教案——现代电力电子技术_2011秋.doc

教 材：现代电力电子技术 林渭勋 著 浙江大学出版社出版参考书目：电力电子学功率变换技术 陈 坚 机械工业出版社现代电力电子技术教案电力电子技术发展的动向、特征与趋势；归类介绍电力电子器件（着重全控型）及其应用特点，器件发展动向；按电能变换大类介绍典型变换器（重点高频变换器）原理及应用特点；结合国内外电力电子技术的一些前沿信息，介绍电力电子技术在新能源技术、电能质量控制等领域的应用现状、问题及展望。学时有限纲要性讲授、知识点“缝合”，引导学生全域站位、拓宽思路。授课的具体内容：1 飞速发展的电力电子技术总论（2-3学时）1.1电力电子器件与电力电子技术技术进步与器件发展之间“依存与促进”关系电力电子器件的产生与不断发展是电力电子技术产生与发展的基础！以SCR为代表的第一代功率半导体器件的发明与应用催生了电力电子变流技术；80年代末期和90年代初期发展起来的、以Power MOSFET 和IGBT 为代表的高频全控型电力电子器件，进一步推动了电力电子技术由传统发展阶段进入现代电力电子时代。电力电子技术的不断进步及其应用新领域的拓展，刺激着器件的不断发展！伴随着电力电子器件的不断进步，电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。1.1.1 整流器时代低频变换可控整流技术对20世纪中叶现代工业革命起到过极为重要的作用！？大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在20世纪60年代和70年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。1.1.2 逆变器时代由低频转入高频20世纪70年代出现了世界范围的能源危机，交流电动机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在20世纪70年代到80年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、GTR和GTO成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。1.1.3 变频器时代高频化特征进入20世纪80年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET 和IGBT 的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电力电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能、实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。1.1.4 功率变换控制技术的发展电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到专用模拟集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。分立的模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便，以及温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷（如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题）仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自我诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。近年来，许多应用场合对电力电子电路的动态性能与稳态精度提出了更高的要求，在这种情况下，各种自动控制技术和现代控制理论日益渗透到功率变换电路，控制技术得到进一步发展。综上所述，电力电子技术的发展是从低频技术处理问题为主的传统电力电子技术向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术方向发展。利用20 世纪50 年代发展起来的晶闸管及其派生器件为基础所形成的电力电子技术，可称为传统电力电子技术。这一发展时期，电力电子器件以半控型晶闸管为主，变流电路一般为相控型，控制技术多采用模拟控制方式。由半控型器件组成的电力电子装置或系统，在消除电网侧的电流谐波、改善电网侧的功率因数、逆变器输出波形控制、减少环境噪声污染、进一步提高电能的利用率、降低原材料消耗以及提高系统的动态性能等方面都遇到了困难。20 世纪80年代以后，以IGBT 为代表的集高频、高压和大电流于一体的功率半导体复合器件得到迅速发展与应用，改变了人们长期以来用低频技术处理电力电子技术问题的习惯，电力电子技术进入现代电力电子技术时代。这一时期，电力电子器件以全控型器件为主，变流电路采用脉宽调制（PWM）型，控制技术采用数字控制技术。1.2现代电力电子技术的发展特点与趋势1.2.1 现代电力电子技术的发展具有以下特点（特征）：1. IGBT和功率MOSFET成为主要器件（IGBT的崛起和GTR的淡出）2. PWM技术的广泛运用全面开花3. 高频化与软开关技术器件开关损耗开关环境4. 大功率PWM技术的发展与应用（高压多电平；大电流多重化）5. 高功率密度（模块化技术和PIC的出现）6. 高效率（智能化控制等现代控制技术的应用）（DSP、CPLD）1.2.2 现代电力电子技术的发展趋势： 电力电子技术作为21 世纪解决能源危机的必备技术之一而受到重视！目前，电力电子技术（作为节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础）正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。不断开拓新应用领域：新能源技术（可再生能源利用）EMC能量压缩技术（新概念武器）（大功率脉冲电源）四高高频、高效、高功率密度、高控制性能IGCT等理想化器件的发展与应用2 新型电力电子器件及其应用（4学时）2 新型电力电子器件及其应用（4学时）本章主要介绍电力电子器件的发展概况，以及各种新型电力电子器件的基本原理和应用特性。要求学生掌握各类器件的应用特点及选用原则；了解现代电力电子器件发展及应用态势，建立跟踪相关技术前沿之意识。理想的功率开关器件应具有如下特性： (1) 正、反向阻断电压高，断态下漏电流近似为零 (2) 流通电流能力大，且管压降近似为零 (3) 开关控制无延迟、开关动作瞬时完成 (4) 容易驱动，驱动功率近似为零2.1 功率二极管快恢复二极管肖特基二极管SiC二极管2.1.1 普通功率二极管2.1.2 快恢复二极管2.1.3 肖特基二极管2.1.4 SiC器件的发展现状与前景专家预言，2010年前后，碳化硅器件将主宰功率器件的市场！相比于Si器件，SiC功率器件的优势体现在哪些方面？硅“统治”半导体器件已50多年，目前仍是最主要的半导体器件材料，但是硅固有的一些物理属性（。）限制了其在高频、高功率器件方面的应用。SiC对功率半导体可以说是一个冲击，这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点： 其导热性能是Si材料的3倍以上。SiC器件的工作温度可以达到600（可在400的高温下正常工作），而一般的Si器件最多能坚持到150 在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高8-10倍（更薄），而杂质浓度可为硅的2个数量级，单位面积的阻抗仅是Si片的百分之一（近年利用SiC制作的MOSFET、IGBT等功率器件，通态阻抗减为通常硅器件的十分之一）。因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。SiC高功率肖特基二极管在2001年开始出现，并在军工（航天、航空）应用上取得成功。目前，这类产品正在向商用方向发展可靠、紧凑并且开关频率高的开关电源产品。SiC肖特基二极管是目前速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围，开关电源的整流二极管，近乎理想的续流二极管。（实验表明，300V的SiC肖特基二极管，反向漏电流小于0.1mA/mm，而反向恢复时间几乎为零。）2.2 晶闸管GTOMCTIGCT2.2.1 普通晶闸管及其应用 相控整流、有源逆变、低频感应加热继续保持着大功率容量领域的优势2.2.2 GTO及其应用 门极可关断特性大功率直流斩波应用领域保持优势，1kHz 缺点：驱动难2.2.3 IGCT及其应用前景 具有一定PIC的特征 发展趋势取代GTO集成门极换流晶闸管（IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristors）是集成门极驱动电路和门极换向型晶闸管(GCT)的总称。在中高压(410kV)大容量变流器中，IGCT已成为优选开关器件，正逐步取代GTO。不对称IGCT的外形图 IGCT所采用的技术是在如下发现的基础上逐步实现突破的：当采用硬驱动技术对GTO实行驱动时，GTO性能得到了很大提高。而硬驱动技术是指采用多层布线印刷电路板代替传统的同轴门极驱动连线并采用新的GTO芯片安装技术，从而使传统的门极连线及GTO内部门极连线电感从230nH左右减小到约3nH（约为1%）。硬驱动概念的出现极大地改进了GTO的关断性能，并导致了IGCT的出现。IGCT在GTO技术的基础上，采用了以下关键新技术，使器件具有快速关断大电流的能力、开关损耗低（吸收电路简单甚至不需关断吸收电路）、可靠性更高、工作频率更高、易于串联工作（在无需均压电路的情况下可直接串联工作）。集成门极硬驱动（关断均匀，而GTO关断不均匀）N+缓冲层（阳极PN+N结形成基区穿透型结构，较薄芯片高耐压或降低通态损耗）透明阳极发射极（发射效率依赖于电流密度小电流下发射率很高易驱动（通态门极电流仅为GTO的1/10），而大电流下注入效率较低toff短）逆导技术（集成反并联二极管反向恢复性能好）IGCT已成功应用到0.56MVA的范围，其固有的串并联灵活性可把功率范围扩展到几百MVA，4.5 kV /4kA的IGCT在无缓冲条件时可在12us内关断6kA的电流（这种突出的快速关断能力是与其特殊的电路结构设计分不开的）。IGCT在导通状态时，是与晶闸管相同的正反馈开关，其特点是流通电流能力强、通态压降低。IGCT关断时，门阴极PN结相对于其他PN结提前进入反向偏置（迅速阻止阴极注入，同时主电流全部被强制通过门极流出（即门极换流，关断增益为1）门极回路必须低电感集成门极硬驱动），有效地退出工作，使整个器件成为无接触基区的晶体管，然后如晶体管一样均匀关断。特点存储时间可降至1us，这为实现简单耐用的串联打下基础；由于关断均匀，因此可显著减少或忽略du/dt及吸收电路的损耗；由于门极关断电荷较低，可显著降低门极驱动功率。5SHY35L4510 IGCT主要参数：断态重复峰值电压为4.5kV，断态重复峰值电流为50mA，最大可控关断电流Ioff=4kA，最大开通电流上升率1kA/us，阀值电压UTO=1.4V，等效电阻RT=0.325m，开通延迟时间tdon=3.5us，上升时间tr=1us，关断延迟时间tdoff=7us,下降时间td=1us第1、2尖峰值主要与开关主电路和吸收回路之间的LS3有关；第3尖峰的峰值与CS、RS和LS4与值有关；第3尖峰的时间与L2和CS值有关；第4尖峰主要与VDS关断时的反向恢复过程有关，此外也受LS4和RS值的影响。2.3 MOS功率MOSIGBTIEGT八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据器件市场统计,到1995年底,用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。2.3.1 从传统MOSPower MOS 高频小容量领域的优势开关电源！2.3.2 从Power MOS IGBT 电导调制效应在与GTR的竞争中大获全胜！仍有发展空间！ 缺点：通流能力、阻断电压难敌SCR和GTO等四层器件； 擎住效应！2.3.3 IEGT及其应用前景 IGBT的改进IEGT 电子注入增强门极晶体管(IEGT：Injection Enhanced Gate Transistor)是东芝公司1993年在IGBT基础上开发出的新一代电力电子器件（耐压达4kV以上，额定容量已达到4.5kV/3kA）。它具有通态压降低（利用“电子注入增强效应”实现）、低驱动功率（绝缘门极驱动）、开关损耗小（开关速度快）、自均流的特性（沟槽结构和多芯片并联）、串联运行容易等诸多优点。IEGT结构与IGBT非常相似，不同之处在于IEGT门极宽度Lg较大。由于N-区电子浓度低，由集电极区（P+）发射到N-区的空穴，其中只有一小部分直接到达P体区层并最终进入发射极，多数空穴则到达对面靠近门极的地方并形成积累区，这些空穴可以吸引从导电沟道中出来的电子，使电子发射显著增强电子注入增强效应N-区中的电子浓度随之提高通态压降低！IEGT的关断过程与IGBT非常相似。应用趋势已在某些大功率领域与GTO竞争！ 但随着IGCT的出现，IEGT竞争力下降？！ 而在中等容量应用领域，IEGT与IGBT竞争？！2.3.4 CoolMOS发展现状与前景CoolMOS是90年代末（1998年）英飞凌（Infineon）公司应用超级结（Super Junction）概念推出的一种全新的MOS器件，克服了传统功率MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾。也称为Super Junction MOSFET。被国际上盛誉为功率MOSFET领域里程碑的新型器件。CoolMOS的内建横向电场，使其与耐压600V和800V的常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5和1/10；相同的额定电流，导通电阻（导通损耗）分别下降到1/2和约1/3。由于导通损耗的降低，发热减少，器件相对较凉，故称CoolMOS。Super Junction的概念最早是由成都电子科技大学陈星弼院士在80年代提出来的。后来，发明专利卖给了西门子半导体，就是现在的英飞凌（Infineon）。特别指出的是，陈院士的CB及异型岛结构，是一种耐压层上的结构创新，不仅可用于垂直功率MOSFET，还可用于功率IC的关键器件LDMOS以及SBD、SIT等功率半导体器件中，可称为功率半导体器件发展史上的里程碑式结构，该发明由此也名列2002年信息产业部三项信息技术重大发明之首位。后来，在国家“863”项目的支持下，利用三维超结结构，在国际上首次获得了与低压器件兼容的导通电阻较传统器件降低5倍的高压LDMOS。CoolMOS采用新的耐压层结构（由一系列的P型和N型半导体薄层交替排列组成。在截止态时，由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降；导通时，这种高浓度的掺杂使器件的导通电阻明显降低！由于CoolMOS的这种独特器件结构，使它的电性能优于传统功率MOS），在几乎保持功率MOSFET所有优点的同时，又有着极低的导通损耗。CoolMOS的阻挡层结构是一梳状结构，阻挡层电场分布是矩形结构用原来FET的200V的阻挡厚度可以在CoolMOS中承受约500V的耐压，所以导通电阻低。但是，也由于该结构，使得FET的体二极管反向恢复电荷非常大且恢复慢（如果带感性负载，不小心让寄生体二极管导通了，那么将使FET误导通在1s以上这在高频开关领域使用是致命的!）所以，频率在20K以内使用是合适的，低饱和压降带来的好处完全可以补偿由于寄生二极管带来的附加损耗，若频率太高就得不偿失了。另外，CoolMOS的雪崩耐量也远低于普通FET，即耐过电压冲击比较差。在20kHz领域IGBT除了开关损耗梢大以外，驱动电荷要明显低于CoolMOS。CoolMOS在开关电源和消费类产品（个人电脑、上网本、手机，以及照明、LCD电视和游戏机等）的电源（适配器）等领域，具有广阔的应用前景！2.4 PIC、电力电子集成技术2.4.1 PIC的发展现状与前景 HVIC、SPIC原技术水平基本处于停滞 智能功率模块IPM（不含控制电路）、TOPSwitch、IGCT的出现与发展刺激PIC的发展？！2.4.2 电力电子集成高功率密度小型轻量化电力电子集成模块PEBB（Power Electronics Building Blocks）电力电子系统集成2.5 驱动电路等运行条件对器件的开关过程及应用特性的影响自学！（ton、toff、Ron、串并联）2.5.1 工作环境对二极管开关性能的影响1、diF/dt对vfp和tfr的影响开通过程中受外电路L的约束，diF/dt越大，vf p越高，但tfr越短低压应用电路中不要选用高耐压二极管 开通初期电流小，电导调制不明显，高耐压二极管（中央区）的导通电阻大 eon大2、IFm对IRm、Qrr和trr的影响当dirr/dt（与外电路L有关）一定时，IRm、Qrr和trr均随IFm的增大而增大3、dirr/dt对IRm、Qrr和trr的影响相同IFm条件下，IRm、Qrr均随dirr/dt的增大而增大，但可缩短trr 关断初期（ts期间）iF的下降率（与dirr/dt是相等的）越大，ts期间，恢复电荷Qr减少得少 Qrr大4、Qrr和f对eoff的影响 工程上近似为： eoff = QrrURf 5、Qrr尽量小快恢复二极管肖特基（势垒）二极管（SBD） SBD是利用金属与半导体表面接触而形成势垒，具有与PN结类似的单向导电性。SBD的特点：trr短（金属中无空穴，不存在从金属流向半导体的空穴流多子导电型没有少子存储效应）；通态压降低（正向偏置时势垒高度降低、阻抗小）；反向耐压低（0时） 与 半H桥相似！倍频式单极性PWM优点。p.157图2-392、双极性PWM全桥电路H桥（双极性PWM电流可逆复合型斩波电路）p.159图2-40 应用例：可逆直流调速系统直流牵引 如：城市轨道交通（地铁、轻轨）、电气机车、矿用机车p.162图2-433.2 隔离型DC/DC变换器实际上属于DC/AC/DC组合变换型 主要应用：开关电源通用结构形式可多路隔离输出3.2.1 正激双管正激 3.2.2 反激3.2.3 半桥 3.2.4 全桥 (开关管无反并联二极管)!3.2.5 推挽3.3 DC/DC变换器的并联运行及控制技术 ？4 DC/AC变换电路（8学时）本章主要介绍无源逆变电路。要求学生掌握基本无源逆变电路的工作原理，了解多电平逆变器、组合式相移变流器以及电压型负载串联谐振式逆变电路。 逆变电路的控制方法 逆变电路的并联、并网及其控制4.1 概述4.1.1 有源逆变与无源逆变 1、有源逆变 (1) 相控整流电路的有源逆变工作状态低频 应用：直流调速系统回馈制动直流输电系统换能站绕线机串级调速(2)、PWM整流电路的有源逆变工作状态高频PWM高、低谐波(3)、可再生能源（风、光）并网发电2、无源逆变 (1) PWM方波逆变主要应用于各类电力电子装置（开关电源）的中间变换级(2) SPWM逆变主要应用于“交流电源” VVVF电源（AC/DC/AC）变频器交流调速 CVCF电源UPS（AC/DC/AC）、应急电源机载电源如：航空、雷达车等特种车辆、舰船（多为400Hz）新能源发电利用4.1.2 电压型与电流型逆变电路拓扑及特点4.2 方波逆变电路应用：AC/DC/AC/DC（开关电源、电解电源、电镀电源、焊接电源）4.2.1 方波逆变电路工作原理半桥、全桥 注意：3.2中所述半桥、全桥拓扑中开关管无反并联二极管！4.2.2 方波逆变的特点（p174-175）4.2.3 方波逆变器输出电压（有效值）调节方式调节Ud（相控整流、不控整流+斩波）移相控制方式移相全桥具有固有的软开关特征！PWM控制方式4.2.4 三相方波逆变电路180导电控制方式4.3 PWM逆变电路（SPWM）4.3.1 PWM控制理论支持所以一般要求：频率足够高、脉宽足够窄！4.3.2 单极性PWM与双极性PWM优缺点（p186）4.3.3 几个值得关注的问题直流电压利用率（3次谐波注入法、可调载波幅值？）（p182-183） 输出谐波（fc的影响、死区的影响、直流侧脉动的影响）（p183-184）开关损耗（频率）及效率问题 调制深度与过调制问题4.3.4 三相SPWM逆变电路4.4 SPWM逆变电路的输出波形质量（THD）及其改善（p217）4.4.0 主要影响因素： fc 、死区、直流侧脉动；控制器设计4.4.1 输出滤波器及其参数优化4.4.2 优化PWM控制倍频式SPWM、定次谐波消除4.4.3 多重化、多电平技术（p423）4.5 SPWM逆变电路的控制P.222-230不仅是输出波形质量的要求，更重要的是系统性能及其改善的要求！所谓逆变器控制运用各种反馈闭环控制策略获得期望之系统性能对控制的基本要求 稳定（及精度要求）、 跟踪（控制指令的要求）因此，逆变器系统的性能要求静态、动态2大方面：静态稳定性（抗扰性），稳态精度（误差） 可靠性动态快速性（快速响应能力）通常以阶跃输入或负载突变条件下系统输出的跟踪响应来衡量（响应速度tr、超调量、调整时间ts） 电力电子开关变换非线性、参数时变性？ 各种反馈闭环控制策略系统静、动态性能要求 从实现控制手段看数字化控制是发展趋势DSP4.5.1 (最简单如)单电压闭环平均值反馈控制：参考书上P.223 图3-28(a) 解释：稳定性（抗扰性）、稳态精度（误差）快速性（响应速度tr、超调量、调整时间ts） 注意：平均值反馈控制下（SPWM下实际上是对有效值或峰值的闭环），PI可以实现输出电压有效值或峰值的无静差控制，但无法控制波形质量（波形取决于PWM调制手段和逆变电路本身）！（对波形而言是开环） （较适用于直流系统控制，但对于交变量输出且有波形要求）系统动态响应慢！ 负载适应性差非线性负载？对非线性电流冲击的应变能力差！4.5.2 电压瞬时值反馈控制：参考书上P.223 图3-28(b)在平均值闭环内再引入瞬时值反馈双环？也可直接单电压瞬时值闭环控制简单 单电压环控制下系统动态抗扰性能差（负载扰动） 尤其轻载条件下4.5.3 电压电流双闭环控制电压外环、电流内环P.230采用电感电流内环控制，一方面可以抑制系统过流，增强系统安全性，另一方面也可以通过电流的有效控制使得系统模型简化，易于外电压环的控制。4.5.4其他多环控制方案如前馈控制（输出电流前馈、电容电流前馈、电压给定前馈等）负载电流前馈负载电流io作为逆变器的外部扰动信号，处在电感电流环之外，不能很好地抑制负载扰动，动态性能不够理想，为改善抗负载扰动性能，电流内环引入负载电流前馈。电容电流瞬时控制，使得输出电压uo因ic的微分作用而提前得到校正，带负载能力更强。重复控制、PR控制、二自由度PI控制4.5.5 模糊控制、神经网络控制一方面：在经典控制理论和方法中，反馈控制是一种最基本的手段本质上可理解为是对原系统的校正（修正）需要建立系统数学模型！从另一角度推论数学模型的精确与否，直接影响反馈控制的效果（即系统的性能）！另一方面：电力电子开关变换非线性、参数时变性建模困难！4.5.6 单电流环控制应用：并网电流控制滞环控制器具有闭环调节器和脉宽调制器的双重作用，可以将误差信号直接转换为开关的PWM控制信号。 （基本的）电流滞环跟踪控制两态滞环特点：书上P.228三态滞环倍频调制准固定频率的滞环控制4.5.7 SVPWM（电压空间矢量）控制4.6 高频链逆变电路（高频隔离环节） 4.2、4.3中所述非隔离输出 或 低频隔离环节高频隔离环节的优势！缺点：实现电气隔离和调整电压比的变压器的工作频率等于输出频率低频 体积大、重量大、音频噪声大、效率低 它是在直流输入与SPWM逆变器之间插入一DC/DC变换级（使用高频变压器实现电压比调整和电隔离，前级为普通的方波逆变）正激、反激、半桥、全桥、推挽等形式都可以。（书上P.198图3-15例）优点：技术成熟、高频隔离缺点：单向功率流负载不能向电源回馈能量多级功率变换（系统拓扑复杂）可靠性、效率低书上P.270图4-11控制时序图4-12移相控制（补）陈道炼原边也可用推挽结构固有缺点：控制输出电压的周波变换器采用传统的PWM技术电压过冲问题 器件换流时强行中断高频变压器漏感中的电流 解决方法缓冲电路、有源钳位电路吸收存储漏感能量书上P.276图4-16“双副边绕组”赵：“有源箝位”（以下4.7和4.8内容视具体学时情况机动选讲）* 4.7 逆变器并联运行及控制均流（负载均分控制）？环流及抑制高频逆变电源技术在可再生能源发电、交通运输、航空航天等领域具有广阔的应用前景。高频逆变技术、逆变器并网/并联及其控制技术，是组成分布式、可调度、大功率可再生能源发电系统的关键环节和技术基础，越来越受到关注，其中的关键技术和新理论已经成为相关学科领域的研究热点，建立在模块化结构基础上的逆变器并网/并联技术正获得快速发展。建立在模块化结构和网络通讯技术基础上，柔性可调度、分布式逆变电源系统及相关技术的研究将推动逆变电源技术在更高层次的发展。尤其针对太阳能等可再生能源发电利用，虽然能源来源丰富，但具密度低、分散性大等特点，不适合集中式大容量发电，而适合于分布式发电系统。因此，与分布式发电系统相关的理论与技术的研究具有重大意义。4.7.1 逆变器并联运行及意义并联技术是逆变电源向大功率方向发展的一个重要途径。逆变电源实现模块化并联运行，不仅可以突破因功率开关器件造成的对逆变电源在功率等级上的限制，实现大功率化和高功率密度，而且还将提高系统容量组合的灵活性，实现经济的冗余设计。逆变电源的模块化及其并联控制技术，是逆变电源系统从传统的集中式供电向分布式供电模式发展过程中必须解决的一个关键技术，其研究具有重大的理论和工程应用价值。逆变器并联应用应能体现以下主要优点：(1)系统的容量扩充方便灵活；(2)逆变器模块标准化、功率高密度，易于产业化生产；(3)模块中功率器件的电流应力小，可靠性高；(4)通过N+1或N+2冗余使系统具有故障容错(fault-tolerant)能力及冗余功率，检修维护简便逆变器并联运行中的技术关键在于负载均分(均流)控制(sharing-current)和环流抑制(circulating-current)。基本要求是：(1)各并联逆变器模块自动均分负载电流，尽可能减小或有效抑制模块间环流；(2)尽可能不增加外部均流控制措施或控制单元、尽可能少的模块互连线，以提高系统可靠性，并使均流技术与冗余技术“兼容”；(3)当电网电压和负载电流变化时，或在模块实施冗余切换时，或热插拔(hot plug-in)时，保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好4.7.2 逆变器并联运行原理与分析4.7.3 逆变器并联控制方法及分类现有并联控制技术的特点主要表现为：并联数较少、有互联信号线、冗余性不够；为适应系统高控制性能和相对复杂化的并联控制算法的要求，数字化控制手段受到青睐。随着功率变换电源向大容量等级和高功率密度方向发展，促进了逆变器并联技术的迅速发展和不断成熟，高可靠性、高冗余度、智能化控制是主要发展方向，具体表现为：(1)无互连线并联结构将成为研究热点，逐步实现自由并联。一方面，无需专设外部控制单元，并联操作更加简单、可靠、灵活；另一方面，并联的单元数越来越多，且可实现热插拔。(2)研究模块并联软投切控制技术以及瞬时环流抑制技术，提高系统动态过程中均流控制性能，提高系统并联运行可靠性。(3)关注波形畸变对均流性能的影响，尤其非线性负载条件下的均流问题，开展并联系统负载适应性研究。(4)控制方法由经典控制理论向现代控制理论转变，数字化、智能化控制技术日趋成熟。(5)不同容量逆变器单元的并联方法研究。(6)远程通讯与监控技术，实现并联系统的网络化管理。* 4.8 并网逆变及控制同步、孤岛4.8.1 逆变电源并网运行及意义规模化开发利用太阳能、风能等可再生新能源将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志14。近年来，太阳能光伏发电、风力发电技术已经取得长足发展，可再生能源已开始由补充能源向替代能源过渡，从偏远缺电地区户型中小功率的独立发电系统向分布式可调度型大功率并网发电系统的方向发展。随着电力紧张、环境污染等问题日趋严重，与公用电网并网运行的可再生能源发电并网系统已显示出越来越大的竞争力，不仅可提供高效率、高质量、高稳定性的绿色能源，其规模化应用(Scale application)既可缓和电力紧张局面，还可在电能质量控制与调节等方面(如电网调峰、无功和谐波补偿等)起到积极作用。在通讯、舰船、航空、国防等领域，独立的可再生能源混合发电系统可提供持续可靠的和高质量的能源供给，相关研究和开发工作具有重大意义。4.8.2 逆变电源并网控制技术并网逆变器输出控制4.8.3 并网逆变器孤岛效应及其防护技术4.8.4 可调度型并网逆变器并网/独立双模式逆变器随着未来中小功率风、光发电并网系统的推广普及，公用电网将演变为多种能源发电并网的分布式混合供电系统，多个逆变电源在电网供电正常情况下同时可控并网，而一旦电网失电，多个逆变电源将并联运行而成为一个独立向本地负载和敏感负载供电的自建孤立弱电网。因此，要求这些逆变电源具有在线冗余的可调度功能，而且允许脱网供电模式下的并联供电运行。分布式多单元并网/并联逆变电源系统将不仅可以独立组成大功率、可调度的，而且可向公用电网并网发电，具有高效率、高质量、高稳定性等优势，运行监控与可调度功能将使可再生能源逆变供电系统获得高可靠性、高冗余度和容量组合的高度灵活性，在民用生活供电、通讯、舰船、航空、国防等领域具有广泛的应用空间和前景。5 AC/DC变换电路（PWM整流技术）（4学时）5.1 传统相控整流技术及其存在的问题 低频、移相谐波、低 主要工业应用VM系统5.2 带PFC的AC/DC/DC组合变换器功能上讲属于PWM整流功率因数校正（PFC）和单级功率变换的基本概念和发展概况5.2.1 APFC的基本概念5.2.2 Boost-PFC基本原理 （P.300304） DCM 与 CCM 不控整流 + Boost + SPWM控制 不能回馈电能！*5.2.3 单级PFC变换5.3 电压型桥式PWM整流电路 可回馈电能（双向变流）！5.4 同步整流技术高频AC/DC低电压输出时的效率（损耗）问题！DC/AC高频隔离AC同步整流DC低压大电流 （P.20.22-23、P.293）6 AC/AC变换电路（2学时）AC调压电压变换交流调压相控、斩控AC调功通断率控制AC调频频率变换变频直接变频相控 间接变频SPWM*AC调相6.1 交流调压电路6.1.1 传统相控方式 单相小功率加热炉 三相大功率加热炉、三相异步机降压软起动 缺点：。6.1.2 PWM斩控方式（P.2