電力電子學串講

電力電子學考前串講——主講人：肖建杰2第1章電力電子變換和控制技術導論電力電子學：電力技術，電子技術和控制技術三者結合的交叉學科理想開關的特性：導通電阻為0；關斷電阻為無窮大；狀態(tài)變換的過渡時間為0；脈沖寬度調制PWM：固定開關周期Ts，改變占空比D；脈沖頻率控制PFM：固定通態(tài)時間Ton，改變開關周期Ts；3第1章電力電子變換和控制技術導論開關型電力電子變換器的基本特性：開關型電力電子變換器的核心部分是一組開關電路，輸出電壓和輸入電流都不是理想的；開關型電力電子變換電路的輸入、輸出端需附加濾波電路（通常為LC濾波器），改善輸出電壓和輸入電流的波形；

高頻PWM是改善開關電路輸入電流波形、輸出電壓最有效的技術措施（提高頻率使濾波電路尺寸大幅降低）；常用分析方法——傅立葉變換，狀態(tài)空間平均法；使電力電子開關電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應對稱地安排一個周期中不同的開關狀態(tài)及持續(xù)時間；開關型電力電子變換器的兩類應用：開關型電力電子變換電源開關型電力電子補償控制器4第2章半導體電力開關器件可控性驅動信號符號額定電壓、電流工作頻率飽和壓降二極管不可控無

最大有高有低小晶閘管半控脈沖電流（開通）最大最低小GTO門極可關斷晶閘管全控正、負脈沖電流大較低中

BJT雙極結型晶體管全控正電流中中小IGBT絕緣門極雙極型晶體管全控正電壓較大較高較小P-MOSFET電力場效應晶體管全控正電壓小最高大5第2章半導體電力開關器件電力二極管的重要參數(shù)：額定電壓：最大允許反向重復峰值電壓；額定電流：其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流的平均值；最大允許的均方根正向電流：半波正弦電流的平均值為IFR時，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流Ifrms；反向恢復時間：正向電流為0至反向電流衰減到10%的時間；電力二極管的應用：整流續(xù)流6第2章半導體電力開關器件晶閘管的重要參數(shù)：額定電流IR：其額定發(fā)熱所允許的工頻正弦半波電流的平均值；維持電流IH

：晶閘管被觸發(fā)導通后，在室溫和門極開路條件下，減小陽極電流，使晶閘管維持導通所必需的最小電流；擎住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小陽極電流，通常IL約為IH的2～4倍；斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：在額定結溫和門極開路條件下，使晶閘管保持斷態(tài)所能承受的最大電壓上升率；通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在規(guī)定條件下，晶閘管用門極觸發(fā)導通時，晶閘管能夠承受而不損壞的通態(tài)電流最大上升率。7第2章半導體電力開關器件溫度系數(shù)：MOSFET與IGBT的導通等效電阻具有正溫度系數(shù)，故結溫上升時，電阻增大，電流減小，從而不易局部過熱；（適合并聯(lián)工作）BJT的導通等效電阻具有負溫度系數(shù)，故結溫上升時，電阻減小，電流增大；GCEVgVRRdsRbrT2T1ICABRg擎住效應：Rbr上的電壓過高，使T2導通，IGBT失去關斷能力產(chǎn)生擎住效應的原因：集電極電流IC過大；集電極電壓過高；關斷速度過快；8第2章半導體電力開關器件電力電子開關與機械開關：開關速度；導通壓降，漏電流；9第3章DC/DC變換器10第3章DC/DC變換器Buck電路電路結構：工作原理：11第3章DC/DC變換器主要波形：工作狀態(tài)1：T導通，D關斷工作狀態(tài)2：D導通，T關斷12第3章DC/DC變換器變壓比M變?yōu)椋汗ぷ鳡顟B(tài)3：T關斷，D關斷13第3章DC/DC變換器電容C在一個開關周期內的充、放電電荷為：臨界負載電流輸出電壓波動量：14第3章DC/DC變換器Boost電路主要波形：15第3章DC/DC變換器單端正激電路（隔離型buck電路）：單端——變壓器磁通僅在單方向變化（磁通始終大于0）正激——開關管導通時電源將能量直接傳送給負載16第3章DC/DC變換器***sViLi2i3i1ovLD3N1N2N3D1D2CiSTCBHFDOA開關狀態(tài)1：T導通，N2、D2導電，N3、D1、D3截止iL***VSi2i3ovLD3AN1N2N3D1D2CiSTCHB

F

D開關狀態(tài)2：T關斷，N3、D3、D1導電，N2、D2截止17第3章DC/DC變換器單端反激電路（隔離型buck-boost電路）：單端——變壓器磁通僅在單方向變化反激——開關管導通時，電源將電能轉為磁能儲存在電感中；當開關管關斷時，再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d18第3章DC/DC變換器開關狀態(tài)1：T導通，D截止電源給通過L1給變壓器充電，變壓器磁通增加開關狀態(tài)2：T關斷，D導通變壓器通過L2放電，變壓器磁通減少19第4章DC/AC變換器逆變器的類型：按直流電源類型分：電壓源型、電流源型按輸出電壓性質分：恒頻恒壓CVCF型、變頻變壓VVVF型、脈沖電壓（電流）型按電路結構分：單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式按開關器件及其關斷方式分：自關斷型（全控器件）、強迫關斷型（晶閘管）、電網(wǎng)換流型（有源逆變或負載反電動勢換流）、負載諧振換流型20第4章DC/AC變換器逆變器的輸出性能指標：諧波系數(shù)HF：第n次諧波分量的有效值和基波分量的有效值之比總諧波系數(shù)THD：所有非基波分量的總有效值與基波分量有效值之比THD表征了實際波形與理想基波正弦分量的差異程度21第4章DC/AC變換器畸變系數(shù)DF：各次諧波分量經(jīng)過加權以后的總有效值與基波有效值之比用以評估非正弦周期波形經(jīng)過濾波以后的畸變程度最低次諧波LOH：距離基波頻率最近的諧波22第4章DC/AC變換器單相半橋逆變電路（方波）：電路結構：波形：基波分量有效值：死區(qū)時間：上、下兩管關斷信號與開通信號間的時間間隔23第4章DC/AC變換器單相全橋逆變電路（方波）：電路結構：波形：基波分量有效值：24第4章DC/AC變換器正弦脈沖寬度調制（SPWM）：沖量等效原理：大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（面積），即變量對時間的積分相等，其作用效果相同。調制比M：25第4章DC/AC變換器雙極性SPWM：單個開關周期內逆變器輸出電壓有正有負（適用半橋，全橋）調制比M：驅動信號電路：26第4章DC/AC變換器諧波特性：SPWM調制本身不會降低輸出電壓的THD，但其可以使諧波高頻化以便于濾除。對于雙極性SPWM調制，主要低次諧波為載波頻率附件的N次諧波和（N-2）次諧波。載波比N：載波頻率與調制波頻率之比為載波比缺點：直流電壓利用率降低。27第4章DC/AC變換器單極性SPWM：調制波的正半周僅出現(xiàn)正向脈沖電壓，負半周僅出現(xiàn)負向脈沖電壓（僅適用于全橋）調制比M：驅動信號電路：正弦波vr28第4章DC/AC變換器諧波特性：對于單極性SPWM調制，主要低次諧波為兩倍載波頻率附件的（2N-1）次諧波。29第4章DC/AC變換器三相電壓逆變器：電路結構：導電順序123→234→345→456→561→612→123線電壓基波幅值30第4章DC/AC變換器三相電流逆變器：電路結構：導電順序12→23→34→45→56→61→12缺點電感很大，因而體積，重量較大31第4章DC/AC變換器三相SPWM控制：電路結構：線電壓基波幅值相電壓基波幅值32第5章AC/DC變換器不控整流：電路結構：雙半波單相橋式三相橋式三相半橋33第5章AC/DC變換器輸出波形：雙半波、單相橋式三相橋式三相半橋34第5章AC/DC變換器單相相控整流：電路結構：名詞術語：

觸發(fā)控制角α

導通角θ

移相

移相范圍

同步

換相電壓平均值35第5章AC/DC變換器電阻負載的電壓有效值負載的電流有效值晶閘管的電流有效值功率因數(shù)36第5章AC/DC變換器三相相控整流：電路結構：電壓平均值37第5章AC/DC變換器負載性質影響：負載電感影響（單相）：（1）L較小、α>φ，負載斷流：38第5章AC/DC變換器(2)α＝φ，電流臨界連續(xù)：(3)L、φ較大，α<φ，電流連續(xù)：vD波形、平均值、導電角θ，與電流臨界連續(xù)時相同。負載電流不再是“正弦雙正半波”，任何時刻iD>0；(4)L很大,α<φ，電流連續(xù)，可忽略脈動:電源基波功率因數(shù)角φ1＝α，α越大，cosφ1越??；39第5章AC/DC變換器負載電感影響（三相）：電流始終連續(xù)，α為0到180°取值導通角始終為60°40第5章AC/DC變換器負載反電勢影響：由于反電勢存在，有停止導電角δ停止導電角（純阻性條件）單相橋相控整流時電流連續(xù)條件：三相全橋相控整流時電流臨界連續(xù)條件：41第5章AC/DC變換器電容的影響：電容影響，導通角減小，電流增大42第5章AC/DC變換器交流電路電感的影響（換相壓降）：由于交流電路電感的存在，交流電路電流不能跳變，需要經(jīng)歷一個過程因換相重疊而損失的電壓為換相壓降，對應圖中QGDH：43第5章AC/DC變換器換相電阻：換相壓降與電流ID的比值44第5章AC/DC變換器有源逆變：“負載”應含有一個直流電源，且其電壓EI的極性必須與圖(f)中的方向一致；橋式變換電路中開關器件的觸發(fā)控制角：α>π/2，同時也不宜過大，以免換相失敗整流電路必須是全控型電路；逆變角β=π－α45第5章AC/DC變換器安全工作條件：

對普通高壓大功率晶閘管，一般toff≤200～300μs。這段時間相當于（頻率f=50Hz時）角度θo≈4o～5o，稱為關斷角。晶閘管換相存在一個換相角γ再預留一個安全角φr46第5章AC/DC變換器三相高頻PWM整流：47第5章AC/DC變換器工作原理：48第6章AC/AC變換器單相交流電壓控制器：電阻負載的電壓有效值負載的電流有效值晶閘管的電流有效值功率因數(shù)49第6章AC/AC變換器阻感性負載：α≤φ時：α>φ時：50第6章AC/AC變換器三相Y聯(lián)交流電壓控制器：51第6章AC/AC變換器三相Y聯(lián)交流電壓控制器：：第一類工作狀態(tài)（三相同時導電）。：交替出現(xiàn)第一類和第二類工作狀態(tài)。0°<

α≤60°α=0°60°<

α≤

90°：第二類工作狀態(tài)（兩相同時導電）90°<

α<

150°：交替處于第二類工作狀態(tài)和斷流狀態(tài)。α

>150°：電路斷流，不能工作。第一類工作狀態(tài)：三相同時工作，在同一時刻，每一相有一個晶閘管導電。第二類工作狀態(tài)：二相同時工作，同一時刻僅二相各有一個晶閘管導電，第三相中的兩個晶閘管都不導電。52第7章輔助元器件和系統(tǒng)觸發(fā)、驅動器：接收控制信號，經(jīng)處理后送出驅動信號給開關器件，控制其通、斷；過流過壓保護系統(tǒng)：檢測負載或開關的電流、電壓，并提供保護，防止開關器件因為過流、過壓損壞。緩沖器：減少開、關過程中開關器件承受的電壓電流，減小電壓、電流變化率。電感和變壓器濾波器散熱系統(tǒng)輔助電源控制系統(tǒng)53第7章輔助元器件和系統(tǒng)SCR的觸發(fā)驅動器：SCR為脈沖電流觸發(fā)導通，其脈沖電流ig要求上升沿要陡，且觸發(fā)數(shù)值要足夠大（脈沖足以使SCR立即開通）觸發(fā)、驅動器：提供驅動電流、電壓；電氣隔離；54第7章輔助元器件和系統(tǒng)GTO的觸發(fā)驅動器：開通需要正脈沖電流，關斷需要負脈沖電流55第7章輔助元器件和系統(tǒng)BJT的觸發(fā)驅動器：開通時的驅動電流應有足夠陡的前沿和足夠大的前沿峰值電流，以縮短開通時間；穩(wěn)態(tài)值時減小驅動電流，使晶體管處于飽和或臨界飽和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗；關斷時應加一個較大的負電流，加快關斷過程；斷態(tài)時be間加入反向的電壓，加強阻斷能力；56第7章輔助元器件和系統(tǒng)P-MOSFET、IGBT的觸發(fā)驅動器：開通時要求有持續(xù)的電平VG=12~15V使其開通并保持其通態(tài)；關斷時，最好加持續(xù)的負電平VG=-2~-10V維持其可靠的斷態(tài)57第7章輔助元器件和系統(tǒng)過電流保護原因：短路、過載保護措施：電子保護，斷路器，快速熔斷器，死區(qū)時間58第7章輔助元器件和系統(tǒng)過電壓保護原因：雷擊過電壓，操作過電壓二極管反向恢復過電壓、開關管關斷過電壓保護措施：避雷針，靜電感應過電壓抑制電容，壓敏電阻，RC緩沖電路，緩沖器59第7章輔助元器件和系統(tǒng)均壓、均流保護原因：器件等效電阻不同，串、并聯(lián)使用時需要均壓、均流60第7章輔助元器件和系統(tǒng)開通、關斷過程線路電感為0：61第7章輔助元器件和系統(tǒng)開通、關斷過程線路電感不為0：TTiABCvCEOVDVOI0（c)iT、vT

軌跡EQVCEPVPYQ62第7章輔助元器件和系統(tǒng)安全工作區(qū)：63第7章輔助元器件和系統(tǒng)LCRD型緩沖器：64第7章輔助元器件和系統(tǒng)開通過程同線路電感不為0的情況關斷過程并聯(lián)電容CS用于關斷緩沖關斷過程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD時，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不變iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期間，iT→0，iC→IO，使65第7章輔助元器件和系統(tǒng)關斷過程并聯(lián)電容CS用于關斷緩沖關斷過程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD時，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不變iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期間，iT→0，iC→IO，使此后，T關斷，iL繼續(xù)對CS充電，直到iL=0，vC=vT=VCEP，解VD、LS、RS、CS電路微分方程，得到：最后，vC=VCEP經(jīng)RS對電源放電，使iC=iR→0。vC=vT=VD，關斷軌跡為CAPA。66第8章諧振開關型變換器硬開關：開關管開通和關斷時，電流和電壓上升很快，這類稱作硬開關。開關損耗開關管開通和關斷過程中，電流和電壓交疊部分產(chǎn)生的損耗，稱為開關損耗。67第8章諧振開關型變換器零電壓開關：零電壓開通：在開關管電流上升前，使其電壓下降到零零電壓關斷：在開關管電流下降時，限制電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)軟開關：為減小開關損耗而使開關過程軟化的開關電路稱為軟開關零電壓開關(Zero-Voltage-Switching)68第8章諧振開關型變換器零電流開關：零電流開通：在開關管電壓下降時，限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)零電流關斷：在開關管電壓上升前，使其電流減小到零零電流開關(Zero-Current-Switching)諧振變換器軟開關準諧振變換器(QRC)多諧振變換器(MRC)零開關PWM變換器零轉換PWM變換器69第9章多級組合基本概念電路結構