高变换器的效率。所以在满足输出电压要求的情况下，多数采用中点抽头全波整流电路。第五节开关稳压电源的设计三、开关稳压电源的设计实例 开关稳压电源设计的步骤，一般是确定电路的结构形式和工作频率、选择功率开关元件、变压器计算、整流滤波元件的计算与选择等。对于不同的变换器来说，设计要求和设计内容基本相同。这里以半桥式变换电路为例，说明电路的设计过程。1.电路结构形式与频率的选择(1)主电路的选择因为变换电路的输入电压较高，输出功率较大，不适于选用单端电路，半桥式变换电路具有
19、卓越的抗不平衡能力，开关管承受的反向电压较低(近似等于电源电压E)，电路的可靠性较全桥电路好，所以主电路采用半桥式变换电路。第五节开关稳压电源的设计(2)控制电路的选择因为TL494集成控制器保护性能完备，外围元器件少，安装调试简单，应用参考资料容易查找，所以采用该集成电路作为本变换电路的控制器。(3)驱动电路的选择为简化驱动电路的设计程序，提高电路的驱动效果，建议采用专用驱动集成电路EXB841为驱动器。(4)主电路开关频率的确定为了防止开关噪声对人的伤害，减小电源的体积和重量，开关频率取普遍采用的20kHz。(5)功率开关的选择为了减少开关管的驱动功率，又可适当降低开关损耗，提高电路效率，
20、采用VMOS管为开关器件。(6)变压器铁心的确定为了降低高频变压器的损耗，铁心采用高频损耗小的铁氧体材料。第五节开关稳压电源的设计2.半桥式变换电路稳压电源电路 半桥式变换电路稳压电源电路如图9 17所示。图9-17半桥式变换电路稳压电源电路图第五节开关稳压电源的设计3.主要参数的计算(1)VMOS开关的参数选择Emax=22011V=342V(2)变压器铁心尺寸的计算SCS0=(3)绕组的计算NP=102(4)电流的计算变压器二次侧负载电流最大值：ISmaxIo+Iomin55251A第五节开关稳压电源的设计(5)导线的选择一次绕组导线：选用导线?072，电流密度取3Amm2时，导线额定电流为1222A，大于一次侧电流有效值11A。(6)滤波电容C12、C13和C17的取值滤波电容可以根据纹波要求及滤波电感值计算，但比较麻烦。(7)滤波电感的计算为了使输出电流连续及减小通过整流管的尖峰电流影响，滤波电感不得小于临界电感。(8)验证噪声电压(9)关于其他参数的计算为了节省教学和设计时间，其他参数可按图纸给定的数值直接选用。
