现代电力电子技术基础.ppt

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1、现代电力电子技术现代电力电子技术 Modern Power Electronics Technology大连理工大学 李国锋2011年8月1目录目录n n第1章 概述n n第2章电力电子器件n n第3章 AC-DC变换n n第4章 DC-DC变换n n第5章 DC-AC变换n n第6章 AC-AC变换n n第7章 PWM控制技术 n n第8章几种应用设计2第一章第一章 电力电子技术综述电力电子技术综述n n引言引言引言引言n n1.1 1.1 1.1 1.1 简单的变换器简单的变换器简单的变换器简单的变换器n n1.21.2理想开关和实际开关理想开关和实际开关n n1.31.31.31.3变换

2、器分类变换器分类变换器分类变换器分类n n1.4 1.4 1.4 1.4 变换器组成变换器组成变换器组成变换器组成n n1.51.51.51.5变换器中电感电容连接变换器中电感电容连接变换器中电感电容连接变换器中电感电容连接n n1.6 1.6 1.6 1.6 变换器的希望特性和考核指标变换器的希望特性和考核指标变换器的希望特性和考核指标变换器的希望特性和考核指标n n1.7 1.7 1.7 1.7 变换器保护变换器保护变换器保护变换器保护3n n电力电子技术（电力电子技术（Power Electronics TechnologyPower Electronics Technology）是研究

3、电能变换原理及）是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。n n电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是效率问题，对于信息处电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是效率问题，对于信息处理电路来说，效率大于理电路来说，效率大于15%15%就可以接受，而对于电力电子技术而言，就可以接受，而对于电力电子技术而言，大功率装置效率低于大功率装置效率低于85%85%还是无法忍受。目前能源问题已是我国面临还是无法忍受。目前能源问

4、题已是我国面临的主要问题之一，提高电源变换效率是电力电子工程师主要任务。的主要问题之一，提高电源变换效率是电力电子工程师主要任务。n n随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。性能的作用。n n功率半导体器件是现代电力电子技术（功率半导体器件是现代电力电子技术（Mod

5、ern Power ElectronicsModern Power Electronics）的基）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（千瓦的高压直流输电（High Voltage DC TransmissionHigh Voltage DC Transmission）系统。）系统。引言引言4电力电子技术的应用领域主要有：电力电子技术的应用领域主要有：n n大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量和增加效率为主要目标。和增加效率为主要目标。n n

6、电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采用电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采用电力电子技术来完成电机的速度、转矩、跟随性电力电子技术来完成电机的速度、转矩、跟随性等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及的应用领域。的应用领域。n n高压直流输电。高压直流输电。n n电源变换。它的发展主要以增加效率和提高控制电源变换。它的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、电性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机等控制。等控制。n n无功功率补

7、偿。无功功率补偿。51.1 简单的变换器简单的变换器 如果您需要从如果您需要从12V12V获得一个直流电获得一个直流电源源3.3V3.3V，可能想到采用分压器实现，可能想到采用分压器实现，如图如图1-1a1-1a所示。所示。若若R=1KR=1K，可以算出，可以算出R2=0.379KR2=0.379K，运，运用电工学中所学的知识，可得到所设用电工学中所学的知识，可得到所设计的电源等效内阻为：计的电源等效内阻为：等效电路如图（等效电路如图（b b）所示，输出特）所示，输出特性显然这个电源在没有电流输出时，性显然这个电源在没有电流输出时，其输出电压为其输出电压为3.3V3.3V；有电流输出时，；有电

8、流输出时，其输出电压为其输出电压为 I IO O为输出电流或负载电流。为输出电流或负载电流。iVo3.3V1-1分压器、电压跟随器及输出特性o6 可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。7n n从效率方面看从效率方面看 这个电路当输出电流为零时，电路损耗这个电路当输出电流为零时，电路损耗 ，这，这些能量通过电阻转化为热。当输出电流为些能量通过电阻转化为热。当输出电流为5mA

9、5mA时，此时输时，此时输出电压出电压 输出功率输出功率 。n n电压跟随器电路电压跟随器电路 显然其输出电压较分压器稳定的多，电路中除了电阻损耗显然其输出电压较分压器稳定的多，电路中除了电阻损耗外，另附加了晶体管损耗：外，另附加了晶体管损耗：在大功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上，这些热在大功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上，这些热量必须通过散热器散掉，其效率也很低。量必须通过散热器散掉，其效率也很低。8 通过上述分析，可以看出变换器设计必须考虑至少两个方面问题：n n输出参数（电压）的稳定问题；输出参数（电压）的稳定问题；n n变换效率问题；效率很低的变换电路几乎变换效率问题；效率很低

10、的变换电路几乎没有应用价值。没有应用价值。9n n周期性的导通和截止直流电源，形周期性的导通和截止直流电源，形成了方波电压，方波电压通过滤波成了方波电压，方波电压通过滤波后得到直流电压，在周期恒定时，后得到直流电压，在周期恒定时，控制导通时间就可控制输出电压，控制导通时间就可控制输出电压，如图如图1-21-2所示。所示。n n假定开关是理想开关，则损耗为零，假定开关是理想开关，则损耗为零，效率大大增加，这就是现代电力电效率大大增加，这就是现代电力电子技术中采用的开关工作模式。子技术中采用的开关工作模式。n n现代电力电子技术中的所有半导体现代电力电子技术中的所有半导体器件都工作于饱和导通和截止

11、两种器件都工作于饱和导通和截止两种工作状态，极力避免工作于放大状工作状态，极力避免工作于放大状态，这也是和信号电路的又一本质态，这也是和信号电路的又一本质区别。区别。图1-2 PWM原理101.21.2理想开关和实际开关理想开关和实际开关一般认为满足如下条件就是理想开关：n n开关处于关断状态时能够承受高的端电压，并且漏电流为零；n n开关处于导通状态时能够流过大电流，并且此时端电压（导通电压）为零；n n导通、关断切换时所需的开关时间为零；即使反复地开关也不老化。n n小信号也能导通、关断，对信号延迟时间为零。11 电力半导体器件不是理想器件，实际开关特电力半导体器件不是理想器件，实际开关特

12、性关断时能承受的端电压是有限的，关断时的阻性关断时能承受的端电压是有限的，关断时的阻抗也不是无穷大，总有漏电流流过，产生关断损抗也不是无穷大，总有漏电流流过，产生关断损耗。导通时能够流过的电流是有限的，导通时阻耗。导通时能够流过的电流是有限的，导通时阻抗也不为零，正向导通电压和电流的乘积产生导抗也不为零，正向导通电压和电流的乘积产生导通损耗。通损耗。从关断到导通以及从导通到关断的时间也不是从关断到导通以及从导通到关断的时间也不是零，这时的电压和电流乘积产生开关损耗。零，这时的电压和电流乘积产生开关损耗。由于端电压有限，所以在需要耐高压时，需要由于端电压有限，所以在需要耐高压时，需要将电力半导体

13、器件串联；同时由于流过的最大电将电力半导体器件串联；同时由于流过的最大电流有限，在需要流过大电流时，需要将电力半导流有限，在需要流过大电流时，需要将电力半导体器件并联。体器件并联。12 需要指出的是，采用理想开关并不是可以解决一切问题，如果出现了理想开关，也是只解决了损耗问题，与此同时会面临新的问题：如由于理想开关在零时间内完成开通和关断，即零时间强制切换大电流，di/dt将非常大，由于分布电感，会产生大的过压，因此抑制这个过压的安装技术改善是非常重要。131.3变换器分类变换器分类 图1-3 变换器分类14 图图1-31-3为一个单输入单输出变换器，电源可为一个单输入单输出变换器，电源可以是

14、直流，也可以是交流，可以是电压源，也可以是直流，也可以是交流，可以是电压源，也可以是电流源；负载可以是电感、电容或电阻，也以是电流源；负载可以是电感、电容或电阻，也可以是有源负载或者是把电能转化成其它能量形可以是有源负载或者是把电能转化成其它能量形式的装置；式的装置；VcVc是具有输出变量特征的控制信号，是具有输出变量特征的控制信号，输入和输出侧的电压或电流波形可以单相，也可输入和输出侧的电压或电流波形可以单相，也可以是三相或多相形式，变换器由开关、电感、电以是三相或多相形式，变换器由开关、电感、电容和变压器组成，开关包含两端开关（如二极管）容和变压器组成，开关包含两端开关（如二极管）和三端开

15、关（如和三端开关（如SCRSCR）。）。为了方便分析，假定这些器件都是理想器件，为了方便分析，假定这些器件都是理想器件，即具有线性、非时变特征，开关的电压和电流容即具有线性、非时变特征，开关的电压和电流容量满足要求。量满足要求。151 DC-AC1 DC-AC变换器变换器逆变器逆变器 将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。图图1-4 1-4 基本的单相或三相基本的单相或三相dc-acdc-ac变换电路变换电路16 基本电路如图基本电路如图1-41-4（a a）所示，通过采用一个开关把直）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流

16、源，输出波形为脉动直流波流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。输出为正弦波形。三相输出通过采用三个开关完成，如图三相输出通过采用三个开关完成，如图1-41-4（b b）所示。）所示。三个开关轮流导通三个开关轮流导通120120度，输出三相度，输出三相120120度直流脉动波形。度直流脉动波形。交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-

17、ACDC-AC变换变换技术研究的主要内容。技术研究的主要内容。DC-AC DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPSUPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒、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，它们输出交流频率从频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz50Hz到到1MHz1MHz不等。不等。172 AC-DC变换器整流器 将单相或多相交流电源变换成一个直流电源称将单相或多相交流电源变换成一个直流电源称之为整流，这种装置成为整流器（之为整流，这种装置成为整流器（RectifierRecti

18、fier）。）。图图1-5 1-5 两种整流电路两种整流电路18 基本电路如图基本电路如图1-51-5（a a）(b)(b)所示。图所示。图1-51-5（a a）中交流电源通过二极管整流，二极管阳极承受正电中交流电源通过二极管整流，二极管阳极承受正电压时导通，承受负电压时截止，因此称二极管为不压时导通，承受负电压时截止，因此称二极管为不受控或极性控制开关。二极管后的波形包含交流成受控或极性控制开关。二极管后的波形包含交流成分和直流成分，交流成分称之为纹波，因此在二极分和直流成分，交流成分称之为纹波，因此在二极管之后需要滤波电路。管之后需要滤波电路。图图1-51-5（b b）中用开关取代了二极管

19、，其主要特）中用开关取代了二极管，其主要特点是可以在输入交流波形的任何时刻进行开关，而点是可以在输入交流波形的任何时刻进行开关，而不是和二极管那样阳极正电压时导通负电压时截止。不是和二极管那样阳极正电压时导通负电压时截止。因此可以控制输出电压的交流分量和直流分量，滤因此可以控制输出电压的交流分量和直流分量，滤波电路仍然需要。波电路仍然需要。AC-DC AC-DC变换器应用范围很广，典型如电池充电，变换器应用范围很广，典型如电池充电，直流电机驱动，高压直流输电，风力发电等。直流电机驱动，高压直流输电，风力发电等。193 DC-DC变换器 将直流电源变换成一路或多路直流电源称之为将直流电源变换成一

20、路或多路直流电源称之为DC-DCDC-DC变换。变换。DC-DC DC-DC变换器也可以由变换器也可以由DC-ACDC-AC变换器和变换器和AC-DCAC-DC变换器串变换器串联取得，输入直流电压首先逆变为高频率的联取得，输入直流电压首先逆变为高频率的ACAC，接着把，接着把ACAC通过整流变换成通过整流变换成DCDC。在在DC-DCDC-DC变换器中，频率提高可以减轻体积重量，如变换器中，频率提高可以减轻体积重量，如果需要输入和输出隔离，频率提高也可以减小变压器的重果需要输入和输出隔离，频率提高也可以减小变压器的重量，同时提高输入和输出电压的变化范围。量，同时提高输入和输出电压的变化范围。图

21、图1-6 1-6 具有隔离变压器的具有隔离变压器的dc-dcdc-dc变换器变换器204 AC-AC变换器 将一个交流电源（单相或多相）变换成另一将一个交流电源（单相或多相）变换成另一个交流电源（单相或多相，同频率或不同频率）个交流电源（单相或多相，同频率或不同频率）称之为称之为AC-ACAC-AC变换。变换。输出频率低于输入电压频率的输出频率低于输入电压频率的AC-ACAC-AC变换器称变换器称之为周波变换器（之为周波变换器（Cyclo-convweterCyclo-convweter），其输出频），其输出频率一般是输入电源频率的几分之一。率一般是输入电源频率的几分之一。电源频率和输出频率相

22、同的电源频率和输出频率相同的AC-ACAC-AC变换器称之变换器称之为交流控制器。为交流控制器。另一种另一种AC-ACAC-AC变换器由变换器由ac-dcac-dc变换器和变换器和dc-acdc-ac变变换器串联而成，从而得到希望的输出电压幅度、换器串联而成，从而得到希望的输出电压幅度、频率和相数。这样的频率和相数。这样的AC-ACAC-AC变换器称之为变换器称之为DC-Link DC-Link ac-acac-ac变换器，这种变换器输出频率与输入电源频变换器，这种变换器输出频率与输入电源频率无关。率无关。21 图图1-7 1-7 基本的基本的 AC-AC AC-AC变换和变换和DC-Link

23、 AC-ACDC-Link AC-AC变换变换225 软开关与硬开关 提高变换器工作频率可以减小变换器体积，但增加工作频率会大大增加变换器损耗，降低变换器效率，为了同时提高变换器效率和减小变换器体积，软开关技术应运而生。所谓软开关技术，是指电力电子器件导通或关断时损耗为零的技术，与此相应若导通或关断时损耗不为零则为硬开关。23现代电力电子装置的发展趋势发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。24硬开关：硬开关：开关过程中

24、电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。硬开关的开关过程t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程uiP0uituuiiP0025软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程软开关的开关过程26n n零电压开通零电压开通n n开关开关开通开通开通开通前其两端前其两端电压电压电压电压为零为零开通时不会产生损耗和噪声。开通时不会产生损耗和噪声。n n零电流关断零电流关断n n开关开关关断关断关断关断前其

25、前其电流电流电流电流为零为零关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。n n零电压关断零电压关断n n与开关与开关并联并联并联并联的的电容电容电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。降低关断损耗。n n零电流开通零电流开通n n与开关与开关串联串联串联串联的的电感电感电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和零电流开关零电流开关。靠电路中的谐振来实现。271.4 变换器组成变换器组成281 1、电感、电感 电感是储能器件

26、，除了作为一个器件存在于变换器中，同时还有寄电感是储能器件，除了作为一个器件存在于变换器中，同时还有寄生电感，如负载的寄生电感，配电系统中导线的自感，变压器和电机生电感，如负载的寄生电感，配电系统中导线的自感，变压器和电机的漏感。的漏感。电感的电压电流关系为：电感的电压电流关系为：在在 时间内，流过一个大电感的电流可以认为是常数，这是因为：时间内，流过一个大电感的电流可以认为是常数，这是因为：因此，可以认为在因此，可以认为在 时间内，大电感的模型可用电流源代替。时间内，大电感的模型可用电流源代替。292、电容 电容也是一个储能器件，在变换器中作为一个器电容也是一个储能器件，在变换器中作为一个器

27、件存在，同时还存在寄生电容，如变压器中的匝件存在，同时还存在寄生电容，如变压器中的匝间电容和层间电容，二极管、晶体管、晶闸管等间电容和层间电容，二极管、晶体管、晶闸管等内部的固有电容。电容的电压电流关系为：内部的固有电容。电容的电压电流关系为：当以恒定电流充电时，可写为当以恒定电流充电时，可写为 即恒流源向电容充电时，电容两端电压线性增加。即恒流源向电容充电时，电容两端电压线性增加。在在 时间内，大电容的电压可以认为是常数：时间内，大电容的电压可以认为是常数：因此，可以认为在因此，可以认为在dt dt 时间内，大电容的模型可以时间内，大电容的模型可以用电压源代替。用电压源代替。303、电源 变

28、换器的能量由输入电源提供，电源可以有多种划分方法，如：电压源，电流源；直流电源，交流电源；总是提供恒定幅度电压的电源称为直流电压源（dc voltage source）。基于交流电源的相数多少，交流电源可进一步划分为：单相交流源，三相交流源，多相交流源。31电压源和电流源，如图电压源和电流源，如图1-81-8所示。所示。电压源端电压是流过其电流的函数：电压源端电压是流过其电流的函数：一般情况下电流流出正端子，但有时电流反向流动，因一般情况下电流流出正端子，但有时电流反向流动，因此，端电压在幅度和波形上与电源内部电压不同。理想此，端电压在幅度和波形上与电源内部电压不同。理想电压源的源阻抗为零，因

29、此其端电压和电流无关。电压源的源阻抗为零，因此其端电压和电流无关。电流源流出的电流与其端电压有关：电流源流出的电流与其端电压有关：端电压或正或负，端电流在幅度和波形上与电源内部电端电压或正或负，端电流在幅度和波形上与电源内部电流不同。理想电流源的源阻抗无穷大，因此流出其端子流不同。理想电流源的源阻抗无穷大，因此流出其端子的电流与端电压无关。的电流与端电压无关。图1-8 电压源和电流源325 5、电力电子器件、电力电子器件n n电力电子器件在功率电路中（主电路）起着开关作用。理电力电子器件在功率电路中（主电路）起着开关作用。理想开关就是：当开关导通、流过电流时，其端电压为零；想开关就是：当开关导

30、通、流过电流时，其端电压为零；当开关关断、流过电流为零。就是说理想开关损耗为零，当开关关断、流过电流为零。就是说理想开关损耗为零，即通态损耗为零、断态损耗为零和开关损耗为零。即通态损耗为零、断态损耗为零和开关损耗为零。n n双向开关（双向开关（bidirectional switchbidirectional switch），就是开关在通态时电流可），就是开关在通态时电流可以双向流动，如闸刀。电力电子器件中无双向开关，但可以双向流动，如闸刀。电力电子器件中无双向开关，但可以用两个单向开关反并联组成。以用两个单向开关反并联组成。n n双极性开关（双极性开关（bipolar switchbipol

31、ar switch），就是开关在断态时既可以承），就是开关在断态时既可以承受正向电压也可以承受反向电压，如闸刀、可控硅受正向电压也可以承受反向电压，如闸刀、可控硅（Silicon Controlled Rectifier:SCRSilicon Controlled Rectifier:SCR）。）。n n单向（单向（unidirectionalunidirectional）单极性（）单极性（unipolarunipolar）开关，几乎所有的）开关，几乎所有的电力半导体器件均为单向单极性开关，如二极管、晶体管电力半导体器件均为单向单极性开关，如二极管、晶体管等。等。n n开关控制信号可能是一个门

32、槛电压或电流，超过这个门槛开关控制信号可能是一个门槛电压或电流，超过这个门槛就导通，也可能是一个电压或电流的脉冲信号。就导通，也可能是一个电压或电流的脉冲信号。33晶闸管时代（1957年开始）晶晶闸闸管管 SCR(Silicon SCR(Silicon Controlled Controlled RectifierRectifier)可可通通过过门门极极控控制制开开通通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。晶晶闸闸管管因因其其电电气气性性能能和和控控制制性性能能优优越越，很很快快取取代代了了水水银银整整流流器器和和旋旋转转变变流流机机组组，应应用用范

33、范围围也也迅迅速速扩扩大大。电电化化学学工工业业、铁铁道道电电气气机机车车、钢钢铁铁工工业业（轧轧钢钢用用电电气气传传动动、感感应应加加热热等等）、电电力力工工业业（直直流流输输电电、无无功功补补偿偿等等）的的迅迅速速发发展展也也有有力力地地推推动动了了晶晶闸闸管管的的进进步步。电电力力电电子子技技术术的的概概念念和和基基础础就就是是由由于于晶晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现 。目目

34、前前由由于于其其能能承承受受的的电电压压、电电流流容容量量仍仍是是目目前前器器件件中中最最高高的的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCRSCR。34全控型器件时代（70年代后期）GTOGTO 可关断晶闸管可关断晶闸管以以 BJT(GTR)BJT(GTR)电力双极型晶体管电力双极型晶体管 为代表：为代表：Power-MOSFETPower-MOSFET 电力场效应管电力场效应管这这些些器器件件可可以以通通过过门门极极（或或栅栅极极、基基极极）控控制制开开通通和关断。和关断。同时，这些器件可以达到的开关频率均较高。同时，这些器件可以达到的开关频

35、率均较高。这些器件大大推进了电力电子技术的发展。这些器件大大推进了电力电子技术的发展。和和SCRSCR电电路路的的相相位位控控制制方方式式相相对对应应，全全控控型型器器件件电电路路常常 使使 用用 脉脉 冲冲 宽宽 度度 调调 制制（PWM PWM Pulse Pulse Width Width ModulationModulation）方式进行控制。方式进行控制。35复合型器件（80年代后期）vv以以绝绝缘缘栅栅极极双双极极型型晶晶体体管管（Insulated Insulated Gate Gate Bipolar Bipolar TransistorTransistor IGBTIGBT）

36、为为 代代 表表,IGBTIGBT是是 电电 力力 场场 效效 应应 管管（MOSFETMOSFET）和和 双双 极极 结结 型型 晶晶 体体 管管（Bipolar Bipolar Junction Junction TransistorTransistorBJTBJT）的复合。的复合。vv它它集集MOSFETMOSFET的的驱驱动动功功率率小小、开开关关速速度度快快的的优优点点和和BJTBJT通通态态压压降降小小、载载流流能能力力大大的的优优点点于于一一身身，性性能能十十分分优优越越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。使之成为现代电力电子技术的主导器件。vv与与 IGBTIGBT相相 对对

37、 应应，MOSMOS控控 制制 晶晶 闸闸 管管（MOS MOS Controlled Controlled TransistorTransistorMCTMCT）和和集集成成门门极极换换流流晶晶闸闸管管（Intelligent Intelligent Gate-Commutated Gate-Commutated ThyristorThyristor IGCTIGCT）等等 都都 是是 MOSFETMOSFET和和GTOGTO的的复复合合，它它们们也也综综合合了了MOSFETMOSFET和和GTOGTO两两种种器器件件的的优点优点。36vv功率模块功率模块功率模块功率模块（Power Mod

38、ulePower Module）：）：为了使电力电子装置的为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。很大的方便。vv功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路（Power Power Integrated Integrated CircuitCircuitPICPIC）：把把驱驱动动、控控制制、保保护护电电路路和和功功率率器器件件集集成成在在一一起起，构构成成功功率率集集成成电电路路（PICPIC）。目目前前其其功功率

39、率都都还还较较小小，但但代代 表表了电力电子技术发展的一个重要方向了电力电子技术发展的一个重要方向 。vv智智智智能能能能功功功功率率率率模模模模块块块块（Intelligent Intelligent Power Power ModuleModuleIPMIPM）则则专专指指IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱驱动动电电路路的的单单片片集集成成，也称也称智能智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。）。vv高压集成电路高压集成电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage Integrated CircuitH

40、igh Voltage Integrated CircuitHVICHVIC）：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。成。vv智能功率集成电路智能功率集成电路智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power Integrated CircuitSmart Power Integrated CircuitSPICSPIC）：）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。的单片集成。376 6、变压器变压器n n变压器在变换器中是通过磁耦合把电能从一个电路传输到变压器在变换器中是通过磁耦

41、合把电能从一个电路传输到另外其它电路中去，同时改变了电路电压，但传输过程中另外其它电路中去，同时改变了电路电压，但传输过程中电压或电流波形的频率不会改变，当然直流电压不能通过电压或电流波形的频率不会改变，当然直流电压不能通过变压器传输，能量守恒定律适用于变压器。变压器传输，能量守恒定律适用于变压器。n n变压器由磁芯、骨架和绕组组成，磁芯构成闭合磁路，绕变压器由磁芯、骨架和绕组组成，磁芯构成闭合磁路，绕组至少两个以上，分别称为原边绕组和副边绕组或初级和组至少两个以上，分别称为原边绕组和副边绕组或初级和次级绕组。两个绕组的变压器如图次级绕组。两个绕组的变压器如图1-101-10所示，绕组线圈上所

42、示，绕组线圈上的点表示电压极性相同，称为同名端。由于闭合磁路中磁的点表示电压极性相同，称为同名端。由于闭合磁路中磁通通 相等，线圈电压、匝数和磁通关系式为：相等，线圈电压、匝数和磁通关系式为：n n由能量守恒定律，变压器输入能量由能量守恒定律，变压器输入能量n n等于输出能量：等于输出能量：图图1-10 1-10 变压器变压器387、负载n n负载可以分为：负载可以分为：n n阻性负载；其模型可用纯电阻代替，纯电阻负载阻性负载；其模型可用纯电阻代替，纯电阻负载的变换器一般在低频工作，如加热器、电炉、烤的变换器一般在低频工作，如加热器、电炉、烤箱等。箱等。n n感性负载；主要由电感组成。感性负载

43、；主要由电感组成。n n容性负载；如电容、激光、显示器等。容性负载；如电容、激光、显示器等。n n直流电流负载；如恒转距应用的直流电机。直流电流负载；如恒转距应用的直流电机。n n直流电压负载；如恒转速应用的直流电机、电池直流电压负载；如恒转速应用的直流电机、电池充电过程。充电过程。n n交流电压负载；如恒转速应用的感应同步电机。交流电压负载；如恒转速应用的感应同步电机。n n交流电流负载；如恒转距应用的感应同步电机。交流电流负载；如恒转距应用的感应同步电机。398 8、控制器、控制器n n目前的控制器主要有两大类，专用芯片和微型计目前的控制器主要有两大类，专用芯片和微型计算机。所谓专用芯片也

44、称为适合特定用途的算机。所谓专用芯片也称为适合特定用途的ICIC，目前有许多公司相继开发出了应用于不同用途的目前有许多公司相继开发出了应用于不同用途的控制芯片，专用芯片的特点是控制简单容易，控控制芯片，专用芯片的特点是控制简单容易，控制规律采用硬件实现。制规律采用硬件实现。n n目前控制系统中常用的微控制器有单片机和目前控制系统中常用的微控制器有单片机和DSPDSP等。等。401 1、变换器中电感连接、变换器中电感连接n n电感电流的突然变化会引起电感电流的突然变化会引起 ，从而导致电感两端产，从而导致电感两端产生很高的电压，也影响到电路中相关的元件。但反过生很高的电压，也影响到电路中相关的元

45、件。但反过来，电感两端加上一个有限的电压却不能引起电感中来，电感两端加上一个有限的电压却不能引起电感中电流的瞬间跳变，电流的瞬间跳变，即电感中电流是连续的。即电感中电流是连续的。即电感中电流是连续的。即电感中电流是连续的。n n因此，在电力电子变换器中，电感和单向开关不能串因此，在电力电子变换器中，电感和单向开关不能串接在一起，万一需要这种连接，开关断开时，必须提接在一起，万一需要这种连接，开关断开时，必须提供电感电流连续的通道。开关两端反并联一个二极管供电感电流连续的通道。开关两端反并联一个二极管可以为串连的电感提供一个电流通道，电感反并联一可以为串连的电感提供一个电流通道，电感反并联一个二

46、极管也可为电感提供电流通道，这个二极管称之个二极管也可为电感提供电流通道，这个二极管称之为续流二极管（为续流二极管（free-wheeling diodefree-wheeling diode）。）。1.5变换器中电感电容连接变换器中电感电容连接41n n如果周期性的激励包含电感的电路，则在稳态时如果周期性的激励包含电感的电路，则在稳态时（steady-state conditionsteady-state condition）一个周期内电感两端的）一个周期内电感两端的平均电压为零。这是因为如果电感两端的平均电平均电压为零。这是因为如果电感两端的平均电压非零，那么电感电流将增大到无穷大，所以：

47、压非零，那么电感电流将增大到无穷大，所以：n n稳态时，周期结束时的电感电流与周期开始时的稳态时，周期结束时的电感电流与周期开始时的电感电流相等。因为：电感电流相等。因为：n n所以：所以：422、变换器中电容连接n n电容两端电压的突然变化，会引起无穷大的 ，从而导致非常大的电流流进或流出电容，但反过来，非常大的电流流进或流出电容，却不会引起电容电压的瞬间跳变，即电容两端的电压是连续的。即电容两端的电压是连续的。n n因此，在电力电子变换器中，电容和单向开关不能并接在一起，无论何时需要这种连接，开关断开时，必须提供阻塞二极管与电容串接在一起，防止万一开关闭和形成短路。43n n如果周期性的激

48、励包含电容的电路，则在稳态时一个周期如果周期性的激励包含电容的电路，则在稳态时一个周期内流出和流入电容的平均电压为零。这是因为如果流出流内流出和流入电容的平均电压为零。这是因为如果流出流入电容的平均电流非零，那么电容电压将泵升到无穷大，入电容的平均电流非零，那么电容电压将泵升到无穷大，所以：所以：n n与电感一样，稳态时，周期结束时的电容电压与周期开始与电感一样，稳态时，周期结束时的电容电压与周期开始时的电容电压相等。因为：时的电容电压相等。因为：n n电容中储存的能量：电容中储存的能量：n n一般说来，如果构成电容的介质是运动的，则电容值是时一般说来，如果构成电容的介质是运动的，则电容值是时

49、间的函数，但对固定电容来讲，为常数间的函数，但对固定电容来讲，为常数，因此因此441.6 变换器特性和指标变换器特性和指标 变换器工作有两个阶段：变换器工作有两个阶段：:瞬态阶段（瞬态阶段（transient phasetransient phase）和稳）和稳态阶段（态阶段（steady-state phasesteady-state phase）。在瞬态阶段，电压和电流波）。在瞬态阶段，电压和电流波形每个周期都会发生变化；而在稳态阶段，每个周期所有形每个周期都会发生变化；而在稳态阶段，每个周期所有波形都相同。波形都相同。1 1、变换器应具有如下特征：、变换器应具有如下特征：n n输出电压（

50、电流）和给定值和波形相同；输出电压（电流）和给定值和波形相同；n n输出电压（电流）对负载、输入电压（电流）和器件参数输出电压（电流）对负载、输入电压（电流）和器件参数变化不敏感；变化不敏感；n n输入电源失真最小，输出电压（电流）失真最小；输入电源失真最小，输出电压（电流）失真最小；n n控制灵敏，控制范围大；控制灵敏，控制范围大；n n功耗最小，瞬态阶段阻抗最大；功耗最小，瞬态阶段阻抗最大；n n储能最少。储能最少。45 2、瞬态部分主要考虑：n n输入电源的瞬态电流。输入电源的瞬态电流。n n输出短路时的输入电源电流；输出短路时的输入电源电流；n n冲击（浪涌冲击（浪涌 surge su