现代电力电子技术基础

1、1、现代电力电子技术modernpowerelectronicstechnology，大连理工大学李国锋，2011年8月2，商品目录第1章概要第2章电力电子部件第3章AC-DC转换第4章DC-AC转换第5章DC-AC转换第6章AC-AC转换第7章PWM控制第3章电力电子技术概要引言1.1简单的转换器1.2理想的开关和实际的开关1.3转换器分类1.4转换器结构1.5转换器中的感应电容连接1.6转换器的期望特性和评价指标1.7转换器保护，4，电力电子技术(Power Electronics Technology ) 是研究电力转换原理和电力转换装置的综合学科，涉及包括电压、电流、频率和波形转换在内

2、的电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。 电力电子技术和信息电子技术的主要差异是效率问题，信息处理电路的效率可以达到15%以上，而电力电子技术的电力装置的效率不能达到85%。 目前能源问题已经是我国面临的主要问题之一，提高电源转换效率是电力电子技术人员的主要任务。 随着电子技术的发展，新器件陆续出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效率、高功率密度和智能，最终进入电力转换和频率转换更自由的时代，充分发挥其节能、消耗和提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术(Modern Power Electronics )的基础，其应用范围很广，从毫瓦级个人无线通信设备到百万千瓦的高压直

3、流输电(High Voltage DC Transmission )系统。 引言5、电力电子技术的应用领域主要是大功率直流电源。 其发展主要以提高单体容量和提高效率为主要目标。 电机控制。 交流电机和直流电机都采用电力电子技术完成电机的速度、扭矩、追随性等控制，但目前多研究与直流调速无关的应用领域。 高压直流输电。 电源转换。 其发展主要以增加效率和提高控制性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电动车、电动汽车、电镀电源、冰箱、洗衣机等的控制。 无功功率补偿。 如果需要用6、1.1简单的转换器从12V获得直流电源3.3V，可以考虑如图1-1a所示用分压器来实现。 如果R=1K，可以计算R2=

4、0.379K，使用在电气工程中学到的知识，设计的电源的等效内阻，如等效电路图(b )所示，输出特性明显地是该电源没有电流输出时，在其输出电压为3.3V的电流输出的情况下，其输出电压为IO输出电流或负载可知，I，Vo，3.3V，1-1分压器，电压跟随器以及输出特性，o，7，随着电流增加，输出电压直线下降，输出电流为12mA时设计的电源输出电压为0。 也就是说，这个电源没有调节负载变化的能力。 理想电压源的输出电压不会随着输出电流的增大而下降，也就是说输出电压应该对负载的变化具有100%的调节性能，从电路上看，电源的等效内阻为零。 8、从效率方面来看，这个电路在输出电流为零时电路消耗，这些能量通过

5、电阻转换为热。 输出电流为5mA时，此时输出电压输出功率。 很明显，电压跟随器电路的输出电压比分压器更稳定，除了电阻损失外，电路还附加了晶体管损失。 在大功率用途中，大量的能量损失在晶体管上，这些热必须通过散热器散热，效率也低。 9、上述分析表明，转换器设计必须考虑至少两个方面：输出参数(电压)的稳定问题； 转换效率问题效率差的转换电路几乎没有应用价值。10、周期性地接通和断开直流电源，形成方波电压，对方波电压进行滤波，得到直流电压，周期一定时，可以通过控制接通时间来控制输出电压。 当开关是理想开关时，损失为0，效率大幅增加，这是现代功率电子技术中采用的开关的操作模式。 现代功率电子技术中的所

6、有半导体装置都在饱和开和关两种操作状态下操作并且尽量避免在放大状态下操作也是信号电路的另一本质差异。 另外，图1-2 PWM原理，11，1.2理想的开关和实际的开关，在开关断开状态时能承受高端子电压，满足漏电流为零这一条件被认为是理想的开关在接通状态时能流过过大的电流，此时的端子电压小信号也可以接通、关断，相对于信号的延迟时间为零。 12、功率半导体器件不是理想器件，实际开关特性断开时受到的端子电压是有限的，断开时的阻抗也不是无限大的，总是有漏电流流过，发生断开损失。 导通时流过的电流有限，导通时的阻抗也不为零，正向导通电压和电流的积会产生导通损失。 从断开到导通和从导通到断开的时间也不为零，

7、此时的电压和电流的积产生了开关损失。 由于端子电压受到限制，在需要耐高压的情况下，需要串联连接功率半导体装置，同时流过的最大电流受到限制，因此，在需要流过大的电流时，需要并联连接功率半导体装置。 13、采用理想的开关并不能解决所有的问题，一旦理想的开关出现，在只解决损失的问题的同时，理想的开关在零时间内完成接通和断开，即强制地在零时间内切换大电流，di/dt变得非常大， 由于分布电感会产生大的过电压，必须指出，抑制该过电压安装技术的改进是非常重要的。14、1.3转换器分类，图1-3转换器分类，15、图1-3是单一输入单输出转换器，电源可以是直流、交流、电压源、电流源的负载可以是电感、电容器、电

8、阻，也可以是有源负载， 也可以是将电能转换为其他能量形式的装置的Vc是具有输出变量特征的控制信号，输入输出侧的电压或电流波形可以是单相、三相或多相，转换器由开关、电感、电容器、变压器构成，开关由两端的开关(二极管为了便于分析，假定所有这些装置具有理想装置，即具有线性的非时变特征，并且开关的电压和电流容量满足要求。 16，1dc-AC转换器的逆变器将直流电源转换成一个交流电源(单相或多相)称为逆变器，该装置称为逆变器。17、基本电路如图1-4(a )所示，通过用一个开关将直流电源变换为低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形用滤波电路整形而成为期望的波形，一般想成为正弦波形。 三相输出

9、如图1-4(b )所示，由三个开关完成。 3个开关交替接通120度，输出三相120度的直流脉动波形。 交流的频率、幅度的大小和相位是交流三要素，如何使用电力电子技术自由变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。 DC-AC变换器的应用范围很广，例如飞机和空间站的电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，交流频率从50Hz到1MHz各种各样。 18、2AC-DC转换器整流器将单相或多相交流电源转换成一个直流电源，该装置成为整流器。19、基本电路如图1-5(a)(b )所示。在图1-5(a )中，交流电源由二极管整流，二极管的阳极在接收到正电压时导通，

10、在接收到负电压时截止，因此，二极管被称为非控制或极性控制开关。 二极管后的波形包含交流成分和直流成分，交流成分被称为波动，所以二极管后需要滤波电路。 在图1-5(b )中，使用开关代替二极管，其主要特征在于，在输入交流波形时可以接通开关，而不是在二极管这种阳极正电压时接通负电压时断开。 因此，能够控制输出电压的交流分量和直流分量，滤波电路依然需要。 AC-DC转换器应用范围很广，典型的有电池充电、直流电机驱动、高压直流输电、风力发电等。 20，3dc-DC转换器将直流电源转换为一个系统或多重直流电源称为dc-dc转换。 DC-DC转换器也可以由DC-AC转换器和AC-DC转换器串联取得，输入的

11、直流电压首先逆变器成高频的AC，然后通过整流将AC转换成DC。 在DC-DC转换器中，频率变高体积重量减轻，需要输入和输出的隔离，频率变高变压器的重量也变小，同时输入和输出电压的变化范围也变大。 21、AC-AC转换器将一个交流电源(单相或多相)转换为另一个交流电源(单相或多相、相同频率或不同频率)称为AC-AC转换器。 输出频率低于输入电压频率的AC-AC转换器被称为频率转换器，其输出频率一般为输入电源频率的几分之一。 电源频率和输出频率相同的AC-AC转换器称为交流控制器。 另一个AC-AC转换器将ac-dc转换器和dc-ac转换器串联连接以获得所期望的输出电压幅度、频率和相位。 这样的A

12、C-AC转换器被称为DC-Link ac-ac转换器，该转换器的输出频率与输入电源频率无关。 22、23、5软开关和硬开关，如果提高逆变器的工作频率，则可以减少逆变器的体积，但是如果提高工作频率，则逆变器的损失大幅度增加，由于降低逆变器的效率，所以提高逆变器的效率，则可以减少逆变器的体积软开关技术是指在电力电子部件接通或断开时损失为零的技术，如果在相应地接通或断开时损失不为零，则软开关为硬开关。 24、现代电力电子装置的发展趋势对小型化、轻量化、效率和电磁兼容性也有很高的要求。 电力电子装置的高频化滤波器、变压器的体积和重量减少，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损失增加，电磁干扰增大。 软开

13、关技术降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。 25、硬开关：开关中电压和电流不为零，出现重叠。 电压、电流变化快，波形明显过冲，引起开关噪声。 硬开关过程，26，软开关：在原电路中添加了小电感、电容器等谐振元件，在开关过程前后导入谐振，消除了电压、电流的重叠。 降低开关损失和开关噪声。软开关的开关过程，27、零电压接通开关接通之前，两端的电压为零接通也不会产生损失或噪音。 如果在零电流断开开关被关断之前零被关断，则不会发生损失或噪声。 将零电压断开和开关并联连接的电容器，可以减慢开关断开后的电压上升速度，减少断开损失。 零电流接通和开关串联的电感减慢了开关接通后电流上升的速度，降低了接

14、通损失。 如果不指定接通或断开，则仅称为零电压开关和零电流开关。 通过电路中的谐振来实现。28、1.4转换器结构、29、1、电感为蓄电设备，除了作为一个设备存在于转换器中之外，还存在寄生电感，例如负载的寄生电感、配电系统的导线的自感、变压器和电动机的漏电感。 电感的电压电流关系，因为在时间内流过大电感的电流被认为是常数，所以在时间内大电感的模型可以用电流源代替。、30、2、电容电容也是一个蓄电设备，在逆变器中作为一个设备存在，同时也存在变压器的匝间电容和层间电容、二极管、晶体管、晶闸管等内部的固有电容等寄生电容。 电容器的电压电流关系，如果以定电流充电的话，能写入定电流源对电容器充电的话，电容

15、器的两端电压线性增加。 因为时间上大容量的电压可以认为是常数，所以dt时间上大容量的模型可以用电压源代替。31、3、电源转换器的能量由输入电源提供，电源有电压源、电流源等各种分割方法的直流电源，交流电源总是提供一定幅度的电压的电源称为直流电压源(dc voltage source )。 根据交流电源的相数，交流电源还分为单相交流源、三相交流源、多相交流源。 32、电压源和电流源如图18所示。 电压源的端子电压是流过该电流的函数，一般来说正端子中有电流流过，但有时电流会反方向流过，所以端子电压与电源内部的电压的振幅和波形不同。 因为理想的电压源的源极阻抗为零，所以其端子电压和电流没有关系。 来自

16、电流源的电流与端子电压有关：端子电压或正或负，端子电流在振幅和波形上与电源内部电流不同。 因为理想的电流源的源极阻抗无限大，所以流过其端子的电流与端子电压无关。 图1-8的电压源和电流源、33、5、电力电子部件的电力电子部件在电力电路中(主电路)作为开关起作用。 理想开关是，开关接通，电流流过时，其端子电压为零的开关断开，电流为零时。 换言之，理想的开关损耗为零，即，导通损耗为零，关断损耗为零，开关损耗为零。 双向开关(bidirectional switch )是在开关接通时电流双向流过的例如斩波器。 电力电子设备有无双的开关，但是两个单向开关可以反向并联连接。 双极开关在开关关断时可承受前

17、向电压和反向电压，例如为斩波器(choper )、晶闸管(siliconcontrolledrectifier : SCR )。 unidirectional单极开关的大部分功率半导体器件是二极管、晶体管等单极开关。 开关控制信号是阈值电压或电流，超过该阈值时导通，也是电压或电流的脉冲信号。 34、晶闸管时代(从1957年开始)，晶闸管SCR(Silicon Controlled Rectifier )可以通过栅极控制来接通，但不能通过栅极控制来断开，是半控制型设备。 晶闸管的电气性能和控制性能很好，很快就取代了水银整流器和换流单元，应用范围也迅速扩大了。 电化学工业、铁路电力机车、钢铁工业(轧制用电气传动、感应加热等)、电力工业(直流输电、无效补偿等)的迅速发展也有力地推进了晶闸管的进步。 电力电子技术的概念和基础是通过晶闸管和晶闸管变流器技术的发展而确立的。 晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。 晶闸管的关断通常通过网格电压等外部条件来实现。 现在，其能承受的电压、电流容量在现在的设备中最高，并且动作可靠，所以在很多大容量的情况下大量使用SCR。