《新能源發(fā)電與控制技術(shù) 第4版》 課件 第2章 電力變換與控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

1機(jī)械工業(yè)出版社新能源發(fā)電與控制技術(shù)（第4版）江南大學(xué)2機(jī)械工業(yè)出版社第2章電力變換與控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)3機(jī)械工業(yè)出版社

2.1電力電子器件

2.2電力電子器件的使用2.3電力變換電路基礎(chǔ)2.4新能源電力變換常用拓?fù)?.5電力變換調(diào)制技術(shù)2.6電力變換常用控制技術(shù)

本章主要內(nèi)容4機(jī)械工業(yè)出版社

2.1電力電子器件2.1.1電力電子器件概述電力電子器件被廣泛用于電力變換裝置的主電路中，是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、轉(zhuǎn)換或控制的電子器件。1.電力電子器件具有的主要特征①電力電子器件處理的電功率的大小是其主要的特征參數(shù)；②電力電子器件往往工作在開關(guān)狀態(tài)；③在實(shí)際應(yīng)用中因此需要驅(qū)動(dòng)電路對控制信號(hào)進(jìn)行放大。5機(jī)械工業(yè)出版社2.電力電子器件的分類（1）按可控性分類

1）不可控型器件：不能用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電力電子器件。如，功率二極管（PowerDiode）、整流二極管等。6機(jī)械工業(yè)出版社2）半控型器件：可以通過控制極（門極）控制器件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件(GTO、MCT等復(fù)合器件除外)，器件的關(guān)斷一般依靠在電路中承受反向電壓或減小通態(tài)電流使其恢復(fù)阻斷。7機(jī)械工業(yè)出版社3）全控型器件：通過器件的控制極既可以控制其導(dǎo)通，又可控制其關(guān)斷的器件。主要有：功率晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）和電力場效應(yīng)晶體管(P-MOS)等。由于這類器件既可通過控制極控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，故又稱為自關(guān)斷器件。8機(jī)械工業(yè)出版社

（2）按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型分類

根據(jù)電力電子器件控制極對驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同要求，又可將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩種。1)電流驅(qū)動(dòng)型：通過對控制極注入或抽出電流，實(shí)現(xiàn)其開通或關(guān)斷的電力電子器件，如晶閘管（Thyrister）、功率晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。2)電壓驅(qū)動(dòng)型：通過對控制極和另一主電極之間施加控制電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其導(dǎo)通或關(guān)斷的電力電子器件，如電力MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。9機(jī)械工業(yè)出版社3.幾種典型的電力電子器件

不可控器件――電力二極管半控型器件――晶閘管電力場效應(yīng)晶體管――P-MOSFET絕緣柵雙極型晶體管――IGBT10機(jī)械工業(yè)出版社2.1.2不可控型器件――電力二極管1.電力二極管的基本特性：電力二極管（PowerDiode）不同于信息電子中使用的普通二極管，它承受的反向電壓耐力與陽極通流能力均比普通二極管大得多，但它的工作原理和伏安（V-A）特性與普通二極管基本相同，都具有正向?qū)щ娦院头聪蜃钄嘈?。電力二極管的電路符號(hào)和靜態(tài)特性（即伏安特性）如下圖所示。圖2-1電力二極管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性11機(jī)械工業(yè)出版社2.電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)：是指電力二極管在連續(xù)運(yùn)行條件下，器件在額定結(jié)溫和規(guī)定的散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。反向重復(fù)峰值電壓URRM：是指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓URBO的2/3。正向通態(tài)壓降UF：是指在額定結(jié)溫下，電力二極管在導(dǎo)通狀態(tài)流過某一穩(wěn)態(tài)正向電流（IF）所對應(yīng)的正向壓降。正向壓降越低，表明其導(dǎo)通損耗越小。12機(jī)械工業(yè)出版社閾值電壓UTO：是指使二極管正向臨界導(dǎo)通的電壓值，當(dāng)二極管的A-K端電壓高于UTO使其導(dǎo)通，低于閾值就會(huì)關(guān)斷。反向恢復(fù)電流IRP及反向恢復(fù)時(shí)間trr：反向恢復(fù)時(shí)間trr通常定義為從電流下降為零至反向電流衰減至反向恢復(fù)電流峰值25％的時(shí)間。反向恢復(fù)電流IRP及恢復(fù)時(shí)間trr與正向?qū)〞r(shí)的正向電流IF及電流下降率diF/dt密切相關(guān)。13機(jī)械工業(yè)出版社3.現(xiàn)代整流二極管整流二極管分PN結(jié)型、肖特基勢壘型以及結(jié)合二者所長的復(fù)合型。下面重點(diǎn)介紹(1)肖特基勢壘二極管(2)結(jié)勢壘肖特基二極管(3)調(diào)制PN結(jié)肖特基二極管(4)MOS肖特基勢壘復(fù)合二極管(5)改進(jìn)的PN二極管14機(jī)械工業(yè)出版社

(1)普通肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）SBD屬于無額外載流子參與電流輸運(yùn)的單極器件，所有跟額外載流子的注入、存儲(chǔ)、抽取和復(fù)合等相關(guān)的器件問題，都不存在于這種器件的開通與關(guān)斷過程之中，其開關(guān)過程的時(shí)間常數(shù)只受金-半接觸處空間電荷區(qū)充放電時(shí)間常數(shù)的限制，而這個(gè)時(shí)間常數(shù)大約是10-13s量級(jí)，因而在高頻應(yīng)用中極具優(yōu)勢。15機(jī)械工業(yè)出版社

(1)普通肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD功率SBD通常用功函數(shù)較大的金屬與輕摻雜N-外延層直接接觸而成，為保持低功耗，需使用重?fù)诫s的N+襯底。N-外延層是該器件的漂移區(qū)，其長度和電阻率既決定著SBD通態(tài)比電阻的大小，也決定著SBD的反向阻斷特性。其正向壓降低、工作頻率高的優(yōu)勢只存在于低壓器件中。

不過，即便是低壓SBD，由于正向?qū)〞r(shí)缺乏額外載流子的電導(dǎo)調(diào)制，電流密度增高時(shí)，其正向壓降會(huì)迅速升高，如圖2-2所示。圖中兩條實(shí)線所代表的功率SBD和PIN二極管具有相同擊穿電壓。16機(jī)械工業(yè)出版社(2)結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS）JBS是一種利用反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)為SBD承受較高反向偏壓，從而可使其適當(dāng)降低肖特基勢壘以保持較低正向壓降的復(fù)合結(jié)構(gòu)型器件，其結(jié)構(gòu)剖面如圖2-3所示。圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖17機(jī)械工業(yè)出版社(2)結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS）

該復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了相鄰PN結(jié)的空間電荷區(qū)在反偏壓下能夠很快接通，從而在陰極和陽極之間形成比肖特基勢壘更高更寬的PN結(jié)勢壘。圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖

這樣，當(dāng)SBD正向偏置時(shí)，PN結(jié)也進(jìn)入正偏狀態(tài)，但SBD的閾值電壓比PN結(jié)低，正向電流將通過肖特基勢壘接觸走PN結(jié)之間的SBD通道，因而正向壓降較低，尤其是在有意識(shí)地削減了肖特基勢壘高度之后。當(dāng)SBD反向偏置時(shí)，PN結(jié)也進(jìn)入反偏狀態(tài)，其空間電荷區(qū)的橫向擴(kuò)展迅速將陰、陽極間的電流通道夾斷。如果反向電壓繼續(xù)升高，所加電壓都將降落在空間電荷區(qū)上，并使其在N-漂移區(qū)中向N+襯底擴(kuò)展。因此，PN結(jié)空間電荷區(qū)屏蔽了外加反向電壓對肖特基勢壘的影響，即使是為了降低正向壓降而有意識(shí)地削減肖特基勢壘，其反向漏電流也不會(huì)明顯升高，而會(huì)像PN結(jié)二極管那樣在雪崩擊穿之前基本保持不變。JBS的反向阻斷電壓較低，適用于低壓整流。18機(jī)械工業(yè)出版社(3)調(diào)制PN結(jié)肖特基二極管（MPS）圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖MPS的結(jié)構(gòu)類似于圖2-3所示的JBS復(fù)合結(jié)構(gòu)，但其設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方法都與JBS不同。MPS的創(chuàng)意在于引進(jìn)PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用降低SBD在高密度正向電流下的壓降。這主要是針對耐壓較高的SBD，因?yàn)楦吣蛪篠BD的漂移區(qū)較寬，且電阻率較高，以至電流稍一增大其壓降就會(huì)升高很多。另一方面，MPS創(chuàng)意也只能針對高耐壓SBD，因?yàn)橹挥须娮杪瘦^高的漂移區(qū)才能在電流密度較高時(shí)使PN結(jié)上的電壓超過其閾值電壓，PN結(jié)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)后才能向高阻漂移區(qū)注入額外空穴，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制。因此，MPS正向?qū)〞r(shí)，其低電流密度下的伏安特性仍保持SBD的低壓降特征，而高電流密度下則具有類似于PIN結(jié)的伏安特性，其正向壓降在電流密度升高時(shí)增量不大，如圖2-2中的虛線所示。19機(jī)械工業(yè)出版社(4)MOS-肖特基勢壘復(fù)合二極管將MOS結(jié)構(gòu)結(jié)合到SBD之中，利用MOS結(jié)構(gòu)在適當(dāng)偏壓下的載流子耗盡作用，也可像JBS那樣在肖特基勢壘區(qū)之下再形成一個(gè)空間電荷區(qū)，使低勢壘SBD的反向漏電流大幅度極低。這種器件名叫TMBS（TrenchMOS-BarrierSBD），其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4TMBS結(jié)構(gòu)示意圖20機(jī)械工業(yè)出版社(4)MOS-肖特基勢壘復(fù)合二極管（TMBS）TMBS是一種在表面層中用干法腐蝕工藝制作有溝槽網(wǎng)格的SBD，在其溝槽側(cè)壁與底部表面都生長有氧化層。槽內(nèi)淀積金屬為柵（G），并與形成肖特基勢壘接觸的陽極（A）短接。當(dāng)TMBS反向偏置時(shí)，柵壓為負(fù)，MOS結(jié)構(gòu)進(jìn)入耗盡狀態(tài)，產(chǎn)生空間電荷區(qū)。當(dāng)兩個(gè)相鄰MOS結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)隨著偏壓的升高而擴(kuò)展相連時(shí)，即像JBS一樣形成比肖特基勢壘更高更寬的勢壘，幫助肖特基勢壘阻擋從陽極發(fā)射向半導(dǎo)體的電子。由于這些電子的發(fā)射產(chǎn)生TMBS的反向漏電流，因而其漏電流很小，即使為了降低正向壓降而有意識(shí)地降低了肖特基勢壘，其漏電流也不會(huì)隨著反向電壓的升高而明顯增大，直至雪崩擊穿。圖2-4TMBS結(jié)構(gòu)示意圖21機(jī)械工業(yè)出版社(5)改進(jìn)的PIN二極管圖2-5SSD結(jié)構(gòu)示意圖不借助于其他器件元素，也不必縮短額外載流子壽命（這會(huì)影響其他特性），功率PIN二極管的反向恢復(fù)特性可以通過PN結(jié)自身的結(jié)構(gòu)變化得到明顯改善。這就是圖2-5所示的SSD（StaticScreenedDiode）。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)PIN二極管的不同之處僅在于其P層不具有均勻的厚度和雜質(zhì)濃度，而是在較低濃度的淺結(jié)P型薄層中鑲嵌了均勻分布的高濃度深結(jié)P+微區(qū)。由于PIN結(jié)的額外空穴注入比跟P層的摻雜濃度有關(guān)，因而SSD相當(dāng)于兩種注入比不同的微型PIN二極管的鑲嵌并聯(lián)。這樣，由注入比高的P+N結(jié)注入漂移區(qū)的高濃度空穴也會(huì)像MPS中的注入空穴那樣向四周迅速擴(kuò)散，使額外載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)減弱。22機(jī)械工業(yè)出版社2.1.3半控型器件――晶閘管圖2-6晶閘管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性

優(yōu)點(diǎn)：承受的電壓、電流在功率半導(dǎo)體器件家族中均為最高，具有相對價(jià)格便宜、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，盡管其開關(guān)頻率較低、觸發(fā)較困難、不可控制關(guān)斷等缺點(diǎn)，但在大功率、中低頻電力電子裝置中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。23機(jī)械工業(yè)出版社1.基本特性：電流觸發(fā)特性：當(dāng)晶閘管A－K極間承受正向電壓時(shí)，如果G－K極間流過正向觸發(fā)電流，就會(huì)使晶閘管導(dǎo)通。單向?qū)щ娞匦裕寒?dāng)承受反向電壓時(shí)，此時(shí)無論門極有無觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。半控型特性：晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去作用；此時(shí)，不論門極電流是否存在、觸發(fā)電流極性如何，晶閘管都維持導(dǎo)通。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)關(guān)斷，可對其A－K極間施加反向電壓或使其流過的電流小于維持電流（IH）。24機(jī)械工業(yè)出版社2.主要參數(shù)額定電壓UT：晶閘管在額定結(jié)溫、門極開路時(shí)，允許重復(fù)施加的正、反向阻斷狀態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個(gè)電壓值稱為晶閘管的額定電壓。正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開路(Ig=0)、器件在額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正、反向峰值電壓。一般分別取正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（UDSM、URSM）的90%。正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)小于轉(zhuǎn)折電壓（Ubo）。25機(jī)械工業(yè)出版社通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱條件下、穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數(shù)。維持電流IH：維持晶閘管導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百mA。轉(zhuǎn)折電壓Ubo：指晶閘管門極開路(Ig=0)時(shí)、維持其阻斷所能承受的最大正向電壓，當(dāng)大于Ubo晶閘管被擊穿導(dǎo)通，處于失控狀態(tài)。26機(jī)械工業(yè)出版社2.1.4全控型器件——功率MOS

功率MOS指電流路徑垂直于芯片表面的MOSFET，其源、漏電極分處芯片兩面而柵、源共面，讓漏極獨(dú)占全部下表面（襯底背面），因而其導(dǎo)電溝道短、截面積大，具有較高的通流能力和耐壓能力。同時(shí)，作為一種場控型單極型開關(guān)器件，它還具有工作頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小、無熱電二次擊穿以及跨導(dǎo)線性度高等令雙極型功率器件難以相比的優(yōu)點(diǎn)，因而在電力電子技術(shù)中的地位上升很快，應(yīng)用很廣。特別是由于它的驅(qū)動(dòng)功率低、制造工藝又與微電子工藝兼容，因而不但以分立器件的形式應(yīng)用于各種電子裝置，也作為主要功率開關(guān)應(yīng)用于各種功率集成電路。27機(jī)械工業(yè)出版社1.功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7通態(tài)功率MOS的等效電阻示意圖由圖2-7可見，雖然源、漏極間有兩個(gè)PN結(jié)，但是由N+源區(qū)與P阱形成的第一個(gè)PN結(jié)（PN+結(jié)）已被源電極永久短接，源、漏兩電極間只在P阱與N-漂移區(qū)間的第二個(gè)PN結(jié)（PN-結(jié)）被反向偏置、且導(dǎo)電溝道尚未形成之前才會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。所以，源負(fù)漏正，是作為開關(guān)器件使用的N溝功率MOS的正常接法，此時(shí)的漏-源電壓UDS>0。28機(jī)械工業(yè)出版社1.功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7通態(tài)功率MOS的等效電阻示意圖不過，正的UDS對PN-結(jié)卻是一個(gè)反向偏置電壓，在柵-源短接時(shí)必將引起結(jié)兩側(cè)空間電荷區(qū)的擴(kuò)展。由于P阱的摻雜濃度遠(yuǎn)高于漂移區(qū)的摻雜濃度，空間電荷區(qū)主要在漂移區(qū)擴(kuò)展，是UDS的主要降落區(qū)。因此，漂移區(qū)的寬度及其摻雜濃度要符合阻斷電壓的需要，以保證器件在導(dǎo)電溝道形成之前一直處于關(guān)斷狀態(tài)。然而導(dǎo)電溝道一旦形成，漏極正電壓即驅(qū)動(dòng)電子繞開PN-結(jié)，從源區(qū)經(jīng)過溝道和漂移區(qū)向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流。電流的大小取決于UDS以及溝道的開通程度，而后者是柵壓UG的函數(shù)，因而柵極不但控制功率MOS的開關(guān)狀態(tài)，也控制確定UDS下漏極電流ID的大小。29機(jī)械工業(yè)出版社2.功率MOS的基本特性圖2-8功率MOS與功率BJT輸出特性的比較30機(jī)械工業(yè)出版社3.功率MOS的主要參數(shù)漏極電壓UDS：電力MOSFET的電壓定額參數(shù)，為漏源極間的最大反向承受電壓。漏極直流電流額定值ID和漏極脈沖電流峰值IDM：電力MOSFET的電流定額參數(shù)。漏源通態(tài)電阻RDS(on)：在柵源間施加一定電壓（10～15V），漏源間的導(dǎo)通電阻。柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，當(dāng)|UGS|>20V時(shí)將導(dǎo)致絕緣層擊穿。31機(jī)械工業(yè)出版社3.功率MOS的主要參數(shù)極間電容：MOSFET的3個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD、CDS。一般生產(chǎn)廠商提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss。

Ciss=CGS+CGD（2-1）

Crss=CGD（2-2）

Coss=CDS+CGD（2-3）32機(jī)械工業(yè)出版社2.1.5全控型器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

功率MOS具有驅(qū)動(dòng)方便、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)通后呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，在電流較大時(shí)管壓降較高，而且器件的功率容量較小，一般僅適用于小功率裝置。大功率晶體管（GTR，GiantTransistor）的飽和壓降低、容量大、但屬于電流驅(qū)動(dòng)型，需要較大的驅(qū)動(dòng)功率。此外，GTR器件又是雙極型器件，導(dǎo)致其開關(guān)速度降低。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是MOSFET和GTR的復(fù)合器件，因此IGBT兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。33機(jī)械工業(yè)出版社2.1.5全控型器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT比DMOS多了一個(gè)P+層，從而多了一個(gè)大面積的PN結(jié)。仔細(xì)觀察IGBT的器件單元，不難發(fā)現(xiàn)這個(gè)P+層的加入，使DMOS中的反并聯(lián)集成二極管變成了PNP型雙極型晶體管，寄生NPN型晶體管變成了寄生晶閘管。DMOS的N-漂移區(qū)即寄生晶閘管的N基區(qū)（長基區(qū)），P阱擴(kuò)散區(qū)即寄生品閘管的P基區(qū)（短基區(qū)）。這樣，DMOS的源極和柵極分別原封不動(dòng)地變成了IGBT的發(fā)射極E和柵極G，而DMOS的N+襯底換成P+襯底后，相應(yīng)的電極即成為IGBT的集電極C。34機(jī)械工業(yè)出版社1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-9N溝道IGBT結(jié)構(gòu)示意圖參照圖2-9可知，當(dāng)IGBT的集電極相對于發(fā)射極加負(fù)電壓，即集射極電壓UCE<0時(shí)，靠近集電極的P+N-結(jié)（j1結(jié)）將處于反偏狀態(tài)，因而不管DMOS的溝道體區(qū)中有沒有形成N型導(dǎo)電溝道，電流都不能在集-射極間通過。由此可見，IGBT由于比DMOS多了一個(gè)j1結(jié)而首先獲得了反向電壓阻斷能力，反向阻斷電壓的高低決定于j1結(jié)的雪崩擊穿電壓。35機(jī)械工業(yè)出版社1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)IGBT的柵極與發(fā)射極短接（柵壓UG=0）時(shí)，若對集電極相對于發(fā)射極加正電壓，則靠近發(fā)射極的P+N-結(jié)（j2結(jié)）就被此電壓反偏置，IGBT處于正向阻斷狀態(tài)，其阻斷電壓主要由j2結(jié)的雪崩擊穿電壓決定。由于j1結(jié)和j2結(jié)被反偏置時(shí)的空間電荷區(qū)都主要在N-漂移區(qū)展開，因而其正、反向最高阻斷電壓近似相等，稱為集電極-發(fā)射極擊穿電壓，記為BUCEO，如圖2-10曲線①所示。圖2-10IGBT在不同柵壓狀態(tài)下的伏安特性曲線36機(jī)械工業(yè)出版社2.IGBT的工作特性圖2-11分析IGBT通態(tài)特性的等效電路a)PIN/MOS等效電路b)BJT/MOS等效電路

圖2-11a所示等效電路將IGBT看成是由一個(gè)PIN二極管和一個(gè)MOS晶體管串聯(lián)而成的復(fù)合器件，圖2-11b則將其視為一個(gè)用MOS管驅(qū)動(dòng)的長基區(qū)PNP型晶體管。雖然后一種模型比前一種模型對IGBT的特性描述更完整，但從使用器件的角度考慮，前一種模型較為簡單，且足以用來對多種情況下的IGBT靜態(tài)特性進(jìn)行定量分析。37機(jī)械工業(yè)出版社3.IGBT的主要參數(shù)最大集射極間電壓BUCES：該參數(shù)決定了器件的最高工作電壓，這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。最大集電極電流ICM：包括在一定殼溫下的額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。集射極間飽和壓降UCE(sat)：對柵極與發(fā)射極（G－E）間施加一定正向電壓，在一定的結(jié)溫及集電極電流條件下，集射極（C－E）間的飽和通態(tài)壓降。此壓降在集電極電流較小時(shí)，呈負(fù)溫度系數(shù)，在電流較大時(shí)，為正溫度系數(shù)，這一特性使IGBT并聯(lián)運(yùn)行較為容易。38機(jī)械工業(yè)出版社2.1.6新型器件——寬禁帶半導(dǎo)體

從晶閘管問世到IGBT普遍應(yīng)用，電力電子器件近40年的長足發(fā)展，基本上都是器件原理和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和創(chuàng)新，無論是功率MOS還是IGBT，它們跟晶閘管和整流二極管一樣都是硅器件。但是，隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐漸趨近其理論極限，而電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對器件的性能提出更高的要求，尤其希望器件的功率和頻率能夠得到更高程度的兼顧。因此，硅是不是最適合于制造電力電子器件的材料，具備怎樣一些特性的半導(dǎo)體材料更適合于制造電力電子器件的問題，就在20世紀(jì)的最后10年提到了議事日程上來。39機(jī)械工業(yè)出版社1.碳化硅電力電子器件

碳化硅是最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化電力電子器件應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體。使用碳化硅制造電力電子器件，有可能將半導(dǎo)體器件的極限工作溫度提高到600℃以上，并在額定阻斷電壓相同的前提下，大幅度降低通態(tài)電阻，提高工作頻率。因此，包含微波電源在內(nèi)的電力電子技術(shù)有可能從碳化硅器件實(shí)用化得到的好處，就不僅是整機(jī)性能的改善，也有整機(jī)體積的大幅度縮小以及對工作環(huán)境的廣泛適應(yīng)能力。40機(jī)械工業(yè)出版社1.碳化硅電力電子器件圖2-12碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在耐壓20000V條件下的特性比較

由圖2-12中的等功耗曲線與這幾種器件的導(dǎo)通特性曲線的交點(diǎn)不難算出：對應(yīng)于相同的功耗300W/cm2，室溫下P溝道和N溝道IGBT的導(dǎo)通電流分別是功率MOS的約1.5倍和1.8倍，而在高溫225℃的工作條件下更是分別提高到約2.7倍和3.5倍。

圖2-12所示為碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在額定阻斷電壓均設(shè)計(jì)為20000V時(shí)的理論伏-安特性之比較，表現(xiàn)了IGBT十分明顯的高壓優(yōu)勢。41機(jī)械工業(yè)出版社2.其他寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件受材料制備與加工技術(shù)的限制，目前已成功進(jìn)入電力電子器件研發(fā)領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體，除碳化硅外，主要是氮化鎵和以氮化鎵為基的三元系合金（III-N合金），例如鋁鎵氮（AlxGa1-xN）等。對制造電力電子器件而言，氮化鎵的突出優(yōu)點(diǎn)，在于它結(jié)合了碳化硅的高擊穿電場特性和砷化鎵、鍺硅合金和磷化銦等材料在制造高頻器件方面的特征優(yōu)勢，其材料優(yōu)選因子普遍比碳化硅高，對進(jìn)一步改善電力電子器件的工作性能，特別是提高工作頻率，具有很大的潛力和應(yīng)用前景。42機(jī)械工業(yè)出版社2.2

電力電子器件的使用

在電力電子裝置中，直接承擔(dān)電能變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。電力電子器件的正常使用是主電路長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。電力電子器件開關(guān)運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口，其作用是將控制電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，控制電力電子器件的工作。另外，所有電力電子器件都存在電壓極限、電流極限和結(jié)溫極限，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施防止電力電子器件在工作過程中產(chǎn)生過高的電壓、過大的電流和過高的結(jié)溫。43機(jī)械工業(yè)出版社2.2.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)是，按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號(hào)。對半控型器件只需提供開通控制信號(hào)；對全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。除此之外，為了提高電力電子裝置的安全使用，同時(shí)防止主電路和控制電路之間的干擾，驅(qū)動(dòng)電路一般還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，其基本方法有光隔離或磁隔離。44機(jī)械工業(yè)出版社2.2.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路1.晶閘管觸發(fā)電路圖2-13a)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路

基于光電隔離和晶體管放大器的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，光電耦合器VTL一次側(cè)發(fā)光二極管通過電流，光耦二次側(cè)光敏三極管導(dǎo)通，三極管VT1截止，SCR門極無驅(qū)動(dòng)電流；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，光耦二次側(cè)光敏三極管截止，三極管VT1導(dǎo)通，VT1構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)SCR。45機(jī)械工業(yè)出版社圖2-13b)磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路

基于脈沖變壓器和晶體管放大器的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，VT2、VT3構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)，脈沖變壓器TR和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至晶體管放大器后，VT2、VT3導(dǎo)通，通過脈沖變壓器輸出電壓經(jīng)VD2輸出脈沖電流，向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，VT2、VT3截止，VD1、R3續(xù)流，TR脈沖變壓器內(nèi)部激磁電流迅速降為零，防止變壓器磁飽和。46機(jī)械工業(yè)出版社圖2-14原理圖

同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路由于受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響較小，所以廣泛應(yīng)用于整流和逆變電路。圖2-14所示為一個(gè)同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路的原理圖。該電路可分為：脈沖形成與放大隔離、鋸齒波形成及脈沖移相控制、同步信號(hào)處理3個(gè)基本環(huán)節(jié)，以及雙脈沖形成和強(qiáng)觸發(fā)電路等環(huán)節(jié)。47機(jī)械工業(yè)出版社2.可關(guān)斷晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路圖2-15理想的門極驅(qū)動(dòng)電流波形

由GTO結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其對驅(qū)動(dòng)電路要求嚴(yán)格，若門極控制不當(dāng)，GTO就極易損壞。GTO門極驅(qū)動(dòng)電路包括門極開通電路、門極關(guān)斷電路和門極反偏電路。理想的門極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖2-15所示，GTO的門極開通電流波形應(yīng)與SCR門極開通電流波形相同，GTO開通后若無輸出門極驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)存在門極反偏電路時(shí)，則可能使GTO誤關(guān)斷，故GTO開通后，若要保持開通狀態(tài)，應(yīng)持續(xù)保持一定的驅(qū)動(dòng)電流。對GTO而言，門極控制的關(guān)鍵是關(guān)斷。48機(jī)械工業(yè)出版社圖2-16a)應(yīng)用MOSFET的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路

GTO門極供電有3種方式：單電源供電方式、多電源供電方式、脈沖變壓器供電方式。供電方式不同，GTO的可關(guān)斷陽極電流和工作頻率也不同。

圖2-16a)中，當(dāng)VT1導(dǎo)通而VT2、VT3斷開時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；當(dāng)VT2導(dǎo)通而VT1、VT3斷開時(shí)，輸出脈沖平頂；當(dāng)VT1、VT2斷而VT3導(dǎo)通時(shí)，輸出負(fù)電壓，產(chǎn)生反向門極電流；當(dāng)VT3關(guān)斷后，R3和R4提供負(fù)偏壓。49機(jī)械工業(yè)出版社圖2-16b)應(yīng)用晶體管與晶閘管的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路

圖2-16b)中，VT導(dǎo)通KK斷開時(shí)輸出脈沖，GTO導(dǎo)通；VT斷開，KK導(dǎo)通，產(chǎn)生負(fù)電壓與門極反向電流，并使門極保持一定的負(fù)電壓，直到門極反向電流幾乎為零。50機(jī)械工業(yè)出版社3.大功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路圖2-18實(shí)用GTR驅(qū)動(dòng)電路下面介紹一種實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路，如圖2-18所示當(dāng)輸入信號(hào)ui為正偏電壓時(shí)，晶體管VT1與VT2導(dǎo)通，VT2集電極輸出正偏電壓，GTR有幅值為IB的基極電流通過，使GTR開通。當(dāng)輸入信號(hào)ui變?yōu)榱汶妷簳r(shí)，晶體管VT1與VT2截止，R5與負(fù)電源相連，VT3與VT4輸出負(fù)偏電壓，GTR關(guān)斷。51機(jī)械工業(yè)出版社4.電力MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路圖2-19MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

圖2-19所示為通過光電耦合器隔離的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入信號(hào)ui為0時(shí)，光電耦合器截止，高速比較器A輸出低電平，三極管VT3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸-VC驅(qū)動(dòng)電壓，使電力場效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號(hào)ui為正時(shí)，光耦導(dǎo)通，比較器A輸出高電平，三極管VT2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸出+VC電壓，使電力場效應(yīng)管導(dǎo)通。該電路也可應(yīng)用于IGBT的驅(qū)動(dòng)，只需要將圖中的MOSFET替換成IGBT即可。52機(jī)械工業(yè)出版社5.IBGT的門極驅(qū)動(dòng)電路IGBT的輸入特性幾乎和電力MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路原則上適用于IGBT。但是IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路必須提供正、負(fù)偏置，由雙電源供電，其中負(fù)電壓-5~15V，同時(shí)進(jìn)行必要的隔離。53機(jī)械工業(yè)出版社2.2.2

電力電子器件的保護(hù)1.過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

晶閘管（或其他電力電子器件）在正常工作時(shí)，所承受的最大峰值電壓Um與電源電壓、電路接線形式有關(guān)，它是選擇晶閘管額定電壓的依據(jù)。在工作中，由于各種原因可能出現(xiàn)晶閘管所承受的電壓超過Um短時(shí)過電壓的情況。如果正向過電壓超過了正向轉(zhuǎn)折電壓，將產(chǎn)生誤導(dǎo)通；如果反向過電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓URRM,則晶閘管被擊穿，造成永久性損壞。為使晶閘管器件能正常工作，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。引起過電壓的原因：（1）操作過電壓（2）浪涌過電壓（3）換相過電壓（4）關(guān)斷過電壓54機(jī)械工業(yè)出版社

操作過電壓與浪涌過電壓是由裝置外部因素引起的，屬于外因過電壓。換相過電壓與關(guān)斷過電壓是由電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程等內(nèi)部因素引起的，屬于內(nèi)因過電壓。

過電壓保護(hù)措施：圖2-20晶閘管裝置的過電壓保護(hù)措施55機(jī)械工業(yè)出版社保護(hù)電路形式常用的幾種方式：①雷擊過電壓可在變壓器初級(jí)加接避雷器加以保護(hù)。②一次、二次電壓比很大的變壓器，由于一次、二次繞組間存在分布電容，一次側(cè)合閘時(shí)，高電壓可能通過分布電容耦合到二次側(cè)而出現(xiàn)瞬時(shí)過電壓。對此可采取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形點(diǎn)通過電容接地的方法來處理。③阻容保護(hù)電路是變流裝置中用得最多的過壓保護(hù)措施。④對于雷擊或更高的浪涌電壓，如果阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時(shí)，還應(yīng)采用壓敏電阻或硒堆等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。56機(jī)械工業(yè)出版社a)單相過電壓控制圖2-21阻容保護(hù)電路的接法b)三相星型過電壓控制c)三相三角形過電壓控制d)三相反向阻斷式過電壓控制e)直流側(cè)過電壓控制RC阻容保護(hù)電路接法：57機(jī)械工業(yè)出版社a)單相連接圖2-22壓敏電阻保護(hù)的連接方法b)三相Y型連接c)三相?連接

由于壓敏電阻的正、反向特性對稱，因此單相電路只需1個(gè)，三相電路用3個(gè)，連接成Y型或?型，如圖所示。58機(jī)械工業(yè)出版社2.過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)

當(dāng)晶閘管變流裝置內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、外部出現(xiàn)過載重載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高、過低或缺相等狀況時(shí)，均可引起裝置其他器件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。由于晶閘管等電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。59機(jī)械工業(yè)出版社圖2-23過電流保護(hù)

圖2-23所示為交流輸入通過整流主電路轉(zhuǎn)換為直流輸出給負(fù)載的電路，其中交流進(jìn)線電抗器L或整流變壓器的漏抗，可以限制短路電流，降低電流的上升速度，但正常工作時(shí)有較大交流壓降。圖中，B為電流檢測，F(xiàn)UF為快速熔斷器，KOC為過流繼電器，SDCF為直流快速開關(guān)。圖2-23采用的幾種過電流保護(hù)措施分別是過流保護(hù)電子電路、交流側(cè)過流繼電器保護(hù)、直流快速斷路器保護(hù)、快速熔斷器保護(hù)。60機(jī)械工業(yè)出版社

電力電子器件通以電流和在開關(guān)過程中，要消耗大量的功率，這部分耗散功率轉(zhuǎn)變成熱量使管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高，需要通過周圍環(huán)境散熱。散熱途徑一般有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流3種方式，對電力電子器件來說，散熱途徑主要采用熱傳導(dǎo)方式。

電力電子器件過熱保護(hù)的目的是為了防止器件的結(jié)溫過高，避免由于結(jié)溫過高而損壞器件。防止器件結(jié)溫過高的途徑有3種：降低功耗、減少熱阻和加強(qiáng)散熱。3.電力電子器件的過熱保護(hù)61機(jī)械工業(yè)出版社

4.緩沖電路62機(jī)械工業(yè)出版社2.2.3

電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

由于使用場合需要高壓或大電流，致使電力電子器件的電壓、電流達(dá)不到使用要求，或是由于從成本上考慮，使用開關(guān)器件的串并聯(lián)可以降低元器件成本，在某些場合下，需要將開關(guān)器件串聯(lián)以滿足高壓的應(yīng)用場合，或?qū)讉€(gè)器件并聯(lián)以滿足大電流的應(yīng)用。由于器件之間在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性上總會(huì)存在一定差異，當(dāng)它們被串聯(lián)、并聯(lián)在一起作為一個(gè)器件應(yīng)用時(shí)，就會(huì)因?yàn)檫@些差異使得開關(guān)動(dòng)作在時(shí)間上不一致，導(dǎo)致某些器件的損壞。因此，要有相應(yīng)的措施來調(diào)整串并聯(lián)器件間的差異。1.晶閘管的串聯(lián)和并聯(lián)使用原則63機(jī)械工業(yè)出版社(1)串聯(lián)晶閘管的均壓:晶閘管串聯(lián)的目的是為了提高耐壓。靜態(tài)均壓措施包括：①選用參數(shù)和特性盡量一致的器件；②采用電阻均壓，RP阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向等效電阻小得多。動(dòng)態(tài)均壓措施包括：①選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件；②用RD、CD并聯(lián)支路用作動(dòng)態(tài)均壓；③采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間的差異。64機(jī)械工業(yè)出版社(2)并聯(lián)晶閘管的均流:晶閘管并聯(lián)的目的是為了承擔(dān)更大的電流。均流可用3種方法：①嚴(yán)格挑選并聯(lián)連接的器件，使它們具有十分相近的正向通態(tài)特性；②通過串聯(lián)電阻、電感或相互耦合的電抗器來強(qiáng)迫并聯(lián)器件均流，如圖所示；③采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間的差異。采用強(qiáng)觸發(fā)的門極信號(hào)，也有利于開通過程動(dòng)態(tài)均流。65機(jī)械工業(yè)出版社

全控開關(guān)器件在高頻條件下工作，線路連接引起的分布參數(shù)不均衡也會(huì)影響器件串并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均壓和均流，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意串、并聯(lián)器件布局的合理性。盡可能減小它們的分布參數(shù)，并使這些分布參數(shù)趨于一致。

對于MOSFET這樣的器件，由于它的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，導(dǎo)通電阻增大，飽和導(dǎo)通壓降UDS增加，因此可以將兩個(gè)或多個(gè)器件直接并聯(lián)。對于NPT型IGBT,通態(tài)壓降具有正溫度系數(shù)，可以多個(gè)管子并聯(lián)使用。2.電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行66機(jī)械工業(yè)出版社

對于其他工藝制造（包括PT型）的IGBT，要根據(jù)特性，判斷通態(tài)壓降是否具有正溫度系數(shù)，尤其在集電極電流較大的區(qū)段，如果通態(tài)壓降具有正溫度系數(shù)，并聯(lián)使用時(shí)具有電流的自動(dòng)均衡能力，也可以多個(gè)管子并聯(lián)使用。一般情況下，PT型IGBT的通態(tài)壓降一般在1/2~1/3額定電流以下的區(qū)段具有負(fù)的溫度系數(shù)，在1/2~1/3額定電流以上區(qū)域具有正溫度系數(shù)，因而IGBT在并聯(lián)時(shí)，也具有一定的電流自動(dòng)均衡能力，可以并聯(lián)使用。MOSFET或IGBT并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡量使多個(gè)管子型號(hào)、廠家一致，連線盡量做到一致，同時(shí)主回路各模塊布線電阻和電感一致。即使這樣，n個(gè)相同等級(jí)的模塊并聯(lián)時(shí)，允許的電流應(yīng)小于nIcn(Icn單個(gè)功率管的電流額定值)，因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)管之間的電流不可能完全均衡，所以，應(yīng)適當(dāng)降低允許值。67機(jī)械工業(yè)出版社

2.3

電力變換電路基礎(chǔ)

◆直流-直流變換◆直流-交流變換◆交流-直流變換

◆交流-交流變換◆軟開關(guān)技術(shù)68機(jī)械工業(yè)出版社

2.3.1直流-直流變換從功能上說，直流－直流(DC-DC)變換技術(shù)是指將一種直流電源變換為另一種（固定或可調(diào)）電壓或電流的直流電源的技術(shù)。直流－直流變換電路包括直接直流變換電路和間接直流變換電路，其中直接直流變換電路往往采用斬波方式來實(shí)現(xiàn)，輸入與輸出之間沒有電氣隔離，故也稱為直流斬波電路(DCChopper)。無電氣隔離的直流斬波電路有降壓斬波電路(BuckChopper)、升壓斬波電路(BoostChopper)、升降壓斬波電路(Buck-BoostChopper)Cuk斬波電路(CukChopper)Sepic斬波電路(SepicChopper)Zeta斬波電路(ZetaChopper)。

這些電路都是由單個(gè)開關(guān)管控制的。

通過前兩個(gè)斬波電路的組合可以構(gòu)建電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路和多重化斬波電路。69機(jī)械工業(yè)出版社

基本斬波電路（1）降壓斬波電路

其原理圖如圖2-31所示，工作原理：當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，二極管VD承受反壓而截止，Us通過L向負(fù)載傳遞能量，此時(shí)iL增加，即電感上的儲(chǔ)能增加，當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，由于iL不能突變，故iL將通過二極管VD續(xù)流，儲(chǔ)能逐步消耗在RL上。iL降低，儲(chǔ)能減少。由于二極管VD的單向?qū)щ娦?，iL不可能為負(fù)，即總有iL>0或者iL=0,從而在RL上可獲得單極性的直流電壓。圖2-3-1

降壓斬波電路原理圖70機(jī)械工業(yè)出版社

（2）升壓斬波電路：

原理圖如圖2-32所示，工作原理：設(shè)開關(guān)管VT由信號(hào)uG控制，當(dāng)uG為高電平時(shí)，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uL=Us>0,電感承受的電壓極性為左正右負(fù)，iL增加，電感儲(chǔ)能增加，VD截止，負(fù)載由電容供電；當(dāng)uG為低電平時(shí)，開關(guān)管VT關(guān)斷，因電感電流不能突變，通過二極管VD向電容、負(fù)載供電，電感儲(chǔ)能傳遞到電容和負(fù)載側(cè)，此時(shí)UO=Us-uL，iL減少，電感L感應(yīng)電動(dòng)勢uL<0,故UO>Us。圖2-3-2

升壓斬波電路原理圖71機(jī)械工業(yè)出版社

（3）升降壓斬波電路：

升降壓斬波電路又稱Buck-Boost斬波電路(Buck-BoostChopper),它是一種既可升壓，也可降壓的斬波電路采用IGBT作為主開關(guān)器件的升降壓斬波電路如圖2-33所示。電路工作原理如下：當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通、二極管VD截止時(shí)，輸入電壓Us加在L上，電感從電源Us獲取能量，此時(shí)靠濾波電容C維待輸出電壓基本不變；當(dāng)開關(guān)管VT截止時(shí)，電感L中儲(chǔ)能傳遞給電容C及負(fù)載RL,輸出電壓極性為下正上負(fù)。開關(guān)管VT導(dǎo)通占空比越高，傳遞到負(fù)載的能量也越多。圖2-3-3

升降壓斬波電路原理圖72機(jī)械工業(yè)出版社

（4）Cuk（庫克）斬波電路

前述降壓、升壓、升降壓斬波電路都很簡單，且有各自的特色。Cuk斬波電路(CukChopper)綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出電流基本平直；輸出電壓可在0到∞范圍內(nèi)變化；主開關(guān)器件IGBT發(fā)射極接地，驅(qū)動(dòng)相對簡單。圖2-34Cuk斬波電路原理圖圖2-3-4

Cuk斬波電路原理圖73機(jī)械工業(yè)出版社

（4）Cuk（庫克）斬波電路電路工作原理是：當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，電源Us向電感L1輸送能量，電感電流iL1上升，L1儲(chǔ)能增加。導(dǎo)通時(shí)間越長，L1中儲(chǔ)能增加越多。同時(shí)，電容C1中儲(chǔ)能通過開關(guān)管VT給負(fù)載側(cè)的電阻RL電容C2、電感L2釋放能量，二極管VD截止。所以開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，有兩個(gè)導(dǎo)電回路，一是電源Us正端、電感L1、開關(guān)管VT、電源Us負(fù)端；另一個(gè)是電容Cl、開關(guān)管VT、負(fù)載RL、并聯(lián)電容C2、電感L2、電容C1，當(dāng)控制信號(hào)使VT截止時(shí)，電感L1中電流流經(jīng)電容Cl和二極管VD，即此時(shí)向電容Cl充電，二極管VD導(dǎo)通，電源Us、電感L1儲(chǔ)能同時(shí)向Cl傳遞能量，同時(shí)，輸出電壓UO靠濾波電容C2與電感L2基本維持不變。顯然，控制VT導(dǎo)通與關(guān)斷的比例，即可控制向Cl傳遞能量的多少，從而可控制輸出電壓的大小，所以開關(guān)管VT截止時(shí)，有兩個(gè)導(dǎo)電回路：一個(gè)是電源Us正端、電感L1、電容Cl、二極管VD、電源Us負(fù)端；另一個(gè)是電感L2、二極管VD、負(fù)載RL、并聯(lián)電容C2、電感L2。74機(jī)械工業(yè)出版社

（5）Speic電路圖2-35所示為Sepic斬波電路(SepicChopper)的主電路圖。由電感L1和L2、電容C1、開關(guān)VT、二極管VD、輸出側(cè)電容C2和負(fù)載R、輸入電源Us構(gòu)成。圖2-3-5

Speic斬波電路原理圖75機(jī)械工業(yè)出版社

（5）Speic電路VT處于通態(tài)時(shí)，Us、L1、VT構(gòu)成一個(gè)回路，Cl、VT、L2也構(gòu)成一個(gè)回路，兩個(gè)回路同時(shí)導(dǎo)電，L2儲(chǔ)能，使通過電感的電流上升。VT處于斷態(tài)時(shí)，Us、C1、VD和負(fù)載構(gòu)成一個(gè)回路，L2、VD和負(fù)載也構(gòu)成一個(gè)回路，兩個(gè)回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段Us通過L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向Cl充電。其中，Cl上儲(chǔ)存的能量在VT處于導(dǎo)通時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。圖2-3-5

Speic斬波電路原理圖76機(jī)械工業(yè)出版社

（6）Zeta電路：圖2-36所示為Zeta斬波電路(ZetaChopper)的主電路圖。由電感L1和L2、電容C1、開關(guān)管VT、二極管VD、輸出側(cè)電容C2和負(fù)載R、輸入電源Us構(gòu)成。在開關(guān)管VT處于通態(tài)期間，電源經(jīng)開關(guān)管VT向電感L1儲(chǔ)能。同時(shí)，Us和電容Cl通過電感L2共同向負(fù)載R供電，并向C2充電。圖2-3-6

Zeta電路原理圖77機(jī)械工業(yè)出版社

（6）Zeta電路開關(guān)管VT關(guān)斷后，L1、Cl、VD構(gòu)成振蕩回路，L1的能量通過二極管VD轉(zhuǎn)移至Cl，二極管VD導(dǎo)通，同時(shí)，C2向負(fù)載供電，L2的電流則經(jīng)負(fù)載并通過VD續(xù)流。能量全部轉(zhuǎn)移至Cl上之后，VD關(guān)斷，Cl經(jīng)L1向負(fù)載供電。圖2-3-6

Zeta電路原理圖78機(jī)械工業(yè)出版社2.組合式斬波電路

1）電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路是將降壓斬波電路與升壓斬波電路組合在一起，在拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第一象限和第二象限，該電路也稱為電流可逆兩象限斬波電路。

圖2-3-7

電流可斬波電路原理圖79機(jī)械工業(yè)出版社2）橋式可逆斬波電路當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)，以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場合時(shí)，就必須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，即成為橋式可逆斬波電路。

圖2-3-8

橋式可逆斬波電路原理圖80機(jī)械工業(yè)出版社3）多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐肥窃陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的下面分析三相三重降壓斬波電路及波形，電路相當(dāng)于由個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成，每個(gè)單元控制信號(hào)周期相同，但相位互差1/3周期。

圖2-3-9

多相多重?cái)夭娐吩韴D81機(jī)械工業(yè)出版社3.隔離型直流電路

1）正激電路由于圖中變壓器原邊通過單向脈動(dòng)電流，因此變壓器鐵芯（磁芯）極易飽和，為此，主電路中還須考慮變壓器鐵芯磁場防飽和措施，即應(yīng)如何使變壓器鐵芯磁場周期性地復(fù)位。另外，此時(shí)開關(guān)器件位置可稍作變動(dòng)，使其發(fā)射極與電源切相連，便于設(shè)計(jì)控制電路。

圖2-3-10

正激電路原理圖82機(jī)械工業(yè)出版社2）反激電路單端反激式變換器（FlybackConverter）在變壓器的一次側(cè)是降壓型Buck變換器，變壓器二次側(cè)是升壓型Boost變換器，也是一種隔離型直流變換器。單端反激變換器中變壓器的磁通也只在單方向變化，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將能量轉(zhuǎn)為磁能存儲(chǔ)在變壓器的電感中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軅魉徒o負(fù)載。

圖2-3-11

反激電路原理圖83機(jī)械工業(yè)出版社3）半橋電路半橋(Half-Bridge)電路的變壓器原邊繞組W1的匝數(shù)為N1,一般取兩個(gè)容量相同的輸入電容Cl，C2,當(dāng)開關(guān)管VT1VT2均截止時(shí)，Cl，C2的中點(diǎn)的電位UA是輸入電壓Us的一半，即Uc1=Uc2=Us/2。開關(guān)管VTIVT2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為UG1UG2它們?yōu)閮蓚€(gè)互為反向的PWM信號(hào)。副邊繞組W2的匝數(shù)為N2,其能量通過VD3~VD6構(gòu)成的單相橋式整流電路并經(jīng)電感電容濾波后輸出直流電壓。

圖2-3-12

半橋電路原理圖84機(jī)械工業(yè)出版社4）全橋電路將半橋電路中的兩個(gè)電解電容C2換成兩只開關(guān)管，調(diào)整連接并配上適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器，即可組成如圖所示的全橋(Bridge)電路。圖2-3-13

全橋電路原理圖85機(jī)械工業(yè)出版社5）推挽電路推挽(Push-Pull)電路實(shí)際由兩個(gè)正激電路組成，只是它們用同一個(gè)鐵芯工作且磁場交替激勵(lì)、方向相反。在每個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通和截止，在各自導(dǎo)通的半個(gè)周期內(nèi)，分別將能量傳遞給負(fù)載，所以稱為推挽電路。圖2-3-14

推挽電路原理圖86機(jī)械工業(yè)出版社

2.3.2直流-交流變換直流－交流變換是將直流電變成交流電的過程，是整流的逆向過程，也稱為逆變變換逆變是與整流相對應(yīng)的，實(shí)現(xiàn)逆變的電路稱為逆變電路，實(shí)現(xiàn)逆變的裝置稱為逆變器。當(dāng)逆變電路的交流側(cè)接電網(wǎng)（源），則電網(wǎng)（源）成為負(fù)載，在運(yùn)行中將直流電能變換為交流電能并回送到電網(wǎng)（源）中去，稱為有源逆變當(dāng)逆變電路交流側(cè)接負(fù)載時(shí)，在運(yùn)行中將直流電能變換為某頻率或可調(diào)頻率的交流電能供給交流負(fù)載，稱為無源逆變。87機(jī)械工業(yè)出版社1.逆變器分類逆變器的分類方法很多，常用的有以下幾種分類方法。①根據(jù)輸入直流電源的特點(diǎn)，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。電壓型逆變器的輸入直流電源為恒壓源，直流電壓穩(wěn)定，在直流側(cè)一般接有儲(chǔ)能電容器電流型逆變器的輸入直流電源為恒流源，直流電流穩(wěn)定，在直流側(cè)一般接有儲(chǔ)能大電感。②根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為半橋式逆變電路、全橋式逆變電路、推挽式逆變電路等。③根據(jù)開關(guān)器件的工作狀態(tài)，可分為軟開關(guān)逆變電路和硬開關(guān)逆變電路。④根據(jù)輸出波形，可分為正弦波逆變器和非正弦波逆變器⑤根據(jù)輸出相數(shù)，可分為單相逆變電路和三相逆變電路。88機(jī)械工業(yè)出版社2.換流方式1）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流(DeviceCommutation)。器件換流是換流方式中最簡單的一種，適用于各種由全控型器件構(gòu)成的電力電子電路，在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2）電網(wǎng)換流電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式稱為電網(wǎng)換流(LineCommutation)。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上并保待一定時(shí)間即可使其關(guān)斷。這種換流方式主要適用千半控型器件，不需要為換流添加任何元件，不需要器件具有門極可關(guān)斷能力。這種換流方式不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。89機(jī)械工業(yè)出版社3）負(fù)載換流采用負(fù)載換流(LoadCommutation)時(shí)，要求負(fù)載電流的相位必須超前千負(fù)載電壓的相位，即負(fù)載為電容性負(fù)載，且負(fù)載電流超前電壓的時(shí)間應(yīng)大千晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，即能保證該導(dǎo)通晶閘管可靠關(guān)斷，觸發(fā)導(dǎo)通另一晶閘管，完成電流轉(zhuǎn)移。4）強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流(ForcedCommutation)。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。90機(jī)械工業(yè)出版社3.常用逆變電路1）電壓型單相半橋逆變器電壓型單相半橋方波逆變電路如圖所示。它由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)可控元件和兩個(gè)個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容Cl、C2,且滿足C1=C2

。半橋逆變電路優(yōu)點(diǎn)是使用的元器件少，其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值僅為Ud/2,且需要分壓電容器。圖2-3-15

電壓型單相半橋逆變器原理圖91機(jī)械工業(yè)出版社2）電壓型單相全橋逆變器電壓型單相全橋逆變電路原理圖如圖。橋臂VT1、VT4構(gòu)成一組，橋臂VT2、VT3構(gòu)成一組，成組的橋臂同時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷，兩組橋臂交替各導(dǎo)通180°。其輸出電壓、電流與單相半橋逆變電路基本相同，但幅值不相同，幅值高出1倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud

來實(shí)現(xiàn)圖2-3-16

電壓型單相全橋逆變器原理圖92機(jī)械工業(yè)出版社3）電流型單相全橋逆變器電流型單相橋式方波逆變電路如圖所示，輸入側(cè)為串接大電感的電流源，主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器件時(shí)，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關(guān)器件支路串入二極管VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3關(guān)斷時(shí)，io=Id；反之，當(dāng)VT2,VT3導(dǎo)通，VT1，VT4關(guān)斷時(shí)，io=-Id

。不論電路負(fù)載性質(zhì)如何，其輸出電流波形不變，為矩形波，而輸出電壓波形由負(fù)載性質(zhì)決定。圖2-3-17

電壓型單相全橋逆變器原理圖93機(jī)械工業(yè)出版社4）電壓型三相橋式逆變器電壓型三相橋式逆變電路如圖所示電路由3個(gè)半橋電路組成，圖中采用電力晶體管作為開關(guān)元件，二極管VD1~VD6為續(xù)流二極管，3個(gè)中點(diǎn)接三相負(fù)載，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為180°導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角為180°，同一相上下橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差120°。因?yàn)槊看螕Q流都在同一相上下橋臂之間進(jìn)行，因此稱為縱向換流。圖2-3-18

電壓型三相橋式逆變器原理圖94機(jī)械工業(yè)出版社5）電流型三相橋式逆變器如圖所示為電流型相橋式逆變電路原理圖。輸入直流側(cè)串接大電感，逆變橋采用GTO為可控元件。電流型三相橋式逆變電路的基本工作方式是120°導(dǎo)通方式，與三相橋式整流電路相似，任意瞬間只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通，導(dǎo)通順序?yàn)閂Tl~VT6,VT1~VT2、VT2~VT3、VT3~VT4、VT4~VT5、VT5~VT6、VT6~VT1,依次間隔60°每個(gè)橋臂導(dǎo)通120°。這樣，每個(gè)時(shí)刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個(gè)臂導(dǎo)通，換流時(shí)，在上橋臂組或下橋臂組內(nèi)依次換流，屬于橫向換流。圖2-3-19

電流型三相橋式逆變器原理圖95機(jī)械工業(yè)出版社

2.3.3交流-直流變換交流－直流(AC-DC)變換是把交流電變換為直流電的變流過程，這個(gè)過程稱為整流，由二極管作為整流元件所獲得的直流電壓值是固定的，這種變流方式稱為不可控整流。如果采用晶閘管作為整流元件，則可以通過控制門極觸發(fā)脈沖施加的時(shí)刻來控制輸出整流電壓的大小，這種變流稱為可控整流。96機(jī)械工業(yè)出版社1.單相可控整流1）單相全橋橋式整流電路a.電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路，由整流變壓器供電。品閘管VT1VT4VT2VT3組成兩對橋臂，整流變壓器TR主要用來變換電壓，U1為變壓器初級(jí)電壓，變壓器次級(jí)電壓U2接在橋臂的中點(diǎn)端上,其有效值U2是根據(jù)輸出直流電壓平均值Ud決定的，R為負(fù)載電阻。圖2-3-20

單相全橋橋式整流電路電阻性負(fù)載原理圖97機(jī)械工業(yè)出版社1）單相全橋橋式整流電路b.電感性負(fù)載當(dāng)負(fù)載中的感抗與電阻的大小相比不可忽略時(shí)，這個(gè)負(fù)載稱為電感性負(fù)載。例如各種電動(dòng)機(jī)的激磁繞組，整流輸出端接有平波電抗器的負(fù)載等。為了便于分析，將電感與電阻分開，由于電感具有阻礙電流變化的作用，因而電感中的電流不能突變。當(dāng)流過電感中的電流變化時(shí)，在電感兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，引起電壓降uL,由于負(fù)載中電感量的大小不同，整流電路的工作情況及輸出ud、id

的波形具有不同的特點(diǎn)。圖2-3-21

單相全橋橋式整流電路電感性負(fù)載原理圖98機(jī)械工業(yè)出版社1）單相全橋橋式整流電路c.反電動(dòng)勢電阻負(fù)載正在運(yùn)行的直流電動(dòng)機(jī)的電樞和被充電的蓄電池等負(fù)載本身是一個(gè)直流電源，對于可控整流電路來說，它們是反電勢負(fù)載，其等效電路用電勢E和內(nèi)阻R表示，整流電路接有反電勢負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)電源電壓U2大于反電勢E時(shí)，晶閘管才能觸發(fā)導(dǎo)通。U2<E時(shí)，晶閘管承受反壓關(guān)斷。在晶閘管導(dǎo)通期間，輸出整流電壓ud=E+idR:在晶閘管關(guān)斷期間，負(fù)載端電壓保待原有電勢，故整流平均電壓比電感性負(fù)載時(shí)大。圖2-3-22

單相全橋橋式整流電路反電動(dòng)勢電阻負(fù)載負(fù)載原理圖99機(jī)械工業(yè)出版社2）單相全波可控整流電路a.電阻性負(fù)載單相全波可控整流電路電阻性負(fù)載如圖所示，變壓器帶中心抽頭接負(fù)載一端，變壓器次級(jí)另兩端分別接晶閘管，圖中晶閘管共陰極連接。圖2-3-23

單相全波可控整流電路電阻性負(fù)載原理圖100機(jī)械工業(yè)出版社2）單相全波可控整流電路b.電感性負(fù)載當(dāng)電感量極大，wL>>R的情況下，負(fù)載電流id的脈動(dòng)分量變得很小，其電流波形近似于平行于橫軸直線，流過晶閘管的電流近似為矩形波，電阻電感負(fù)載、且電路在0°到90°范圍工作時(shí)，單相全波可控整流電路輸出直流電壓與單相橋式全控整流電路相同。圖2-3-24

單相全波可控整流電路電感性負(fù)載原理圖101機(jī)械工業(yè)出版社2）單相全波可控整流電路c.帶續(xù)流二極管為了提高輸出電壓，消除Ud負(fù)值部分，同時(shí)使輸出電流更加平直，在實(shí)用中，可接續(xù)流二極管VD。圖2-3-25

單相全波可控整流電路帶續(xù)流二極管原理圖102機(jī)械工業(yè)出版社3）其他單相可控整流電路a.單相半波可控整流電路如圖2-3-26所示為電阻性負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路，在u2正半周，改變觸發(fā)時(shí)刻，輸出ud和id隨之改變；在u2負(fù)半周，晶閘管截止。輸出直流電壓ud是變化的脈動(dòng)直流，其波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路稱為單相半波可控整流電路。整流電壓ud波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路也稱為單脈波整流電路。圖2-3-26

單相半波可控整流（電阻性負(fù)載）電路原理圖103機(jī)械工業(yè)出版社3）其他單相可控整流電路a.單相半波可控整流電路圖2-3-27所示為阻感負(fù)載時(shí)帶續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，整流電壓ud波形與電阻負(fù)載時(shí)一致：在u2負(fù)半周，負(fù)載電流通過二極管續(xù)流，負(fù)載兩端電壓為零。圖2-3-27

單相半波可控整流（阻感負(fù)載帶續(xù)流二極管）電路原理圖104機(jī)械工業(yè)出版社3）其他單相可控整流電路b.單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。圖2-3-28

單相橋式半控整流電路原理圖105機(jī)械工業(yè)出版社2.三相可控整流1）三相半波可控整流電路a.電阻性負(fù)載三相半波可控整流電路又稱三相零式電路，由三相整流變壓器供電，為得到零線，變壓器二次側(cè)必接成星型，初級(jí)接成三角型，以減少3次諧波的影響。3個(gè)晶閘管VTI、VT2、VT3陽極分別接在變壓器次級(jí)繞阻a相、b相和c相上，它們的陰極連在一起經(jīng)負(fù)載與三相變壓器次級(jí)繞組的中線相連，這種接法稱為共陰極電路。圖2-3-28

三相半波控整流電路電路（電阻性負(fù)載）原理圖106機(jī)械工業(yè)出版社1）三相半波可控整流電路b.電感性負(fù)載由于電感中感應(yīng)電勢的作用，仍能使原導(dǎo)通相的晶閘管承受正向電壓繼續(xù)導(dǎo)通，整流電壓ud波形出現(xiàn)負(fù)值。圖2-3-29

三相半波控整流電路電路（電感性負(fù)載）原理圖107機(jī)械工業(yè)出版社1）三相半波可控整流電路c.三相半波共陽極可控整流電路有一種共陽極電路，即將3個(gè)晶閘管的陽極連在一起，其陰極分別接變壓器三相繞組，變壓器的零線作為輸出電壓的正端，晶閘管共陽極端作為輸出電壓的負(fù)端，如圖所示。圖2-3-30

三相半波共陽極可控整流電路原理圖108機(jī)械工業(yè)出版社2）三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路與三相半波電路相比，輸出整流電壓提高1倍，輸出電壓的脈動(dòng)較小，變壓器利用率高且無直流磁化問題。由于在整流裝置中，三相橋電路晶閘管的最大失控時(shí)間只為三相半波電路的一半，故控制快速性較好，因而在大容量負(fù)載供電、電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。圖2-3-31

三相橋式全控整流電路原理圖109機(jī)械工業(yè)出版社3.PWM整流電路1）電壓型單相橋式PWM整流電路電壓型單相半橋和全橋PWM整流電路結(jié)構(gòu)如圖2-3-32所示，圖中暫不考慮輸入電阻的影響，若電阻阻值較大時(shí)需考慮電阻上的壓降，它等于電阻與輸入電流的乘積。對于半橋電路來說，直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接，對于全橋電路來說，直流側(cè)有一個(gè)濾波電容。圖2-3-32

電壓型單相橋式PWM整流電路a)單相半橋電路

b)單相全橋電路110機(jī)械工業(yè)出版社2）電壓型三相PWM整流電路通過調(diào)制的A、B、C這三個(gè)中點(diǎn)對N點(diǎn)的電壓有5個(gè)狀態(tài)，5個(gè)狀態(tài)的電壓值分別為0、+Ud/3、-Ud/3、+2Ud/3、-2Ud/3,其波形呈正弦變化，在基波零點(diǎn)附近電壓值小，多為0、+Ud/3、-Ud/3,在基波峰值附近電壓值大，多為+2Ud/3和-2Ud/3.圖2-3-33

電壓型三相PWM整流電路111機(jī)械工業(yè)出版社2）電壓型三相PWM整流電路通過調(diào)制的A、B、C這三個(gè)中點(diǎn)對N點(diǎn)的電壓有5個(gè)狀態(tài)，5個(gè)狀態(tài)的電壓值分別為0、+Ud/3、-Ud/3、+2Ud/3、-2Ud/3,其波形呈正弦變化，在基波零點(diǎn)附近電壓值小，多為0、+Ud/3、-Ud/3,在基波峰值附近電壓值大，多為+2Ud/3和-2Ud/3.圖2-3-33

電壓型三相PWM整流電路112機(jī)械工業(yè)出版社

2.3.4交流-交流變換交流調(diào)壓電路的控制方式有3種：整周波通斷控制、相位控制、斬波控制在整波通斷控制方式中，晶閘管是作為交流開關(guān)使用的，它把負(fù)載與電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾個(gè)周波改變通斷比來改變輸出功率。相位控制時(shí)在電源電壓上下半波的某個(gè)相位分別導(dǎo)通VT1，VT2晶閘管，改變控制角即可改變負(fù)載接通電壓的時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。斬波控制方式時(shí)，晶閘管要帶有強(qiáng)迫關(guān)斷電路或采用GTR、MOSFET、IGBT等自關(guān)斷器件，在每個(gè)電壓周波中，開關(guān)元件多次通斷，把電壓斬波成多個(gè)脈沖，改變導(dǎo)通比即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓相位控制交流調(diào)壓又稱相控調(diào)壓，是交流調(diào)壓中的基本控制方式，應(yīng)用最廣，下面是幾種典型的交流調(diào)壓電路：113機(jī)械工業(yè)出版社

圖2-3-34單相交流調(diào)壓電路圖2-3-35電阻性負(fù)載Y型連接的三相交流調(diào)壓器114機(jī)械工業(yè)出版社

圖2-3-36所示為單相交－交變頻電路的基本原理圖和輸出電壓波形。電路由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成。變流器都是相控整流電路。P組工作時(shí)，負(fù)載電流iO為正：N組工作時(shí)，iO為負(fù)。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組交流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率ωO。改變變流電路工作時(shí)的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值。圖2-3-36

單相交－交變頻電路原理圖115機(jī)械工業(yè)出版社

2.3.5軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)問世以來，經(jīng)歷了不斷發(fā)展和完善，前后出現(xiàn)了許多種軟開關(guān)電路，直到目前為止，新型的軟開關(guān)拓?fù)淙圆粩喑霈F(xiàn)。由于存在眾多的軟開關(guān)電路，而且各自有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，因此對這些電路進(jìn)行分類是很必要的。根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路分成零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種軟開關(guān)電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。但也有個(gè)別電路，電路中的某些開關(guān)是零電壓開通的，另一些開關(guān)是零電流關(guān)斷的。根據(jù)諧振機(jī)理可將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路，諧振電路也稱為諧振腔或諧振槽路。下面分別介紹上述三類軟開關(guān)電路。116機(jī)械工業(yè)出版社1.準(zhǔn)諧振電路準(zhǔn)諧振電路是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。它可以分為：a.零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter,'ZVSQRC)b.零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter,ZCSQRC)c.零電壓開關(guān)多諧振電路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter,'ZVSMRC)用于逆變器的諧振直流環(huán)節(jié)電路(ResonantDCLink)圖2-3-37所示為前3種軟開關(guān)電路的基本開關(guān)單元，諧振直流環(huán)節(jié)電路的工作原理在下一節(jié)詳細(xì)敘述。117機(jī)械工業(yè)出版社a)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元圖2-3-37

前三種軟開關(guān)基本電路118機(jī)械工業(yè)出版社b)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元圖2-3-37

前三種軟開關(guān)基本電路119機(jī)械工業(yè)出版社c)零電壓開關(guān)多諧振電路的基本開關(guān)單元圖2-3-37

前三種軟開關(guān)基本電路120機(jī)械工業(yè)出版社2.零開關(guān)PWM電路零開關(guān)PWM電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后，它可以分為：零電壓開關(guān)PWM電路Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter,ZVSPWM)。零電流開關(guān)PWM電路Zero-Current-SwitchingPWMConverter,ZCSPWM)。這兩種電路的基本開關(guān)單元如圖2-3-38所示，同準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。121機(jī)械工業(yè)出版社a)零電壓PWM電路的基本開關(guān)單元圖2-3-38零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元122機(jī)械工業(yè)出版社b)零電流PWM電路的基本開關(guān)單元圖2-3-38零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元123機(jī)械工業(yè)出版社3.零轉(zhuǎn)換PWM電路零轉(zhuǎn)換PWM電路也采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻。所不同的是，諧振電路是與開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)，而且電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進(jìn)一步提高。零轉(zhuǎn)換PWM電路可以分為：零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-Voltage-TransitionPWMConverter,ZVTPWM)。零電流轉(zhuǎn)換PWM電路(Zero-CurrentTransitionPWMConverter,ZCTPWM)。這兩種電路