第2章 电源变换与控制技术基础知识

1、第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识1机械工业出版社 第第2 2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识2机械工业出版社 绪论绪论电力电子技术的发展与现状电力电子技术的发展与现状 2.1 常用电力电子器件及其分类常用电力电子器件及其分类 2.2 半导体功率器件的驱动与保护半导体功率器件的驱动与保护 2.3 常用脉宽调制（常用脉宽调制（PWM）技术）技术 2.4 现代电力电子的应用现代电力电子的应用电源变换的基本拓扑电源变换的基本拓扑 2.5 电力电子技术的发展趋势电力电子技术的发展趋势

2、 主要内容主要内容第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识3机械工业出版社 现代电力电子技术的构成现代电力电子技术的构成 电力电子器件的发展历程电力电子器件的发展历程 半导体功率器件的现状半导体功率器件的现状 电力电子装置的发展历程电力电子装置的发展历程 绪绪 论论 电力电子技术的发展与现状电力电子技术的发展与现状第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识4机械工业出版社 1. 1. 现代电力电子技术（电力电子学）的构成现代电力电子技术（电力电子学）的构成 电力技术（电力设备、电力网络）电力技术（电力设备、电力网络） 电子技术（电子器件、电子电路）

3、电子技术（电子器件、电子电路） 控制技术（连续、离散）控制技术（连续、离散）第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识5机械工业出版社19741974年美国学者年美国学者W.NewellW.Newell用于表征电力电子技术的倒三角用于表征电力电子技术的倒三角第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识6机械工业出版社 2. 2. 电电力力电电子子器件的发展历程器件的发展历程第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识7机械工业出版社 3. 半导体功率器件的现状半导体功率器件的现状第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技

4、术基础知识8机械工业出版社 4. 4. 电电力力电电子子装置的发展历程装置的发展历程1 1）从低频（工频）技术为主的传统电力电子学，向）从低频（工频）技术为主的传统电力电子学，向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。2 2）电力电子装置的发展起始于）电力电子装置的发展起始于2020世纪世纪5050年代末年代末6060年年 代初的硅整流器件（代初的硅整流器件（SCRSCR），先后经历了：），先后经历了：整流整流 器、逆变器、开关电源（器、逆变器、开关电源（UPSUPS）和变频器）和变频器时代。时代。3 3）2020世纪世纪8080年代末期和年代末期和90

5、90年代初期以功率年代初期以功率MOSFETMOSFET和和 IGBTIGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的全为代表的集高频、高压和大电流于一身的全 控型功率半导体复合器件，表明传统电力电子技控型功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。术已经进入现代电力电子时代。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识9机械工业出版社 2.12.1 常用电力电子器件及其分类常用电力电子器件及其分类 电力电子及其特性电力电子及其特性 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 几种典型的电力电子器件几种典型的电力电子器件 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电

6、源变换和控制技术基础知识10机械工业出版社 2.1.12.1.1电力电子器件的特征和分类电力电子器件的特征和分类电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器件。现电能的传输、变换或控制的电子器件。1. 电力电子器件具有的主要特征电力电子器件具有的主要特征电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数；电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数； 电力电子器件往往工作在开关状态；电力电子器件往往工作在开关状态；在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。第第

7、2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识11机械工业出版社2. 2. 电力电子器件的分类电力电子器件的分类（1 1）按可控性分类）按可控性分类 1 1）不控型器件：不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件电子器件 。如。如，功率二极管（功率二极管（Power Diode）、整流二、整流二极管等极管等。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识12机械工业出版社 2）半控型器件：）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。器件导通，但不能控

8、制其关断的电力电子器件。晶闸管晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件及其大部分派生器件(除除GTO及及MCTMOSFET控制晶闸管等复合器件外控制晶闸管等复合器件外)，器，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复阻断。小通态电流使其恢复阻断。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识13机械工业出版社3）全控型器件：）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管（GTR）

9、、绝缘栅双极型晶体管）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶、门极可关断晶闸管（闸管（GTO）和电力场效应晶体管）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。等。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识14机械工业出版社 （2 2）按驱动信号类型分类）按驱动信号类型分类 1) 电流驱动型：电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如如Thyrister，GTR，GTO等。等。 2) 电压驱动型：电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加通过对控

10、制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如称为电压驱动型器件，如PMOSFET，IGBT等。等。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识15机械工业出版社3. 几种典型的电力电子器件几种典型的电力电子器件 l不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管l半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管l电力场效应晶体管电力场效应晶体管P-MOSFETl绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识16机械工业出版社1.1.不可控器件不可

11、控器件电力二极管电力二极管（1）电力二极管的基本特性：）电力二极管的基本特性：电力二极管（电力二极管（Power Diode）承受的反）承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（和伏安（VA）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。图所示。图图2-1 电力二极管电路符号及伏安（电力二极管电路符号及伏安（VA）特性）特性第第2章

12、章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识17机械工业出版社（2 2）电力二极管的主要参数）电力二极管的主要参数l正向平均电流正向平均电流IF(AV) ：电力二极管在连续运行条件电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。流过的最大工频正弦半波电流的平均值。l反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM ：指对电力二极管所能重指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压压URBO的的2/3。第第2章章 电源变换和控制技术基础

13、知识电源变换和控制技术基础知识18机械工业出版社l正向通态压降正向通态压降UF ：在额定结温下，电力二极管在在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正向电流（导通状态流过某一稳态正向电流（IF）所对应的正）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。 l反向恢复电流反向恢复电流IRP及反向恢复时间及反向恢复时间trr ：反向恢复时反向恢复时间间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值反向恢复电流峰值25的时间。反向恢复电流的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间及恢复时间trr与正

14、向导通时的正向电流与正向导通时的正向电流IF及电流下及电流下降率降率diF/dt密切相关。密切相关。l反向恢复过程：反向恢复过程：受二极管受二极管PN结中空间电荷区存储结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。复合后，二极管才呈现高阻状态。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识19机械工业出版社2 2. .半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管图图2-2 晶闸管电路符号及伏安（晶闸管电路符号

15、及伏安（VA）特性）特性 优点：优点：晶闸管可以承晶闸管可以承受的电压、电流在功受的电压、电流在功率半导体中均为最高率半导体中均为最高，具有价格便宜、工，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但其开关频率较低，但在大功率、低频电力在大功率、低频电力电子装置中仍占主导电子装置中仍占主导地位。地位。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识20机械工业出版社（1）基本特性：）基本特性：l电流触发特性电流触发特性：当晶闸管当晶闸管A AK K极间承受正向电压极间承受正向电压时，如果时，如果G GK K极间流过正向触发电流，就会使晶极间流过正向触发

16、电流，就会使晶闸管导通。闸管导通。l单向导电特性单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。极有无触发电流，晶闸管都不会导通。l半控型特性半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其关断，可对其A AK K极间施加反向电压或使其流过极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（的电流小于维持电流（I IH H）。）。第第2章章

17、 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识21机械工业出版社（2）主要参数主要参数l额定电压额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压施加的正、反向断态重复峰值电压U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的一个中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压电压值称为晶闸管的额定电压U UT T。l正、反向断态重复峰值电压正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开晶闸管门极开路路( (I Ig g=0)=0)、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、反

18、向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（U UDSMDSM、U URSMRSM） 的的90%90%。正向断态不重复峰值电压应小于转。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（折电压（U Ubobo）。）。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识22机械工业出版社l通态平均电流通态平均电流IT(AV)：在环境温度为在环境温度为4040和规定的和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这

19、也是额定电流的参数。这也是额定电流的参数。l维持电流维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百一般为几十到几百mAmA。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识23机械工业出版社3.3.电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET（1）基本特性基本特性图图2-3 电力电力MOSFET结构图和电路图形符号结构图和电路图形符号第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识24机械工业出版社a)转移特性转移特性 b)输出特性输出特性图图2-4 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出

20、特性第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识25机械工业出版社（2）主要参数）主要参数l漏极电压漏极电压UDSl漏极直流电流额定值漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值和漏极脉冲电流峰值IDM l漏源通态电阻漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（在栅源间施加一定电压（101015V15V），漏源间的导通电阻。），漏源间的导通电阻。l栅源电压栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当栅源之间的绝缘层很薄，当| |U UGSGS|20V|20V时将导致绝缘层击穿。时将导致绝缘层击穿。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识26机械工业出版

21、社（2）主要参数）主要参数l极间电容：极间电容：MOSFETMOSFET的的3 3个电极之间分别存在极个电极之间分别存在极间电容间电容C CGSGS、C CGDGD、C CDSDS。一般生产厂商提供的是。一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容漏源极短路时的输入电容C Cississ、共源极输出电、共源极输出电容容C Cossoss和反向转移电容和反向转移电容C Crss rss 。 Ciss= CGS+ CGD （2-1） Crss=CGD （2-2） Coss=CDS+CGD （2-3）第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识27机械工业出版社4.4.绝缘栅双极型

22、晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT（1）基本特性：）基本特性：图图2-5 IGBT电路符号图形电路符号图形 静态特性与静态特性与P-MOSFET类似；类似；UGE=0时时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为足够大（一般为515V），），IGBT进入导通状态（通态）进入导通状态（通态），当，当UCE大于一定值（一般大于一定值（一般2V左右）时左右）时IC0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识28机械工业出版社（2

23、）主要参数）主要参数l最大集射极间电压最大集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。晶体管所能承受的击穿电压确定的。l最大集电极电流最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流包括在一定壳温下的额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。l最大集电极功耗最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。l集射极间饱和压降集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（对栅极与发射极（GE）间施加）间施加一定正向电压，在一定的

24、结温及集电极电流条件下，集射极一定正向电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极（CE）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。并联运行较为容易。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识29机械工业出版社2.22.2 半导体功率器件的驱动与保护电路半导体功率器件的驱动与保护电路 实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及保护电实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及保护电路、控制电路、检测与显

25、示电路等多个子系统构成。驱动路、控制电路、检测与显示电路等多个子系统构成。驱动器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分为为电流驱动型器件电流驱动型器件和和电压驱动型器件电压驱动型器件的两大类驱动器。电的两大类驱动器。电流驱动型器件主要有流驱

26、动型器件主要有SCR、GTO和和GTR，电压驱动型器，电压驱动型器件主要有件主要有MOSFET、IGBT和和SIT等。等。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识30机械工业出版社2.2.12.2.1 晶闸管晶闸管SCRSCR触发驱动器触发驱动器图图26采用变压器隔离的采用变压器隔离的SCR驱动器驱动器 图图27 采用光耦隔离的采用光耦隔离的SCR驱动器驱动器 TRIGTRAtIgmt1t2t3IVSGSCRVDVDUccR3R2IGLEDLATR1SCR第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识31机械工业出版社 2.2.22.2.2 IGBT

27、IGBT和和MOSFETMOSFET驱动器驱动器 和双极型晶体管（和双极型晶体管（GTR）不同，功率）不同，功率MOSFET和和IGBT器件都器件都是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（ns级）外，同级）外，同样需要足够大的栅极驱动能力（一般为样需要足够大的栅极驱动能力（一般为15V）和反向电压（一般）和反向电压（一般为为5v），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。

28、第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识32机械工业出版社功率功率MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT器件驱动器应用实例器件驱动器应用实例 1 1TLP250TLP250功率驱动电路及应用功率驱动电路及应用图图29 TLP250组成的驱动电路组成的驱动电路VSVSVS112321321020VDSGRCRVTRVTRNC1IN+2IN-3NC4GND5Vo6Vo7VCC8TLP250VT第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识33机械工业出版社2 2UC3724/UC3725UC3724/UC3725驱动电路驱动电路图图210 UC372

29、4/3725功率功率MOSFET驱动电路驱动电路VCCSGNDPGNDRTCTPH1OUTAOUTBUC3724INAINBTIMENAVCCOUTISCOMRRRRRIN5817CCCVTINAINBTIMENAVCCOUTISCOMRRRRRIN5817CCCVTinputUUUUC3725UC3725CC1Voffoffoffoff12GGFFFSS12VF2CC2CC3UDD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识34机械工业出版社3 3IHD680IHD680驱动电路驱动电路图图211 IHD680驱动电路驱动电路IN1+IN1-IN2-IN2+VCCGNDS

30、O2+SO2-SO1-SO1+E1COM1Cs1Cb1Ref1G1ME1E2COM2Cs2Cb2Ref2G2ME21234910151617181920212223242530313233343536CRRCVSVSVSVSCCRRCVSVSVSVSCCRRIHD680+15V+15V12s1s2s2s2b2m2ef21ef22ef23m2m22m21G2b1m1m1G1m12ef11ef12ef13m11Status Output2Status Output1High SideLow SideVDVDVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识35机械工业出版社4

31、 4MAX4428MAX4428驱动电路驱动电路图图212 MAX4428驱动电路驱动电路NCNCAnodeCathodeNCNCVccVddEnOutOutbGndGndInaInbOutaRRCC+CGNDGNDUUInOutaOutb112CC232DD16N137MAX4428第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识36机械工业出版社5 5IR2110IR2110驱动电路驱动电路图图213 IR2110驱动电路驱动电路VddHINSDLINVssCOMLoVCCVSHoVB123567910111213CCVSVSVTVTUUUHINLIN过流保护CCDDH1C

32、C2L12VDIR2110第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识37机械工业出版社6 6EXB841EXB841驱动电路驱动电路图图214 EXB841内部电路内部电路TLP550ISO1141592RRRRR2.2KRRR10RRRCCCCC2.2nABCVSVS5.1V54VTEDVTVTVTVT12345123452345678910g76211EXB8410VVTIGBT16ECGVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识38机械工业出版社 2.2.32.2.3 功率器件的保护电路功率器件的保护电路1 1过电流保护电路过电流保护电

33、路 过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到装置的可靠性。装置的可靠性。 MOSFET和和IGBT的过流允许值一般为的过流允许值一般为2倍的电流额定值，倍的电流额定值，IGBT允允许过流时间一般许过流时间一般20s， MOSFET允许过流时间还要小。考虑到过电允许过流时间还要小。考虑到过电流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的电流流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的电流传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。 除了在驱动电路中加过流保护功能外，还

34、要在整流电路输出、逆除了在驱动电路中加过流保护功能外，还要在整流电路输出、逆变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识39机械工业出版社 电流传感器的安装位置可选择为：与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电流传感器的安装位置可选择为：与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电路或负载回路的过电流。与负载串联，可检测负载回路的过电流。与每一个电路或负载回路的过电流。与负载串联，可检测负载回路的过电流。与每一个IGBT串联，可直接检测串联，可直接检测IGBT的过电流，但使用的电流传感

35、器多，成本高，一般不用。的过电流，但使用的电流传感器多，成本高，一般不用。 图图215 电流检测传感器的安装位置电流检测传感器的安装位置uVTL负载VTVTVTVTCC1133332iR1R2R3R4012345123401VDVDVDVDVDVDVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识40机械工业出版社 2 2过电压保护电路过电压保护电路 过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用，设计合适的缓冲电路吸收，设计合适的缓冲电路吸收du/dt或采用软开关技术。采或采用软开关技术。采用性能良好的缓冲电路，可使功率用性

36、能良好的缓冲电路，可使功率MOSFET或或IGBT工作工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识41机械工业出版社典典型型缓缓冲冲吸吸收收电电路路实实例例 a) b)c) d) 图图217 缓冲吸收电路的主要形式缓冲吸收电路的主要形式CCCCCCRRs1s2s3s4s1s2s1s2CRCRCRCRCCRRs1s2s1s2s1s2s1s2s3s4s1s2s3s4s1s2s3s4V

37、DVDVDVDVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识42机械工业出版社 2.32.3 常用脉宽调制（常用脉宽调制（PWMPWM）控制技术）控制技术 2.3.1 2.3.1 直流直流PWMPWM控制技术控制技术 常用直流的脉冲宽度调制（常用直流的脉冲宽度调制（PWM）是通过功）是通过功率开关器件的开关作用，将恒定直流电压转换成率开关器件的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度从而改变输出电压平均值的一种脉冲电压的宽度从而改变输出电压平均值的一种功率变换技术。功率变换技术。第

38、第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识43机械工业出版社BuckBuck变换器示意图变换器示意图 b) b) 输出电压波形统输出电压波形统图图2 21818 降压型直流降压型直流PWMPWM变换器变换器第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识44机械工业出版社图图2 21919 双极式双极式H H型型PWMPWM变换器变换器第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识45机械工业出版社图图2 22020 双极式双极式PWMPWM变换器的电压和电流波形变换器的电压和电流波形第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术

39、基础知识46机械工业出版社2.3.2 2.3.2 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）控制技术）控制技术图图2 22121 SPWMSPWM调制的基本原理调制的基本原理第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识47机械工业出版社u0ut0t图图2 22222 SPWMSPWM的基本原理等效图的基本原理等效图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识48机械工业出版社图图2 22323 SPWM SPWM原理的数学描述图原理的数学描述图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识49机械工业出版社图图2 22424 单

40、相全桥单相全桥SPWMSPWM变换器工作原理图变换器工作原理图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识50机械工业出版社图图2 22525 单极式单极式SPWMSPWM控制控制第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识51机械工业出版社图图2 22626 双极式双极式SPWMSPWM控制控制第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识52机械工业出版社2.3.32.3.3 SVPWM SVPWM与与CHBPWMCHBPWM控制技术控制技术 1. 1. SVPWMSVPWM控制技术控制技术 空间电压合成矢量的脉冲宽度调制空间电压合

41、成矢量的脉冲宽度调制(SVPWM，Space Vector Pulse Width Modulation)，简称空间矢量脉宽调制简称空间矢量脉宽调制（SVPWM）第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识53机械工业出版社图图2 22727 三相三相SVPWMSVPWM逆变器逆变器异步电机原理图异步电机原理图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识54机械工业出版社图图2 22828 基本基本SVPWMSVPWM轨迹图轨迹图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识55机械工业出版社 2.2.CHBPWMCHBPWM控制技术控

42、制技术 一种常用又简单的电流闭环控制方法是电一种常用又简单的电流闭环控制方法是电流滞环跟踪流滞环跟踪PWM（CHBPWM，Current Hysteresis Band PWM）控制。）控制。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识56机械工业出版社图图2 22929 电流滞环跟踪控制的原理图电流滞环跟踪控制的原理图第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识57机械工业出版社图图2 23030 电流滞环跟踪控制的波形图电流滞环跟踪控制的波形图a a）给定与输出电流波形）给定与输出电流波形 b b）PWMPWM电压波形电压波形第第2章章 电源变换和控

43、制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识58机械工业出版社 2.42.4 现代电力电子的应用现代电力电子的应用 基本电源变换与典型应用基本电源变换与典型应用电力电子变换与控制技术（以四大变换展开）电力电子变换与控制技术（以四大变换展开）谐波抑制与功率因素校正技术谐波抑制与功率因素校正技术电力电子技术的典型应用案列电力电子技术的典型应用案列第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识59机械工业出版社2.4.1 2.4.1 电力电子变换与控制系统电力电子变换与控制系统1.主要由主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大四大基本变换基本变换及其组合构成及其组合构成

44、的主电路拓扑。的主电路拓扑。2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检测、件（硬件）、控制策略（软件）和检测、保护、驱动等组成。保护、驱动等组成。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识60机械工业出版社四大基本变换的拓扑形式四大基本变换的拓扑形式lAC-DC变换电路变换电路lDC-DC变换电路变换电路lDC-AC变换电路变换电路lAC-AC变换电路变换电路第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识61机械工业出版社2.4.2 2.4.2 ACDCACDC变换电路变换电路 交流交流直

45、流变换器直流变换器（ACDC Converter）的的功能是将交流电变换成直流电，又称为整流器。功能是将交流电变换成直流电，又称为整流器。第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识62机械工业出版社1. 1. 二极管整流电路二极管整流电路不控整流不控整流名称名称输出电压型输出电压型输出电流型输出电流型单单相相半半波波单单相相全全波波表表2-1 常用二极管整流器的主要形式常用二极管整流器的主要形式ff负载UVDVD12LCuoif负载UVDVD12LoiUff负载UVDVD12LCuo1u21u22f负载UVDVD12Lou1u22u21第第2章章 电源变换和控制技术基础知

46、识电源变换和控制技术基础知识63机械工业出版社单单相相桥桥式式三三相相半半波波三三相相桥桥式式续表续表2-1ff负载UVDVDVDVD1234LCuoif负载UVDVDVDVD1324LoiUff负载UVDVDVD123LCou1b1c1auuf负载UVDVDVD123Lou1au1bu1cff负载UVD VD VDVDVDVD123456LCou1au1bu1cf负载UVDVD VDVDVD VD123456Lou1au1bu1c第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识64机械工业出版社2. 2. 晶闸管整流电路晶闸管整流电路相控整流相控整流名称名称输出电压型输出电压

47、型输出电流型输出电流型单单相相半半波波单单相相全全波波单相单相桥式桥式半控半控表表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式常用晶闸管整流器的主要形式负载U2122fLfCuuu12oVDVTVT1负载U2122fLuuu12oVDVTVT1负载U2fLfCuuoVDVT1负载U2fLuuoVDVT1负载U2fLfCuu3412oVDVDVDVTVT1负载U2fLuu1234oVDVDVDVT VT1第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识65机械工业出版社单相单相桥式桥式全控全控三三相相半半波波三相三相桥式桥式半控半控三相三相桥式桥式全控全控续表续表2-2负载U2fLfCuu

48、1234oVT VTVTVT1负载U2fLuu1234oVDVDVDVT VT1负载UfLfC123oVTVTVT1au1bu1cu负载UfL123VTVTVT1au1bu1cuo负载UfLfC246135oVT VT VTVT VT VT1au1bu1cu负载UfL246135oVT VT VTVT VT VT1au1bu1cu负载UfLfC135246oVD VD VDVT VT VT1au1bu1cuVD负载UfLC135246oVD VD VDVT VT VT1au1bu1cuVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识66机械工业出版社3. 3. PWMPWM

49、整流电路整流电路斩波整流斩波整流图图2-31 单相半桥单相半桥PWM-VSR 图图2-32 单相全桥单相全桥PWM-VSR第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识67机械工业出版社图图2-33 三相三相PWM-VSR 图图2-34 三相三相PWM-CSR第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识68机械工业出版社2 2.4.3.4.3 DC-DCDC-DC变换电路变换电路 直流直流直流变换器（直流变换器（DCDC Converter）的）的能是将一种直流电变换为另一种固定或可调电压能是将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器

50、（的直流电，又称为直流斩波器（DC Chopper）.第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识69机械工业出版社1.1.不隔离式单管不隔离式单管DCDCDCDC变换器变换器lBuck变换器变换器 一种降压型一种降压型DCDC变换电路变换电路，输出电压小于或等于输入电，输出电压小于或等于输入电压，输入电流断续。输出电压压，输入电流断续。输出电压Uo=DyUi， 占空比占空比 Dy=ton/Ts01（下同）（下同）。 l Boost变换器变换器一种升压型一种升压型DCDC变换电路，变换电路，输出电压大于输入电压，输出电压大于输入电压，VT的的占空比占空比Dy必须小于必须小于

51、1，输入电流，输入电流连续。输出电压连续。输出电压Uo= Ui /(1Dy) 。 fVTfUUioLCVDfVTLUUioCVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识70机械工业出版社lBuckBoost变换器变换器 一种降升压型一种降升压型DCDC变换电路，变换电路，输出电压小于或大于输入电压，输输出电压小于或大于输入电压，输出电压极性和输入电压相反，输入出电压极性和输入电压相反，输入电流断续。输出电压电流断续。输出电压Uo=Dy Ui /(1Dy) 。 lCk变换器变换器 一种升降压型一种升降压型DCDC变换电路，变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输输出电压大

52、于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压相反，输入出电压极性和输入电压相反，输入电流连续。输出电压电流连续。输出电压Uo=(Dy/1Dy) Ui 。 CVTLUUffioLCVDfVTLUUioCVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识71机械工业出版社lSepic变换器变换器一种升降压型一种升降压型DCDC变换电变换电路，输出电压大于或小于输入路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电电压，输出电压极性和输入电压相同，输入电流连续。输出压相同，输入电流连续。输出电压电压Uo=(Dy/1Dy) Ui 。lZeta变换器变换器一种升降压型一种升降压型DCDC

53、变换电路，变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压相同。输入出电压极性和输入电压相同。输入电流断续。输出电压电流断续。输出电压Uo=(Dy/1Dy)Ui 。CVTLUUffioLCVTUUfLioCVDCL第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识72机械工业出版社2. 2. 隔离型隔离型DCDCDCDC变换器变换器 l单端正激式单端正激式DCDC 变换电路变换电路 图图2-35 单端正激式单端正激式DC-DC变换器变换器主主电路电路 图图2-36 正激变换器工作波形正激变换器工作波形 12ioyUUDK N :NCRUU

54、NL_+UUU+_i313N312N1N22i1oLVTVDVDVDUD2UUiitttttTT0IUK UTULfttK UiTgN113iiD213ipmaxN1N2onrs000000第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识73机械工业出版社l单端反激式单端反激式DCDC变换电路变换电路图图2-37 反激式变换器主电路反激式变换器主电路N :NCRUiiUi12p1s1oVTVDUN2UN1第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识74机械工业出版社 a)电流连续模式(CCM) b)电流断续模式(DCM)图图2-38 反激式变换器工作波形反激

55、式变换器工作波形UUiitttttTT0IIUK UTTUUiitttttTonTs0IIIIUK UTgTgN1N1ii12ii12pmaxpminpmaxsmaxsminsmaxoffdisonspsps00000000第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识75机械工业出版社2.4.4 DCDCACAC变换电路变换电路 将直流电变换为交流电的过程称为逆变将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或换或DCAC变换，实现逆变的主电路称变换，实现逆变的主电路称为为DCAC变换电路。通常将变换电路。通常将DCAC变换变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的电路、控制电路、驱动

56、及保护电路组成的DCAC逆变电源称为逆变器（逆变电源称为逆变器（Inverter）。）。 第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识76机械工业出版社1. 1. 常用的常用的DCDCACAC逆变电路逆变电路l电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 直流母线电容滤波，直流电压直流母线电容滤波，直流电压Ud经经C1、C2分压，分压，VT1、VT2交替导通交替导通/关断；负载上的电压关断；负载上的电压幅值为幅值为Ud的的1/2，功率为全桥逆，功率为全桥逆变器的变器的1/4；开关管；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为上承受的最大电压为Ud；控制；控制方式主要是方式主要是

57、PWM脉宽调制控制脉宽调制控制，移相控制等，移相控制等 。 U+- -负载CCVTVT121212dVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识77机械工业出版社l电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路直流母线电容直流母线电容Cd滤波，滤波，VT1、VT4和和 VT2、VT3交替导通交替导通/关关断；加在负载上的电压幅值为断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器，输出功率为半桥逆变器的的4倍；开关管倍；开关管VT1VT4上承上承受的最大电压为受的最大电压为Ud；控制方；控制方式有单极、双极式式有单极、双极式PWM脉宽脉宽调制控制，移相控制，调频控调

58、制控制，移相控制，调频控制等方式制等方式 。 U+- -CVTVTVTVT负载12341234ddVDVDVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识78机械工业出版社l电流型单相全桥逆变电路电流型单相全桥逆变电路 直流母线电感直流母线电感Ld滤波，滤波，VT1、VT4和和 VT2、VT3交替导交替导通通/关断；负载上的电流波关断；负载上的电流波形为方波，幅值为形为方波，幅值为Id；开关；开关管管VT1VT4上承受的电压上承受的电压为负载上的电压。负载上的为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载电压幅值和相位取决于负载阻抗的大小和性质阻抗的大小和性质 。 U

59、+- -负载LVTVTVTVT1234ddId第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识79机械工业出版社l电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 直流母线电容直流母线电容Cd滤波，负滤波，负载线电压幅值为载线电压幅值为Ud，开关，开关管管VT1VT6上承受的最大上承受的最大电压为电压为Ud，控制方式有，控制方式有PWM脉宽调制、移相控制脉宽调制、移相控制、调频控制等方式，换流方、调频控制等方式，换流方式有式有180和和120o两种。适两种。适合合4kW以上的三相负载以上的三相负载 。 U- -C+VTVTVTVTVTVT123456123456dd负载VDVDVD

60、VDVDVD第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识80机械工业出版社2.DC2.DCACAC逆变器的分类逆变器的分类电路的主要拓扑形式电路的主要拓扑形式 l电压型逆变器电压型逆变器l电流型逆变器电流型逆变器l单相半桥逆变器单相半桥逆变器l单相全桥逆变器单相全桥逆变器l三相桥式逆变器三相桥式逆变器第第2章章 电源变换和控制技术基础知识电源变换和控制技术基础知识81机械工业出版社3. DC-AC 3. DC-AC 逆变电路的参数计算逆变电路的参数计算（1 1）电压型单相半桥逆变电路的参数计算）电压型单相半桥逆变电路的参数计算 逆变器的输入电压为逆变器的输入电压为Ud，输出