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PWM整流电路概述.doc


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PWM整流电路概述1 引言在电力系统中,电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中,由于非线性负载的影响,实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变,给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题,因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛,大量的非线性负载被引入电网,导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式,引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前,随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高,各种新型电力电子变流装置不断涌现,特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善,为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明,电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增,同时,由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。在我国,当前主要的谐波源主要是一些整流设备,如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式,采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流,造成电网的谐波污染,而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低,因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征,给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。为了抑制电力电子装置产生的谐波,其中的一种方法就是对整流器本身进行改进,使其尽量不产生谐波,且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术,一般需要使用自关断器件。对电流型整流器,可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制,使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形,从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器,需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制,就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制,不仅可实现交流电流接近正弦波,而且可使交流电流的相位与电源电压同相,即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明,在此基础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。2 功率开关器件 PWM整流器的基础是电力电子器件,其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件,器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点:(1)能够控制通断,确保在必要时可靠导通或截止;(2)能够承受一定的电压和电流,阻断状态时能承受一定电压,导通时匀许通过一定的电流;(3)具有较高的开关频率,在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间,并能承受高的di/dt和dv/dt。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种:(GTO) GTO是最早的大功率自关断器件,是目前承受电压最高和流过电流最大的全控型器件。它能由门极控制导通和关断,具有通过电流大、管压降低、导通损耗小,dv/dt耐量高等优点,目前已达6KV/6KA的应用水平,在大功率的场合应用较多。但是GTO的缺点也很明显,驱动电路复杂并且驱动功率大,导致关断时间长,限制了器件的开关频率;关断过程中的集肤效应容易导致局部过热,严重情况下使器件失效;为了限制dv/dt,需要复杂的缓冲电路,这些都限制了GTO在各个领域的应用,现在GTO主要应用在中、大功率场合。(GTR) 电力场效应管又称为巨型晶体管,是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管,该器件与GTO一样都是电流控制型器件,因而所需驱动功率较大,但其开关频率要高于GTO,因而自20世纪80年代以来,主要应用于中小功率的变频器或UPS电源等场合。目前其地位大多被绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应管(PowerMOSFET)所取代。(PowerMOSFET) 电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的,属于电压控制型器件,因此它的第一个显著特点是驱动电路简单,需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快,工作频率高。另外PowerMOSFET的热稳定性优于GTR。但是PowerMOSFET电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的场合。(IGBT) IGBT是后起之秀,将MOSFET和GTR的优点于一身,既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点,又具有GTR耐压高、流过电流大的优点,是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。。栅极为电压驱动,所需驱动功率小,开关损耗小

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  • 时间2019-12-15