電力電子技術(shù)課本

TOC\o"1-5"\h\z第一章電力電子器件41．1概述41．2電力二極管51．2．1普通二極管51．2．2快恢復(fù)二極管51．2．3肖特基二極管61．3晶閘管61．3．1普通晶閘管61.3.2快速晶閘管(FastSwitchingThyriso—FST)81.3.3雙向晶閘管(TRIAC)81.3.4逆導(dǎo)晶閘管(RCT)81.3.5光控晶閘管(LTT)91.3.6門極可關(guān)斷晶閘管GTO91.3.7MOS控制晶閘管101.3.8集成門極換向型晶閘管(IGCT)111.3.9靜電感應(yīng)晶閘管SITH124晶體管121.4.1功率場效應(yīng)晶體管121.4.2絕緣柵雙極晶體管IGBT134.3靜電感應(yīng)晶體管SIT15第二章電力電子控制技術(shù)16直流斬波電路16降壓斬波電路16升壓斬波電路17升降壓斬波電路181.4Cuk斬波電路192.1.5Sepic斬波電路和Zeta斬波電路212整流電路(AC-DC)23三相半波可控整流電路23三相半控橋式整流電路242.3三相全控橋式整流電路262.3逆變電路(DC-AC)282.4交交變頻(AC-AC)302.4.1AC—AC變換的典型電路314.2交交變頻和交直交變頻的比較335PWM控制的基本原理34第三章電力電子技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用371變頻器373.2電子電源392.1開關(guān)電源393.2.2不間斷電源(UPS)413.2.3感應(yīng)加熱電源433電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用453.3.1發(fā)電系統(tǒng)463．3．2輸電系統(tǒng)483．3．3配電系統(tǒng)64前言電力電子技術(shù)又稱為功率電子技術(shù)，它是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的方法和手段，是當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革新和技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎(chǔ)，并成為節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約、提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了電工技術(shù)、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門學(xué)科。而20世紀(jì)90年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到不足1W的手機(jī)電池充電器，電力電子技術(shù)的應(yīng)用隨處可見。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，電廠發(fā)電效率，降低了能源的消耗，方便了人們的生活，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。各個(gè)電力電子設(shè)備的生產(chǎn)廠家形成了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)群體，是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也有長足的發(fā)展，例如高壓直流輸電（HVDC）、靜止無功補(bǔ)償（SVC）、大型發(fā)電機(jī)靜止勵(lì)磁、抽水蓄能機(jī)組的軟啟動(dòng)、超高壓交流輸電線的可控串聯(lián)補(bǔ)償（TCSC）等等。電力電子技術(shù)是電力系統(tǒng)中發(fā)展最快、最具活力的組成部分。電力電子裝置與傳統(tǒng)的以機(jī)械式開關(guān)操作的設(shè)備相比，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制方便、靈活的特點(diǎn)，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約運(yùn)行成本方面具有很大的潛力。最近，電力系統(tǒng)的研究發(fā)展的熱點(diǎn)—靈活交流輸電系統(tǒng)就是以電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用為主要的技術(shù)手段，以改進(jìn)和提高電力系統(tǒng)的可控性和靈活性為主要目的的。各種用戶的特制電力供電方式也離不開電力電子技術(shù)。第一章電力電子器件1．1概述電力電子器件與普通半導(dǎo)體器件一樣，目前它所采用的主要材料仍然是單晶硅，但由于電壓等級和功率要求不一樣，制造工藝也有所不同。以開關(guān)方式應(yīng)用于主電路之中，對電能進(jìn)行變換和控制的半導(dǎo)體器件稱為電力電子器件。其主要特點(diǎn)為：（1）電力電子器件具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長、耗電省、耐振性好等優(yōu)點(diǎn)。（2）與用于電力電子電路的半導(dǎo)體器件相比，由于電力電子器件直接用于電力電路，所以承受電壓、電流的能力是它的重要參數(shù)，提高它所能處理電功率的能力是電力電子器件制造和應(yīng)用的首要問題。（3）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，目的是為了減少本身的損耗，高效地完成對電能的變換與控制。（4）實(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件還需要控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及必要的散熱措施等，才能構(gòu)成一個(gè)完整的電力電子系統(tǒng)。近50年來，電力電子器件經(jīng)歷了非常迅猛的發(fā)展，從大功率電力二極管、半控型器件晶閘管到導(dǎo)通關(guān)斷都可控的全控型器件，從驅(qū)動(dòng)功率較大的電流控制器件到驅(qū)動(dòng)功率很小的電壓控制器件，從低頻開關(guān)倒高頻開關(guān)，從低壓小功率到高壓大功率，各種電力電子器件如表1所示，對其可從以下三個(gè)角度進(jìn)行分類。表1各種類型的電力電子器件類型名稱中文名稱英文名稱分立器件不可控器件電力二極管PowerDiode半控型器件晶閘管（可控硅）Thyristor(SCR)全控型器件電流控制器件電力晶體管（雙極型晶體管）GTR(BJT)門極可關(guān)斷晶閘管GTO電壓控制器件電力場效應(yīng)晶體管PowerMOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT場控晶體管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)晶閘管SITH集成模塊功率模塊PowerModule單片集成模塊SystemonaChip智能功率模塊IPM1．2電力二極管電力二極管(PowerDiode)通常也被稱為半導(dǎo)體整流管(SemiconductorRectifier—SR)或者電力整流管，在20世紀(jì)50年代初期獲得應(yīng)用，成為出現(xiàn)最早、結(jié)構(gòu)最簡單的電力電子器件，至今仍廣泛應(yīng)用于各種電力電子設(shè)備中。具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管在不同的電路中起著不同的作用，例如在交流—直流變換中作為整流器件，在電感濾波及具有電感元件的電路中作為續(xù)流元件，在晶閘管逆變電路中作為反向充電和能量傳輸元件，在各類變換器中作為隔離、箝位、保護(hù)元件等。由二極管的工作速度來決定，它的適應(yīng)范圍，如在共頻整流電路中，基本上對二極管開關(guān)速度沒有什么要求，而在高頻變流器中就必須采用恢復(fù)時(shí)間短的二極管。依次二極管可分為三類：普通二極管、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。如圖1.1所示。1．2．1普通二極管普通二極管多用于1kHz以下的整流電路中，由于工作頻率低，反向恢復(fù)時(shí)間并不重要，一般為25us左右。電流定額由小于1A到樹百安，電壓等級從50V到高達(dá)5kHz.1．2．2快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管也稱為開關(guān)二極管，這類二極管的反向恢復(fù)時(shí)間通常小于5us，適用于高頻下的斬波和逆變電路。高于400V的快恢復(fù)二極管常用擴(kuò)散法制造，用摻金或鉑控制反向恢復(fù)時(shí)間t的大小。用外延法制造的二極管具有更快的開n關(guān)速度，使恢復(fù)時(shí)間可低于50ns，叫做超快恢復(fù)二極管。由于工藝上的差別它們的正向電壓特性也略有不同。1．2．3肖特基二極管肖特基二極管是肖特基勢壘二極管的簡稱，又稱為面壘二極管，常用SBD表示。SBD是通過金屬與半導(dǎo)體接觸而構(gòu)成的。當(dāng)它們接觸后，電子就從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散，結(jié)果在半導(dǎo)體一側(cè)形成空間電荷區(qū)、內(nèi)電場和勢壘。金屬和半導(dǎo)體之間的接觸勢壘就是肖特基勢壘。在外電壓的作用下，SBD也表現(xiàn)出單向?qū)щ姷奶匦?。但是，SBD在正向?qū)〞r(shí)，N型區(qū)中的電子是流到金屬中而不是流到P型半導(dǎo)體中，因此不存在擴(kuò)散電容的問題。恢復(fù)時(shí)間僅是勢壘電容的充放電時(shí)間。其反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于相同定額的結(jié)型二極管，而且反向恢復(fù)時(shí)間與反向di/dt無關(guān)，正向壓降較小，漏電流較大，電壓定額較低。圖1.1(a圖1.1(a)普通二極管(b)快恢復(fù)二極管(b)肖特基二極管(d)大功率二極管1.3晶閘管1.3.1普通晶閘管普通晶閘管曾稱為硅可控整流器，簡稱可控硅，為方便起見往往仍沿用SCR表示普通晶閘管。SCR是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線的半導(dǎo)體器件，外形有兩種形式：螺栓形和平板形，如圖1.2所示。

圖1．2螺栓形和平板形晶閘管在螺栓形晶閘管中，螺栓一端是陽極A,使用時(shí)將該端用螺母固定在散熱器上;另一端有兩條引線：粗引線是陰極K，細(xì)引線是門極G。其散熱是用兩個(gè)互相絕緣的散熱器把器件緊夾在中間，由于散熱效果較好，容量較大的SCR都采用平板式結(jié)構(gòu)。AK晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖1.3所示。GfciNPNAK晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖1.3所示。GfciNPNSAG圖1.3晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a）雙晶體管模型b）工作原理如在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看作由PNP和NPN構(gòu)成的兩個(gè)112122晶體管V和V組合而成的。如果外電路向門極注入電流I，也就是注入驅(qū)動(dòng)電TOC\o"1-5"\h\z12G流，則I流入晶體管V的基極，即產(chǎn)生集電極電流I，它構(gòu)成晶體管V的基極G2C21電流，放大成集電極電流I，又進(jìn)一步增大了V的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的C12正反饋，最后V和V進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路12注入門極的電流I,晶閘管由于內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反饋會仍然維持導(dǎo)通狀G態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關(guān)斷。所以，對晶閘管的驅(qū)動(dòng)過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流I的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制G其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。1.3?2快速晶閘管(FastSwitchingThyrisor—FST)快速晶閘管(如圖1.4)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應(yīng)用于400kHz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。由于對普通晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。從關(guān)斷時(shí)間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微妙，快速晶閘管為樹十微妙，而高頻晶閘管則為10us左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1?3?3雙向晶閘管(TRIAC)雙向晶閘管可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成，它有兩個(gè)主電極T和T,一個(gè)門極G。門極使器件在主電極的正反方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向12晶閘管在第I和第II象限有對稱的伏安特性。雙向晶閘管與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，而且控制電路比較簡單，所以在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用比較多。由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值表示其額定電流值。1.3.4逆導(dǎo)晶閘管(RCT)逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一關(guān)芯上的功率集成器件，這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正向壓降小、關(guān)段時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流由兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是與之反并聯(lián)的二極管的電流。1.3?5光控晶閘管（LTT）光控晶閘管又稱觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子，大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。1.3.6門極可關(guān)斷晶閘管GTO普通晶閘管由于耐壓高、電流大和相對較強(qiáng)的過載能力，在高壓大功率領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)廣泛應(yīng)用。但由于晶閘管是半控型器件，當(dāng)用于斬波、無源逆變等直流輸入電壓的變流器中，就存在器件如何關(guān)斷（即換流）這一突出問題。為此必須附加強(qiáng)迫換流電路，使得裝置復(fù)雜、笨重、效率低。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，在普通晶閘管基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種自關(guān)斷電力電子器件一門極可關(guān)斷晶閘管GTO。GTO也可看作是晶閘管的派生器件，主要應(yīng)用于大功率領(lǐng)域。GTO的電壓、電流容量比其他全控型器件大，但它的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)難度大、價(jià)位高、使其推廣受到限制。GTO的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)特性與普通晶閘管類似，也為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的三端器件，其電氣符號與實(shí)物圖如圖1.5所示。為便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷，與SCR不同，GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含著數(shù)百個(gè)小GTO元。這些小GTO元的陽極共有，陰極由數(shù)百個(gè)細(xì)長小條并聯(lián)在一起，周圍被門極所包圍，以減小門極和陰極之間的距離，即陰極呈島狀結(jié)構(gòu)。陰極寬度越窄、門極與陰極距離越短，越有利于關(guān)斷。它們的門極、陰極單獨(dú)引線，分別并聯(lián)在一起。組成一個(gè)GTO器件的所有GTO元特性應(yīng)一致，否則先開通和后關(guān)斷GTO元由于電流集中通過它們而燒毀。GKGK圖1.5（a）GTO電氣符號（b）GTO實(shí)物照片GTO的開通過程與晶閘管非常相似，也可采用如圖3所示的雙晶體管模型來分析。a為PNP晶體管的共基極電流放大倍數(shù)，a為NPN晶體管的共基極電流11122221放大倍數(shù)。當(dāng)a+a>1時(shí)，兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通而使GTO導(dǎo)通。a+a二1時(shí)1212的陽極電流為臨界導(dǎo)通電流，定義為GTO的掣住電流。只有當(dāng)陽極電流大于掣住電流后GTO才能維持大面積導(dǎo)通。GTO與晶閘管的最大區(qū)別就在于導(dǎo)通后a+a12不同，晶閘管常為1.15左右，而GTO則非常接近于1。因此，GTO處于臨界飽和狀態(tài)，這位通過控制門極關(guān)斷GTO提供了有利條件。當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對門極施加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成-I，相當(dāng)于將I的GC1電流抽出，使NPN晶體管的基極電流減小，I隨之減小，PNP晶體管基極電流的C2減小又使I和I減小,這是一個(gè)正反饋過程。當(dāng)I和I減小使得a+a<1時(shí)，AC2C1C212晶體管退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通的條件而關(guān)斷。GTO關(guān)斷時(shí)，隨著陽極電流的下降，陽極電壓逐步上升，因而關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗較大。1．3．7MOS控制晶閘管MOS控制晶閘管是MOSFET和SCR的復(fù)合器件。MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速開關(guān)過程的特性與晶閘管的高壓大電流、低導(dǎo)通壓降特性結(jié)合在一起，成為20世紀(jì)80年代末最熱門的器件之一。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管(三者組成SCR)、一個(gè)控制該晶體管開通的MOSFET(ON-FET)和一個(gè)控制該晶體管關(guān)斷的MOSFET(OFF-FET)。ON-FET連接在PNP晶體管的射、集極之間，OFF-FET連接在PNP晶體管的基、射極之間，這兩組MOSFET的柵極連接在一起，構(gòu)成MCT門極。MCT采用雙門極控制，當(dāng)門極相對于陽極加負(fù)脈沖電壓時(shí)，ON-FET導(dǎo)通，從而使MCT導(dǎo)通。當(dāng)門極相對于陽極加正脈沖電壓時(shí)，OFF-FET導(dǎo)通，從而使MCT關(guān)斷。使MCT觸發(fā)導(dǎo)通的門極負(fù)脈沖一般為-5?-15V,使其關(guān)斷的門極正脈沖電壓幅值一般為+10V。MCT的靜態(tài)特性與SCR一樣，可承受反向電壓，但它是一種新型的自關(guān)斷場控器件，驅(qū)動(dòng)電路要簡單的多。目前，MCT有三種結(jié)構(gòu)：MCT、BRT及EST。其中，MCT和BRT強(qiáng)迫流過MOSFET溝道以達(dá)到MOS柵控制的目的，其正向安全工作區(qū)與IGBT相當(dāng)，但通態(tài)壓降稍高。因此，EST是制造MCT的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。目前已研制出3KV的高壓MCT,并有很低的通態(tài)壓降(約為IGBT的1/3)。MCT的優(yōu)點(diǎn)有：電壓、電流容量大，目前水平為阻斷電壓3000V，峰值電流1000A，最大電流關(guān)斷密度為6000A/cm2;通態(tài)壓降小，約為1.1V，僅為IGBT通態(tài)壓降的1/3；開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，開通時(shí)間為200ns,可以在2us時(shí)間內(nèi)關(guān)斷1000V電壓；工作溫度高，其溫度受限于反向漏電流，上限值可達(dá)250?270.C；MCT即使關(guān)斷失敗，器件也不會損壞；當(dāng)工作電壓超過安全工作區(qū)時(shí)，MCT可能失效，可用簡單的熔斷器件進(jìn)行短路保護(hù)；MCT容易串并聯(lián)實(shí)用，以滿足更大功率的要求。MCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件，但是，經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)沒有大的突破，而與此同時(shí)其競爭對手IGBT卻進(jìn)展飛速，所以目前從事MCT研究和開發(fā)的人不多。1.3.8集成門極換向型晶閘管（IGCT）為了適應(yīng)高電壓大功率的需要，國內(nèi)外開展了新型功率開關(guān)器件IGCT的研究工作，IGCT的全稱是集成門極換向型晶閘管，是在IGCT和GTO成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上,專門為高電壓大功率場合而設(shè)計(jì)的功率開關(guān)器件，它將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種期間的優(yōu)點(diǎn)，即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗，IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓咼、開關(guān)頻率咼、可靠性咼、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外，IGCT還具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn)，有極好的應(yīng)用前景。IGCT是GCT（門極換向型晶閘管）和集成門極驅(qū)動(dòng)電路的合稱。當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，是一個(gè)類似于晶閘管的正反饋開關(guān)，其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，GCT門一陰極PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置，并有效地退出工作，整個(gè)期間呈晶體管方式工作。圖1.6各種封裝形式的IGCTGCT關(guān)斷時(shí)，通過打開一個(gè)與陰極串聯(lián)的開關(guān)（通常是MOSFET）,使P基極-N發(fā)射極反偏，從而迅速阻止陰極注入，將整體的陽極電流強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為門極電流（通常在1us內(nèi)），這樣便把GTO轉(zhuǎn)化為一個(gè)無接觸基區(qū)的NPN晶體管，消除了陰極發(fā)射極的正反饋?zhàn)饔?，GTO也就均勻關(guān)斷，而且沒有載流子收縮效應(yīng)。這樣，它的最大關(guān)斷電流比傳統(tǒng)GTO的額定電流高出許多。由于GCT在增益接近1時(shí)關(guān)斷，因此，保護(hù)性的吸收電路可省去。IGCT的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)如下：采用緩沖層，使芯片所需的厚度減少，相應(yīng)地降低導(dǎo)通和關(guān)斷損耗；采用透明發(fā)射極技術(shù)。大大降低了門極觸發(fā)功率，并縮短了關(guān)斷時(shí)間；采用低電感的安裝結(jié)構(gòu)和門極驅(qū)動(dòng)電路，具有良好的開關(guān)性能。圖1.6是各種封狀形式的IBCT。IGCT的典型應(yīng)用有：①串聯(lián)應(yīng)用。與GTO相比，IGCT的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是存儲時(shí)間短，因而在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，各個(gè)IGCT關(guān)斷時(shí)間的偏差極小，其分擔(dān)的電壓會較為均衡,所以適合大功率應(yīng)用。在鐵路用100MV.A轉(zhuǎn)換控制網(wǎng)絡(luò)的輸出級中，采用了12個(gè)IGCT，每組6個(gè)串聯(lián)，直流中間電路電壓額定值為10KV，輸出電流為1430A；②牽引逆變器。由于牽引領(lǐng)域的廣泛需要，逆導(dǎo)IGCT發(fā)展很快，IGCT可無吸收關(guān)斷，比GTO逆變器更加緊湊。在目前已成功應(yīng)用的IGCT三相逆變器中，只需要di/dt限制電路，門極驅(qū)動(dòng)電源在中心放置，進(jìn)一步減小了逆變器的體積。IGCT在GTO技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了重大改進(jìn)，采用硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在整體結(jié)構(gòu)上集成了門極驅(qū)動(dòng)電路和反并聯(lián)二極管，省去了吸收電路，易于串聯(lián)應(yīng)用。IGCT兼具了GTO和IGBT的優(yōu)點(diǎn)：電流容量大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于集成、損耗低，適合于中電壓大功率應(yīng)用場合。IGCT的生產(chǎn)工藝與GTO完全兼容，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮β势骷?．3．9靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH誕生于1972年，是在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到的。因?yàn)槠涔ぷ髟硪才cSIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管。由于比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)，因而SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH—般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。1．4晶體管1．4．1功率場效應(yīng)晶體管功率MOSFET的類型功率場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型，柵極是由多晶硅制成的，它同基片之間隔著SiO薄層，因此它同其它兩個(gè)極之間是絕緣的。2這樣一來，只要SiO層不被擊穿，柵極對源極之間的阻抗是非常高的。結(jié)型功2率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(SIT)。根據(jù)載流子的性質(zhì)，功率MOSFET可分為P溝道和N溝道兩種類型，符號與實(shí)物如圖1.7所示。(a)(b)(c)圖1.7功率MOSFET的符號(a)N溝道(b)P溝道(c)實(shí)物圖片它由三個(gè)電極：柵極G、源極S、漏極D。N溝道中的載流子是電子，P溝道中的載流子是空穴。其中每一種類型又可以分為增強(qiáng)型和耗盡型。增強(qiáng)型MOSFET在U=0時(shí)，無導(dǎo)電溝道，漏極電流1=0;耗盡型MOSFET在U=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已GSDGS存在。功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。工作原理當(dāng)漏、源極間加正向電壓，柵、漏極間U=0時(shí)，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成GS的PN結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過。如在柵源極間加正電壓U，柵極是絕緣GS的，所以不會有柵極電流流過，但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子一電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)U>U(U為開啟電壓或GSTT閾值電壓)時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電，流過漏極電流。1.4.2絕緣柵雙極晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是一種復(fù)合型電力半導(dǎo)體器件。它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，具有耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。IGBT制造技術(shù)成熟，自20世紀(jì)80年代初問世以來，已發(fā)展到第四代產(chǎn)品，在電機(jī)控制、中頻和開關(guān)電源，以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域備受青睞。(1)IGBT的結(jié)構(gòu)原理IGBT是從功率MOSFET發(fā)展而來，圖1.8給出了一種由N溝道MOSFET與雙極晶體管復(fù)合而成的IGBT基本結(jié)構(gòu)、符號、等效電路和實(shí)物照片。由圖可知，IGBT與N溝道MOSFET結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多一個(gè)P+層發(fā)射極，形成PN結(jié)J1,由此引出集電極；發(fā)射極和柵極與N溝道MOSFET類似。IGBT可按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和N-漂移區(qū)之間的N+層。有N+緩沖區(qū)稱為非對稱型IGBT，也稱為穿透型IGBT；無2緩沖區(qū)稱為對稱型IGBT，也稱為非穿透型IGBT。由于其結(jié)構(gòu)的不同，器件的性能也有所不同，非對稱型IGBT反向阻

斷能力弱，但正向阻斷能力強(qiáng)，但正向壓降低，關(guān)斷時(shí)間短，關(guān)斷尾部電流??；對陳型IGBT具有正、反向阻斷能力，但特性不及非對稱的IGBT。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR(PNP型)，其簡化等效電路如圖5(b)所示，等效電路中Rd是厚基區(qū)GTR基區(qū)內(nèi)的dr擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。圖5(b)為以GTR形式表示的IGBT符號，若以MOSFET形式表示,的集電極稱為漏極、發(fā)射極稱為源極發(fā)射極柵極CGE'緩沖區(qū)注入?yún)^(qū)集電極E1丿|\.CGE'緩沖區(qū)注入?yún)^(qū)集電極E1丿|\.N+丿IIN+丿kN+|J3J2N-N+P+/漂移區(qū)也可將IGBT(b)(d)(c)也可將IGBT(b)(d)圖1.8(a)IGBT的結(jié)構(gòu)(b)簡化等效電路(c)電氣圖形符號(d)大功率IGBT以上所示PNP晶體管與N溝道MOSFET組合而成的IGBT稱為N溝道IGBT，相應(yīng)的，改變半導(dǎo)體的類型可制成P溝道IGBT，即MOSFET為P溝道，GTR為NPN型，其符號和N溝道IGBT箭頭方向相反。(2)工作原理IGBT的開通與關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。以N溝道IGBT為例，柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴（少子）對N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少了N-區(qū)的總電阻，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極施以負(fù)壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。1．4．3靜電感應(yīng)晶體管SITSIT誕生于1970年，實(shí)際上是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合，目前已在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等某些專業(yè)領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。但是SIT在柵極不加任何信號是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這也被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。第二章電力電子控制技術(shù)2?1直流斬波電路2.1.1降壓斬波電路斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動(dòng)勢，如圖Em所示，圖中在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。工作原理如圖2.1:t=0時(shí)V導(dǎo)通，E向負(fù)載供電，u二E，i按指數(shù)曲線上升；00t=t］時(shí)V關(guān)斷，i經(jīng)VD續(xù)流，u近似為零,i呈指數(shù)曲線下降，為使i連續(xù)且0000脈動(dòng)小，通常使L值較大。TDTD圖2.1a）降壓斬波電路的原理圖UtGEc）電流斷續(xù)時(shí)的波形b）電流連續(xù)時(shí)的波形日￥方

數(shù)里關(guān)糸：電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值一UtGEc）電流斷續(xù)時(shí)的波形b）電流連續(xù)時(shí)的波形日￥方

數(shù)里關(guān)糸：電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值一tontU—onE=onot+1Tonoffa導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?2-1)U最大為E,減小U最大為E,減小0

Converter）。負(fù)載電流平均值U-EI=om

oR若負(fù)載中L值較小，載電流斷續(xù)的情況，u0R,<U隨之減小降壓斬波電路，也稱為Buck變換器（Buck0（2-2）則在V關(guān)斷后，負(fù)載電流在提前衰減到零，因此會出現(xiàn)負(fù)平均值會被抬高，但是一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。斬波電路三種控制方式:（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖調(diào)寬型——T不變，調(diào)節(jié)tonon（2）頻率調(diào)制或調(diào)頻型——t不變，改變Tonon（3）混合型一一t和T都可調(diào)，使占空比改變on2．1．2升壓斬波電路工作原理如圖2假設(shè)電路中L值、C值很大。當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒為I,同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓u為恒值，10記為U。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為t，此階段L上積蓄的能量為EIt；V處于斷0on1on態(tài)時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V關(guān)斷的時(shí)間為t，則此期間off電感L釋放能量為（U”-E）11toff。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，即2-3)2-4)Elt=（U-E）It2-3)2-4)1ono1offTOC\o"1-5"\h\zt+1T化簡得：U=onofE=E化簡得：ottoffoff上式中的，T/1>1輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boostoff變換器。式中T/1表示升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變U,將升壓比的倒數(shù)記作，即卩off0tB二ofP和導(dǎo)通占空比a有如下關(guān)系：乂+卩=1[[（2-5）U=E=E、因此，式（2-4）可表示為：Uo卩匸疋（2-6）升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因，L儲能之后具有使電壓泵升的作用，電容C可將輸出電壓保持住。升壓斬波電路目前的典型應(yīng)用，一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，二是用作單相功率因數(shù)校正電路，三是用于其他交直流電源中。2．1．3升降壓斬波電路Ra)b)tRa)b)t圖2．3升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形設(shè)L值很大，C值也很大，使電感電流i和電容電壓即負(fù)載電壓U基本為恒值。lo工作原理如圖2.3：當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯存能量，此時(shí)電流為i。同C1維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正,2與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓u對時(shí)間的積分為零，即l(2-7)E哎處于通商期間，

onooffu=E；l而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，u=—uo于是：l0(2—8)所以輸出電壓為:E哎處于通商期間，

onooffu=E；l而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，u=—uo于是：l0(2—8)所以輸出電壓為:tonTof廠丫廠a_E=onE=ET-t1-aon(2—9)改變a，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<a<lf'2時(shí)為降壓當(dāng)12<aV1時(shí)為升壓因此稱作升降壓斬波電路或稱之為buck-boost變換器。0<a2.1.4Cuk斬波電路圖2.4所示為Cuk斬波電路的原理圖及其等效電路。IllE彳/V\7VDu?oCL2TYY\a)RR圖2．4Cuk斬波電路及其等效電路當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—L一V回路和R—L—C一V回路分別流過電流，當(dāng)V處于12斷態(tài)時(shí)，E一L一C一VD回路和R—L一VD回路分別流過電流，輸出電壓的極性與12電源電壓極性相反，等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對時(shí)間的積分為T零，即1iCdt二0（2-10）0C在圖3-5b的等效電路中，開關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間t,則on電容電流和時(shí)間的乘積為It。開關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間t,2onoff則電容電流和時(shí)間的乘積為It。由此可得121=1/卅1off2on1off（2-11）ItT—t1—a從而可得J2=嚴(yán)=t"=—廠（2-12）1onon當(dāng)電容C很大使電容電壓U的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓U與輸入電壓E的關(guān)c0系可用以下方法求出：當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓U=0，A點(diǎn)電壓U二-U；當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí),BACU=U，U=0，因此，B點(diǎn)電壓U的平均值為U=tfU（U為電容電壓BCABBTCc

u的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以ctE=U=^OfU。TOC\o"1-5"\h\zBTCt另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為U二辛U，且L的電壓平均值為零，按圖oTC23-5b中輸出電壓U的極性，有u=-fonU。于是可得出輸出電壓U與電源oatCo電壓E的關(guān)系：ttaU=onE=onE=EotT—t1—aoffon（2-13）這一輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時(shí)的情況相同。優(yōu)點(diǎn)（與升降壓斬波電路相比）：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。2?1.5Sepic斬波電路和Zeta斬波電路圖2．5分別給出了Sepic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖。RRb）RRb）圖2?5Sepic斬波電路和Zeta斬波電路a）Sepic斬波電路b）Zeta斬波電路Sepic斬波電路的基本工作原理是：當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—L—V回路和C—V11—L回路同時(shí)導(dǎo)電，L和L貯能。V處于斷態(tài)時(shí)，E—L—C1—VD—負(fù)載（C和R）21212回路及L—VD—負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C211充電，C貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L轉(zhuǎn)移。12Sepic斬波電路的輸入輸出關(guān)系由下式給出：TOC\o"1-5"\h\ztta2-14)U=onE=onE=E2-14)otT—t1—aoffonZeta斬波電路也稱雙Sepic斬波電路，其基本工作原理是：在V處于通態(tài)期間，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L貯能，同時(shí)，E和C共同向負(fù)載R供電，并向C112充電。待V關(guān)斷后，L經(jīng)VD向C沖電，其貯存的能量轉(zhuǎn)移至C。同時(shí)，C向負(fù)1112載供電，L的電流則經(jīng)VD續(xù)流。2Zeta斬波電路的輸入輸出關(guān)系為：2-15)兩種電路相比，具有相同的輸入輸出關(guān)系°Sepic電路中，電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸入、輸出濾波，反之，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。2?2整流電路（AC-DC）整流電路按器件組成可分為不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路：按電網(wǎng)相數(shù)可分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路；按接線方式可分為半波整流電路和全波整流電路等等。有源逆變電路可以看成是整流電路的另外一種工作方式，同一套整流裝置既可工作在整流狀態(tài)，又可工作在逆變狀態(tài)。2?2?1三相半波可控整流電路圖2?6為三相半波可控整流電路：000W"t0￡TT2TTWtIT]T3T1T2T3T1U-TTUTT0W"t0￡TT2TTWtIT]T3T1T2T3T1U-TTUTTLIIUon-UrSinwt■jnb）圖2?6三相半波可控整流電路圖a）電路b）波形（LR）它可以看成是由三個(gè)單相半波可控整流電路通過三個(gè)晶閘管共陰極接法構(gòu)成的，三個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖互差1200。在三相電路中，通常規(guī)定?t=600為觸發(fā)角a的起算點(diǎn)，下面分析帶大電感時(shí)的工作情況。在et=兀.，'6+a時(shí)刻觸發(fā)a相晶閘管￡導(dǎo)通，a相電壓力加到負(fù)載上，片管通過負(fù)載電流(i0),片管道通一直持續(xù)到b相晶閘管T2被觸發(fā)為止。在et=5k/6+a時(shí)刻觸發(fā)b相晶閘管T，T管立即加上反向電壓TOC\o"1-5"\h\z(ub=u-ub)而關(guān)斷，負(fù)載電流也就立即轉(zhuǎn)移到T管，負(fù)載被施加以b相電abanbn2壓，這種情況一直持續(xù)到c相晶閘管T被觸發(fā)為止。3在et=3兀；2+?時(shí)刻觸發(fā)c相晶閘管T，貝VT管立即加上反向電壓32(u=u-u)而關(guān)斷，負(fù)載電流也就立即轉(zhuǎn)移到T管，c相電壓加到負(fù)載上，bcbncn3直到a相晶閘管T再一次被觸發(fā)為止。1從上述分析可知：在負(fù)載電流連續(xù)情況下，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)電角均為2^/3。在晶閘管支路不存在電管情況下，晶閘管之間的電流轉(zhuǎn)移是瞬間完成的。負(fù)載上出現(xiàn)的電壓波形是相電壓波形。未導(dǎo)通晶閘管所承受的電壓是線電壓而不是相電壓。整流輸出電壓的脈動(dòng)頻率為3f。2．2．2三相半控橋式整流電路abD1iD2iDiciaT3iabD1iD2iDiciaT3inbcD1D3/■D2大電感負(fù)載具有續(xù)流二極管的三相半控橋式整流電路圖，如圖2．7：iT1a)a0wtw~t0吃to0b)w-fciL,D3Ta.E-gTl.Blw七30"3爾a0wtw~t0吃to0b)w-fciL,D3Ta.E-gTl.Blw七30"3爾3"-2"=3"唱+C1w~tFoT7圖2．7三相半控橋式整流電路圖及其波形a）電路b）波形（?LR）在?LR情況下，可忽略負(fù)載電流的脈動(dòng)。晶閘管的脈沖互差1200。三個(gè)晶閘管為共陰極接法，三個(gè)整流管為共陽極接法?，F(xiàn)假定觸發(fā)角為a，因此在血=兀沖+a時(shí)刻觸發(fā)a相.管道通時(shí)，必然是c相整流管D1導(dǎo)通，因?yàn)榇藭r(shí)c相電位最低，于是uac出現(xiàn)在負(fù)載上，負(fù)載電流（i）通過耳和D］管流通，直至⑹=7兀/6為止，此時(shí)u=0。過后，T管加上反壓，11ac1續(xù)流二極管D導(dǎo)通，負(fù)載電流轉(zhuǎn)到D管。若無續(xù)流二極管，T管道通時(shí)間要一直1延續(xù)到b相I?管被觸發(fā)導(dǎo)通為止，因此，在7兀：6<wt<5k/'6+a期間，負(fù)載電流自動(dòng)地通過T和D續(xù)流。12到g=5k/6+a時(shí)，b相T管被觸發(fā)導(dǎo)通，同時(shí)a相整流管D也導(dǎo)通，于是uf22ba電壓加到負(fù)載上，同時(shí)續(xù)流二極管D被加上反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載電流-通過T和D管流通，直到至ot=11k/6為止，此時(shí)u。過后，T管加上反向電壓12-ba=02（u變負(fù)），續(xù)流二極管D又導(dǎo)通，負(fù)載電流轉(zhuǎn)到D管。ba同理，分析可知，c相丁彳管在01=9?！?+a時(shí)刻導(dǎo)通，一直持續(xù)到ot=5心2。

在這期間UM電壓出現(xiàn)在負(fù)載上。其它分析同上。2．2．3三相全控橋式整流電路三相全控橋式整流電路在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，其電路圖如圖2．8biT1a)Ud/nbiT1a)Ud/n-4in0it*7Di“「.UIDinJb）圖2．8三相全控橋式整流電路a）電路b）波形圖（LR）將三相半控橋式整流電路中的三個(gè)整流管換成晶閘管就構(gòu)成三相全控橋式整流電路，T,T和T三個(gè)晶閘管按共陰極聯(lián)結(jié)，T,T和T三個(gè)晶閘管按共陰135246極聯(lián)結(jié)。這六個(gè)晶閘管的觸發(fā)次序按6-1-2-3-4-5-6的順序循環(huán)進(jìn)行，而且6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖要互差60。。欲使電源接通到負(fù)載上，任何時(shí)刻都必需有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，因此每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度要延續(xù)超過六分之一電源周期；或是采用雙脈沖觸發(fā)方式，即每發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖之后，間隔60。再發(fā)一個(gè)脈沖。因?yàn)橥M晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位差相差120。，所以晶閘管最大導(dǎo)電角9為120。。而且，每隔60。就有一次換相，所以其整流輸出電壓的脈動(dòng)頻率是電源脈動(dòng)頻率的6倍。下面針對°LR情況進(jìn)行分析。在°t=（?6+a）以前，共陽極組的T6管已導(dǎo)通，這時(shí)觸發(fā)匚管導(dǎo)通。因此，在（兀+a）（兀f'2+a）期間，'和T6管同時(shí)導(dǎo)通，uab電壓加在負(fù)載上。在°t=（兀J2+a）時(shí)刻，觸發(fā)共陽極組的T2管，T6管被加上反向電壓而關(guān)斷。因此，在（兀/2+a）<°t<（5k/6+a）期間.和T2管同時(shí)導(dǎo)通，u電壓加在負(fù)載上。"在°t=5k/6+a時(shí)刻，觸發(fā)共陰極組的T管，T管被加上反向電壓而關(guān)斷。因31此，在（5k/6+a）<°t<（7k,；6+a）期間，和T?管同時(shí)導(dǎo)通，人電壓加在負(fù)載端。從前面分析可知，電路中的晶閘管每隔600換相一次，而同組晶閘管每間隔1200換相一次。對于感性負(fù)載，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)電角總是1200，因?yàn)橐话阖?fù)載電流是連續(xù)的，對于阻性負(fù)載，負(fù)載電流可以連續(xù)，也可以斷續(xù)，此處不再贅述。2?3逆變電路（DC-AC）逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都反并聯(lián)了反饋二極管。電流型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。圖2．9分別是電壓型與電流型的電路拓?fù)鋱D：圖2.9a）串聯(lián)諧振型逆變器（電壓型）b）并聯(lián)諧振型逆變器（電流型）串聯(lián)諧振型逆變器和并聯(lián)諧振型逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的對偶性導(dǎo)致兩種逆變器電路特性，工作波形的對偶關(guān)系，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，如表2：表2串聯(lián)與并聯(lián)逆變器的比較串聯(lián)諧振型逆變器并聯(lián)諧振型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用大電容濾波，恒壓源供電采用大電感濾波，恒流源供電負(fù)載為串聯(lián)諧振電路負(fù)載為并聯(lián)諧振電路功率器件需反并聯(lián)二極管，為諧振電流提供通路功率器件需串聯(lián)二極管，承受諧振電路產(chǎn)生的反向電壓工作特性輸入電壓為直流輸入電流為直流輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波輸出電流為矩形波，輸出電壓近似正弦波一般工作在感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)一般工作在容性準(zhǔn)諧振狀態(tài)電壓源供電，逆變器換流需死區(qū)時(shí)間電流源供電，逆變器換流需重疊時(shí)間優(yōu)缺占八、、電壓源供電，浪涌電流大，短路保護(hù)困難，開路保護(hù)容易電流源供電，電流沖擊小，短路保護(hù)容易，開路保護(hù)相對較難串聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法較少并聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法較靈活串聯(lián)諧振型逆變器對負(fù)載電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求較低，負(fù)載引線可適當(dāng)加長并聯(lián)諧振型逆變器對負(fù)載線路寄生參數(shù)敏感，負(fù)載引線不宜過長功率器件不需要承受反壓功率器件需承受反壓，高速大容量二極管選擇困難調(diào)功方式靈活一般米用調(diào)節(jié)直流電壓調(diào)功2?4交交變頻（AC-AC）交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，由于沒有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于直接變頻電路。交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用的是三相交交變頻電路，三相交交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120度的單相交交變頻電路組成的。電路接線方式:三相交交變頻電路主要有兩種接線方式，即公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。（1）公共交流母線進(jìn)線方式公共交流母線進(jìn)線方式的三相交交變頻電路簡圖，如圖2?10：圖2?10公共交流母圖線4進(jìn)-24線三相交交變頻電路它有三組彼此獨(dú)立的，輸出電壓相位錯(cuò)開120度的單相交交變頻電路構(gòu)成，它們的電源進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組單相交交變頻電路的輸出端必須隔離。為此交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開，共引出六根線。這種電路主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。2）輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式的三相交交變頻電路原理圖，如圖2?11：a）b）圖2?11輸出星形聯(lián)圖結(jié)4-25方式的三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖

三組單相交交變頻電路的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不和變頻器中性點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可。因?yàn)槿M單相交交變頻電路的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線就必須隔離，因此三組單相交交變頻器分別用三個(gè)變壓器供電。、由于變頻器輸出端中點(diǎn)和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流，和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時(shí)導(dǎo)通，而兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時(shí)導(dǎo)通。2.4?1AC—AC變換的典型電路兩組三脈波變流器組成的AC/AC變換器如圖2.12,當(dāng)供給純阻負(fù)載時(shí)，兩組變流器都工作于整流方式。圖2.12三脈波單相負(fù)載AC/AC變換器電路三脈波和六脈波三相負(fù)載AC/AC變換器電路示于圖2.13：b丄一一Ib丄一一Ia)b)圖2.13三相輸出的AC/AC變換器電路a)三脈波三相b)六脈波三相

三脈波三相電路用了18只晶閘管，而六脈波三相電路用了36只晶閘管?？梢夾C/AC變換器在提高脈波數(shù)時(shí)所用的開關(guān)器件是很多的，但因脈波數(shù)提高，輸出電壓波形更加接近正弦波。通常，電網(wǎng)換流的AC/AC變換器的輸出頻率限于電源頻率的1/3以下，因?yàn)檫^高的輸出頻率將帶來諧波增加的壞處。改變基準(zhǔn)正弦波的頻率，就可以改變輸出頻率。改變調(diào)制因子，就可以改變輸出電壓。輸出電壓的峰值取決于變流器所能提供的最大輸出電壓的平均值。此外，值得注意的有兩點(diǎn)：（1）無論負(fù)載是感性的，容性的還是阻性的，網(wǎng)側(cè)電流總是滯后于其相應(yīng)的電壓。（2）網(wǎng)側(cè)基波電流滯后于相應(yīng)電壓的相角彼比負(fù)載的功率因數(shù)角大。AC/AC變換器實(shí)質(zhì)上就是雙重變流器，因此，從控制上，除采用無環(huán)流控制方式外，亦可采用有環(huán)流控制方式。不過環(huán)流工作方式僅在負(fù)載電流較低時(shí)使用，以維持負(fù)載電流的連續(xù)，從而改善負(fù)載電流波形。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，又改換為無環(huán)流控制方式。近年來出現(xiàn)了一種新穎的矩陣式變頻電路，這種電路也是一種直接變頻電路，電路所用的開關(guān)器件是全控型的，控制方式不是相控方式而是斬控方式。圖2.14中，圖a是矩陣式變頻電路的主電路拓?fù)?。三相輸入電壓為Ua,Ub和Uc，三相輸出電壓為Uu,Uv和Uw。九個(gè)開關(guān)器件組成3X3矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路，也被稱為矩陣變換器。圖中每個(gè)開關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向可控開關(guān)，圖b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元。3%厶%a3%厶%aJ'r1s亦厶%r卜」U2Foa)b)圖2.14矩陣變換的等效電路矩陣式變頻電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓為正弦波，輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙向流動(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行，不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。因此，這種電路的電氣性能是十分理想的。矩陣式交一交變換器是一種具有先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)“全硅組成”的功率變換器，其拓?fù)鋱D如圖1-2所示。它由9個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成3X3矩陣陣列。它允許頻率單級變換，無需大容量的貯能元件。能使輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.99以上并可自由調(diào)節(jié)，且與負(fù)載的功率因數(shù)無關(guān)。輸出電壓正弦，輸出頻率、電壓可調(diào)，輸出頻率可高于、低于輸入頻率。此外，它還可以四象限運(yùn)行，功率可雙向流動(dòng)，體積小，效率高，而且符合模塊化發(fā)展方向。2．4．2交交變頻和交直交變頻的比較交直交變頻電路就是先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路。與交直交變頻電路比較，交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)：1）只用一次變流，效率較高2）可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作3）低頻輸出波形接近正弦波缺點(diǎn)是：1）接線復(fù)雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管2）受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低3）輸入功率因數(shù)較低4）輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜交交變頻電路主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場合應(yīng)用。既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)2?5PWM控制的基本原理PWM控制是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同,沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。a)oa)ob)wt圖2.15用PWM波代替正弦半波PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。下面講述PWM逆變電路的控制方法：計(jì)算法和調(diào)制法。根據(jù)講述的PWM控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法?？梢钥闯?，計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率，幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。與計(jì)算法相對應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。當(dāng)調(diào)制信號不是正弦，而是其他所需要的波形時(shí)，也能得到與之等效的PWM波形。實(shí)際中應(yīng)用的主要是調(diào)制法，圖2?16是采用調(diào)制法的逆變電路拓?fù)鋱D：NN圖2．16單相橋式PWM逆變電路三相橋式PWM型逆變電路PWM的調(diào)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種，下面分別對這兩種調(diào)制方式進(jìn)行介紹：在PWM控制電路中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N=fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波比和信號波是否同步及載波比的變化情況，將其分為同步和異步調(diào)制兩種方式。載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中,通常保持載波頻率fc固定不變,因而當(dāng)信號波頻率ft變化時(shí),載波比N是變化的。異步調(diào)制的主要特點(diǎn)是:在信號波的半個(gè)周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱,半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。這樣,當(dāng)信號波頻率較低時(shí)，載波比較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影咱都較小,PWM波形接近正弦波。當(dāng)信號波頻率增高時(shí)，載波比N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少,PWM脈沖不對稱的影響就變大，有時(shí)信號波的微小變化還會產(chǎn)生PWM脈沖的跳動(dòng)，這就使得輸出PWM波和正弦波的差異變大。對于三相PWM型逆變電路來說,三相輸出的對稱性也變差。載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制的主要特點(diǎn)是:在同步調(diào)制方式中，信號波頻率變化時(shí)載波比N不變，信號波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的載波頻率fc也很低，fc過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的載波頻率fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復(fù)雜一些，但使用微機(jī)控制時(shí)還是容易實(shí)現(xiàn)的。有的裝置在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。分段同步調(diào)制是把逆變電路的輸出頻率劃分為若干段,每個(gè)頻段的載波比一定,不同頻段采用不同的載波比。其優(yōu)點(diǎn)主要是,在高頻段采用較低的載波比,使載波頻率不致過高可限制在功率器件允許的范圍內(nèi)；在低頻段采用較高的載波比,以使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。下面對規(guī)則采樣法和自然采樣法進(jìn)行介紹，并對其進(jìn)行比較：按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。自然采樣法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波，但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。規(guī)則采樣法是一種在采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)用的PWM波形生成方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小的多。規(guī)則采樣法的基本思路是:取三角波載波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期，使每個(gè)PWM脈沖的中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合,在三角波的負(fù)峰時(shí)刻對正弦信號波采樣而得到正弦波的值,用幅值與該正弦波值相等的一條水平直線近似代替正弦信號波,用該直線與三角波載波的交點(diǎn)代替正弦波與載波的交點(diǎn),即可得出控制功率開關(guān)器件通斷的時(shí)刻。比起自然采樣法,規(guī)則采樣法的計(jì)算非常簡單,計(jì)算量大大減少,而效果接近自然采樣法,得到的SPWM波形仍然很接近正弦波,克服了自然采樣法難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算,在工程中實(shí)際應(yīng)用不多的缺點(diǎn)。PWM整流電路和相控整流電路的工作原理和性能有何不同?答:PWM整流電路就是采用PWM控制的整流電路,通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制,可以使其輸入電流十分接近正弦波且和輸入電壓同相位,功率因數(shù)接近l。相控整流電路是對晶閘管的開通起始角進(jìn)行控制,屬于相控方式。其交流輸入電流中含有較大的諧波分量,且交流輸入電流相位滯后于電壓,總的功率因數(shù)低。PWM整流電路采用SPWM控制技術(shù),為斬控方式。其基本工作方式為整流,此時(shí)輸入電流可以和電壓同相位,功率因數(shù)近似為l。PWM整流電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng),既可以運(yùn)行在整流狀態(tài),從交流側(cè)向直流側(cè)輸送能量;也可以運(yùn)行在逆變狀態(tài),從直流側(cè)向交流側(cè)輸送能量，而且這兩種方式都可以在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。此外,還可以使交流電流超前電壓900,交流電源送出無功功率,成為靜止無功功率發(fā)生器，或使電流比電壓超前或滯后任一角度。

第三章電力電子技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用電力電子技術(shù)無論對改造傳統(tǒng)工業(yè)（電力、機(jī)械、礦冶、交通、化工、輕紡等），還是對新建高技術(shù)產(chǎn)業(yè)（航天、激光、通信、機(jī)器人等）和高效利用能源均至關(guān)重要。未來應(yīng)用熱點(diǎn)是變頻調(diào)速、電力系統(tǒng)電力電子化、汽車電子、信息、辦公自動(dòng)化、家電用電力電子，牽引用（電力機(jī)車、城市軌道交通車）電力電子、新能源（太陽能、風(fēng)能、燃料電池）逆變裝置等。電力電子裝置主要包括三大類產(chǎn)品：變頻器（也稱“變頻調(diào)速”）、電能質(zhì)量類產(chǎn)品（含無功補(bǔ)償SVC、高壓直流輸電HVDC、柔性交流輸電FACTS等），以及電子電源產(chǎn)品。目前電力電子裝置正朝著高性能化、智能化、全數(shù)字控制、系統(tǒng)化和綠色化（無諧波公害）發(fā)展。我們主要分析電力電子技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用的幾個(gè)領(lǐng)域，包括變頻器、電子電源以及電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用等三大方面。3．1變頻器變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示。圖3.1變頻器的結(jié)構(gòu)簡圖整流部分與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的支流電壓。整流器有兩種基本類型，可控的和不可控的。中間電路有以下3種類型：1、將整流電壓變換成支流電流2、使脈動(dòng)的支流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用3、將整流后固定的支流電壓變換成可變的

支流電壓。逆變器：它產(chǎn)生馬達(dá)電壓的頻率。另外，一些逆變器還可以將固定的支流電壓變換成可變的交流電壓?？刂齐娐罚核鼘⑿盘杺鹘o整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接受來自這些部分的信號。具體被控制的部分取決于各個(gè)變頻器的設(shè)計(jì)。變頻器都是由控制電路利用信號來開關(guān)逆變器的半導(dǎo)器件，這是所有變頻器的共同點(diǎn)。變頻器可以依據(jù)控制輸出電壓的開關(guān)模式來分類。為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器的控制方式有U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式、電壓空間矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式、交一直一交控制（VVVF變頻或矢量控制變頻）方式等。目前使用的變頻器主要采用交一直一交控制方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護(hù)代替熱繼電器?？刂苹芈罚壕哂泄ゎl變頻的手動(dòng)切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切工頻運(yùn)行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。變頻器的種類可以按照電壓、功率和負(fù)載類型來劃分。以電壓為標(biāo)準(zhǔn)，通常把低于690V的定為低壓變頻器市場，譬如220V和380V；高于這個(gè)等級的為中高壓變頻器市場，常見的電壓等級有1,140V、2,300V、3,000/3,300V、4,160V、6,000/6,300/6,600V和10,000V。以功率為劃分標(biāo)準(zhǔn)，變頻器通常劃分為三7.5KW、11-30KW、37-90KW、Z110KW四個(gè)功率段；如果以負(fù)載類型為標(biāo)準(zhǔn)，則劃分為三類：一是提升負(fù)載，主要使用行業(yè)為電梯和起重，此類變頻器需要適應(yīng)頻繁的起停和正反轉(zhuǎn)、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由于是與人直接相關(guān)的作業(yè)，對可靠性有著非常高的要求。這些特點(diǎn)決定了提升負(fù)載是技術(shù)門檻最高的一個(gè)類別。二是機(jī)械負(fù)載，它是變頻器市場最大的一塊，占據(jù)市場的近一半。除了冶金（軋機(jī)等）和造紙

采用較大功率變頻器之外，主要運(yùn)用于配套較小功率變頻器的OEM市場，如紡織機(jī)械、包裝機(jī)械等。機(jī)械負(fù)載對精度有較高的要求，同提升負(fù)載一樣，多采用矢量型變頻器。三是風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，這是最為常見的運(yùn)用類型，負(fù)載較為簡單，技術(shù)要求不高。變頻器被稱為“現(xiàn)代工業(yè)的維生素”，集微電子、電力電子和控制技術(shù)于一體，在節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平等方面，具有突出的作用。變頻器的應(yīng)用很廣泛，在電力、機(jī)械、交通、紡織與化纖、建材、建筑、石油、化工、醫(yī)療、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)以及公用工程（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發(fā)揮著重要作用。3．2電子電源電源包括電子電源和化學(xué)物理電源，與電力電子技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的是電子電源。電子電源就是對公用電網(wǎng)或某種電能進(jìn)行變換和控制，向各種用電負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備。3．2．1開關(guān)電源開關(guān)電源就是通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓的電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。oo圖3.2開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的工作原理是：1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；2?通過高頻PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號控制開關(guān)管，將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初

級上；3?開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾，同時(shí)也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾；在功率相同時(shí)，開關(guān)頻率越高，開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高；開關(guān)變壓器的次級可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭，以得到需要的輸出；一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路，比如空載、短路等保護(hù)，否則可能會燒毀開關(guān)電源。開關(guān)電源由以下幾部分組成：1.主電路：從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括：1）輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。2）整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。3）逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。4）輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2?控制電路：一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的資料，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。3?檢測電路：除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表資料。4?輔助電源：提供所有單一電路的不同要求電源。開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2中的整流電路是把交流電源直接經(jīng)過二極管整流電路和電容C濾波后得到直流電壓片，再由逆變器逆變成高頻交流方波脈沖電壓。由于人耳可聽到的音頻的范圍大體上為20Hz?20KHz,因此逆變器的開關(guān)頻率大多選在20KHz以上，這樣就避免了令人煩躁的噪聲污染。逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器T隔離并變換成適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，再?jīng)過整流和濾波變成所需要的直流輸出電壓u。o當(dāng)交流輸入電壓、負(fù)載等變化時(shí)，直流輸出電壓u也會變化。這時(shí)可以調(diào)o節(jié)逆變器輸出的方波脈沖電壓的寬度，使直流輸出電壓u保持穩(wěn)定。從圖2及o開關(guān)電源的工作原理可以看出，逆變電路時(shí)開關(guān)電源的核心部分。

上述電路結(jié)構(gòu)看起來相當(dāng)復(fù)雜，但其有幾個(gè)突出特點(diǎn)。首先，該電路中期調(diào)節(jié)輸出電壓作用的逆變電路中的電力電子器件都工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗很小，使得電源的效率可達(dá)到90%以上，甚至95%以上。其次，電路中起隔離和電壓變換作用的變壓器T是高頻變壓器，其工作頻率多為20KHz以上。因?yàn)楦哳l變壓器的體積可以做的很小，從而使整個(gè)電源的體積也大為減小。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。3?2?2不間斷電源(UPS)不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。UPS優(yōu)點(diǎn)在于持續(xù)不間斷、穩(wěn)定；另外還起著交流、直流互相轉(zhuǎn)換的作用。從功能上講，UPS可以在市電出現(xiàn)異常時(shí)，有效地凈化市電，還可以在市電突然中斷時(shí)持續(xù)一定時(shí)間給電腦等設(shè)備供電，使工作人員從容應(yīng)對。始終向負(fù)載提供高質(zhì)量的交流電源，達(dá)到穩(wěn)壓.穩(wěn)頻.抑制浪涌.尖峰.電噪音.補(bǔ)償電壓下陷.長期低壓等因素干擾。UPS電源輸出功率從500VA?3000KVA不等°UPS電源按其工作方式可分為后備式UPS和在線式UPS兩大類。后備式UPS電源的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高、噪音低、價(jià)格相對便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大，對供電質(zhì)量要求不高的場合。在線式UPS電源與后備式UPS電源相比,在線式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)對負(fù)載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，且在由市電供電轉(zhuǎn)換到蓄電池供電時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。UPS電源按其輸出波形又可分為方波輸出UPS和正弦波輸出UPS兩種。方波輸出的UPS電源帶負(fù)載能力差(負(fù)載量僅為額定負(fù)載的40?60%),不能帶電感性負(fù)載。如所帶的負(fù)載過大，方波輸出電壓中包含的三次諧波成份將使流入負(fù)載

中的容性電流增大，嚴(yán)重時(shí)會損壞負(fù)載的電源濾波電容。正弦波輸出的UPS電源的輸出電壓波形畸變度與負(fù)載量之間的關(guān)系沒有方波輸出UPS電源那樣明顯，帶負(fù)載能力相對較強(qiáng)，并能帶微電感性負(fù)載。不管哪種類型的UPS電源，當(dāng)它們處于逆變器供電狀態(tài)時(shí)，除非迫不得已，一般不要滿載或超載運(yùn)行，否則會使UPS電源的故障率明顯增多。UPS電源系統(tǒng)由4部分組成：整流、儲能、變換和開關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就像接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。如圖3．3所示，在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)，UPS電源開始工作，由儲能電池供給負(fù)載所需電源，維持正常的生產(chǎn)（如粗黑f所示）；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電（如虛線所示）。UPS電源系統(tǒng)主要分兩大部分，主機(jī)和儲能電池。額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分，并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)閁PS電源對不同性能的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不同，通常負(fù)載功率應(yīng)滿足UPS電源70%的額定功率。當(dāng)負(fù)載功率確定后儲

能電池容量的選取主要取決于其后備時(shí)間的長短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來定，通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。如因生產(chǎn)需要不允許斷電的場合，UPS電源系統(tǒng)在檢測到電網(wǎng)電壓中斷后，可自行啟動(dòng)供電，且隨著儲能電池慢慢放電，儲能電池的容量隨著時(shí)間會逐漸降低，考慮到