电力电子电路常见波形及分析

1、电力电子电路常见波形及分析电力电子电路的功率输出级是在大信号条件下工作的电路，由于工作电压高、传输电 流大，在电路的设计中经常需要对电路的各部分进行电压、电流和功率等参数的计算或估 算，这种计算或估算甚至要细化到每一个元件。电路参数的计算或估算可使设计者清楚地 了解功率输出级各个部分的详细情况，这对于整个电路的设计和器件的选择是非常重要的。 计算电路参数的作用可大致归结为以下几点：电路输出功率的分析。电力电子电路的作用就是驱动大功率的负载，因此，电路输出的 电压和电流能否满足负载的功率要求，是设计中首先必须考虑的问题。功率器件自身功耗的分析：电力电子电路中，功率器件工作在高电压、大电流的条件下

2、， 器件的功耗往往也会比较大，故在电路设计中，分析器件自身将承受的电压、电流和器件 可能产生的功耗是合理选择功率器件和有效使用功率器件的重要前提。电路供电电源容量的确定。电力电子电路常常要采用多组电源，分别为控制级、驱动级 和功率输出级电路供电。控制级电路属于小电力电子电路，因此其电源功耗很小。驱动级 电路在功率输出器件处于稳态时，电源功耗也很小，但在驱动功率器件动作的瞬间，其电 流常会达到几安数量级，要根据驱动电路的具体参数设计此部分的电源容量。功率输出级 电路的供电方式有两种，一种是以稳压电源供电，故供电电源的容量应大于输出功率和功 率器件自身功耗的总和；另一种是以电力线路的交流电源直接供

3、电，此时也应根据输出功 率和功率器件自身功耗考虑电力线路的容量和电力变压器的容量。印刷线路板布线形式的重要参考。电力电子电路的功率输出级采用大信号方式工作，其 导线上电压高、电流大，并且在电路状态发生切换时，流过大信号的导线会产生很大的电 磁干扰。因此，电力电子电路的印刷线路板布线时，要清楚每条导线的电流、电压值以及 电磁干扰情况，并依据这些数据合理进行布线。合理布线的基本要求是：将电流大的导线 设置成较大的宽度，以保证导线的可靠性；使低电压导线尽量远离高电压导线，避免出现打火现象；将电磁干扰比较大的导线与易受干扰的小信号电路部分尽量在空间上隔离 开，并避免大信号导线与小信号导线的平行摆放，以

4、减少强信号部分对弱信号部分的干扰。 电路中直流电路参数的计算方法和交流稳态条件下电路参数的计算方法在电路分析、模拟 电路等课程中已进行了充分的讨论。在电力电子电路巾，需重点关注的是功率输出级电路 的参数计算。功率输出器件面对的往往是一定形式的大信号电压、电流周期波形，对于这 部分电路工作参数的分析需要针对各种形式的大信号周期波形进行计算，这对于电力电子 电路是非常重要的。实际的电力电子电路所处理的大信号波形往往是一些比较复杂的波形，但是通过近似，通 常可将这些波形归结为直流、矩形波、正弦波等几种常见波形。下面主要对这些波形的方 程、平均值、均方根值、功率等的计算问题进行讨论，其结果对于电力电子

5、电路设计中的 输出功率计算、器件选择和供电电源容量的确定具有重要的作用。常见波形的描述方程1直流直流是电路中最简单的信号，是一个数值恒定的信号，其电压、电流的标称值同时又是它 的最大值和峰值。直流信号的波形如图1(a)所示。在电路中通常以u(t)、i(t)表示信号的电 压电流，以Um、Im表示电压、电流的最大值(峰值)，则直流电压、电流的方程为：严)=S3=Im楠),泊)%，4 :1(a)直,包 ,电流波形乙冲(.矩形波电压、电旅波形图1直流和矩形波电压电流波形2矩形波在电力电子电路中，为了提高电路的工作效率，降低功率器件自身的功耗，常常采用开关 工作方式，其输出电压波形即为矩形波。矩形波的电

6、压波形如图1(b)所示。图中，矩形波 的周期为T，在周期开始时矩形波的波形为高电平Um，且在ton时间内保持这一电平； 在该周期内余下的toff时间内电压跳变为0V。矩形被的一个重要参数是占空比D，它表示在一个矩形被周期中，高电平所占的时间比例, 即矩形波的方程由两个部分组成，即高电平时间ton和低电平时间toff的电压状态，表 达式为S OtDT u(t)=0 DT r T3正弦波正弦波是电路中最常见的信号，交流电压的波形即为正弦波。许多功率负载是交流负载， 均是以正弦电压来驱动的。正弦被的电压波形如图2(a)所示。正弦波有三个要素，即振幅、 频率和初相角。正弦电压的振幅常以Um表示，正弦电

7、流的振幅常以Im表示。正弦波的频率以f表示，但工程上常用角频率3来表示正弦波的频率，3=2nf。正弦被的初相角以中表示。正弦电压的方程为w)=+w)正弦电流的方程为i()= L&in(宓 +甲)在工程上，为了计算方便，常将正弦波的初相角寸设为0,此时正弦电压、正弦电流 方程简化为u()= Uqinoifi(t) = Ihsiitof正弦电压经过二极管的半波整流后的电压波形如图2(b)所示。经过半波整流后的正弦 电压方程为tJ.sirkejf 。侦 V 再0ar皈r 2江正弦电压经过二极管的全被整流后的电压波形如图2(c)所示。经过全波整流后的正弦 电压方程为U是 iiwQ W 5 itu”)

8、“Uf 航rw itujf 跖(用金波整疏后的正蚣波死波肘小)半波整流后的正弦波也压波形图2正弦波的噌压波形平均值平均值也称为直流值，当采用直流仪表测量一个周期波形信号时，其显示的测量结果是这 个周期波形的平均值。因此，平均值是可以在电路中直接用直流仪表测量出的一个电路参 数。根据周期信号的波形方程，在一个周期T的范围内对信号进行积分，并除以周期T， 就得到了周期信号的平均值，记为Uave或Iave。1.直流直流作为一种恒稳的信号，显然，平均值Uave(Iave)就是它的标称值，同时也是它的最大 值或峰值Um(Im)，即北=2矩形波对一个周期的矩形波电压进行积分，并除以周期时间，可得矩形波电压

9、的平均值f D可见，矩形波电压的平均值就是最大值Um和占空比D的乘积。3 .正弦波对于正弦波求平均值是没有意义的。因为在正弦波的一个周期内，正半周波形和负半周波 形是完全对称的积分结果为0。可实际上正弦波又实实在在地携带有能量，因此，其特 征是不能用平均值来表示的。对于经二极管半波整流后的正弦波电压可以求平均值=卜 sin&i/(1( (mt) =这个值也是通过直流仪表测量半波整流结果时，直流仪表显示的电压值。 对于经二极管全波整流后的正弦波电压也可以求平均值2l I7msi nduZ dCu/） 十显然，当使用直流仪表测量全波整流结果时，直流仪表也会显示出这个电压值。均方根值均方根值是对信号

10、波形u（t）或i（t）的平方求平均值，再进行开方的结果，记为Urms或Irms。均方根值也称有效值，它可以指示信号发送功率的能力。不管什么波形，具有相同均方根 值的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。1直流直流电压的均方根值仍是其标称值，即2矩形波对矩形波信号的方程求均方根值，得3正弦波对正弦波电压的方程求均方根值，可得正弦波电压的均方根值（有效值）J我j （ Um血小）d （顼）Um对于经二极管半波整流后的正弦波电压，均方根值为Um = J 我（Ue 曲1）制（应）%KLTLDU-f )2 liCtuf )对于经二极管全波整流后的正弦波电压，均方根值为显然，这个值与未进行整流的正弦波电压的均

11、方根值是一样的。要注意的是，经全波整流的正弦被与经半波整流的正弦波从波形上看，前者是多了一倍， 但经全波整流的正弦波电压的均方根值并不是经半波整流的正弦波电压均方根值的两倍， 而仅是一个根号2倍的关系。不过，如果将全波整流后的正弦波电压与半波整流后正弦波 电压作用于同样大小的阻性负载上时，前者产生的功率将是后者的两倍。这是由于功率是 电压和电流的乘积，如果根号2倍的电压作用于阻性负载上时，则电流也会为根号2倍， 功率就将会是2倍。例 设正弦交流电源的榆出电压为u（t）=10sin314t,求此电压经二极管半波整流和全波整 流后，电压的均方根值以及作用于一个10欧电阻上产生的功率。（设二极管为理

12、想二极管，其正向压降为0)解根据正弦电压均方根值的计算公式，可有口昨午波=UJ2 = 5VUnmt凌=t/m/ V? = SVV将这两个电压分别作用于一个10欧电阻上时，有P = (5V)2/10n = 2. 5WFm = U/R = (5V2V)710O = 5W对于正弦波信号要注意最大值Um平均值Uave均方根值Urms三者之间的关系和区 别，在不同的电路情况下，电路会反映出不同的值，这在电路的设计和测量中会经常遇到。 例如，正弦信号u(t)=Umsiwt，此信号经二极管全波整流后(假设二极管是理想的)信号 变为t7M5inoi 0 jrwr)= I EJsinw/ st M 函 曷用直流

13、仪表测量此电压时，显示结果为此电压的平均值Uave=2Um/n，但是如果将 此电压作用在一个电阻为R的阻性负载上，产生的功率将为P=Um2/2R，这显然对应于信 号的均方根值；而将整流信号接人一个电容进行滤波，在空载情况下，测量得到的电压将 为u(t)二Um,为信号的最大值。功率功率等于电压与电流的乘积，这个结论通常只适用于恒稳直流电压和恒稳直流电流。对于 周期波形信号，功率是一个平均值的概念，要在一个周期内对电压电流积求平均值，才可 得到信号的平均功率。因此，平均功率的计算式为1直流直流信号的功率等于电压与电流的乘积此式虽然简单，但是在电路的分析当中是最经常使用的公式。例 设电路中有一个10

14、欧的电阻，其上通过的电流为0.42A，求此电阻应选择多大功率的 电阻。解由于电阻通过的电流为0.42A，故此电阻上的电压降LL = 0, 42A X 10C1 = 4* 2电阻上的功耗为= 0.42A X 4. 2V 1 764W实际中应选耗散功率为2W的电阻。2矩形波当把一个矩形电压u(t)加到一个纯阻性负载上时，就会产生一个同样形状的矩形电流i (t)。 负载上的平均功率为Pe =要注意此结论仅适用于电压、电流波形相同的情况。当把一个矩形电压u(t)加到一个 感性负载上时，电流将是锯齿波或梯形波，此时平均功率计算需依靠电压、电流波形，以 积分方式求得。3正弦波最简单的模型是将正弦波电压加到

15、一个纯阻性的负载上，产生一个与电压同相的正弦波电 流，有i (i) =则负载上的功率为P* = M CAoSitW 提布公抵成)=这个结果与交流电路中的有效值计算方法所得结果是一致的。要特别注意的是，上述结论的使用仅限于信号电压和电流均为正弦波且为同相位的条 件下，如果信号电压和电流的波形不同或相位不同，则上述结论可能不成立。电力电子技术是研究大功率负载驱动技术和大功率电源变换技术的一门学科，与模拟电子 技术、数字电子技术等学科不同，电力电子技术的主要特点在于其面对的负载是大功率负 载，这类负载通常要求在高电压、大电流、强功率的条件下工作。为此，电力电子技术所 研究的电路器件、电路下作形式和电

16、路设计方法无一不是以能够为负载提供足够大的输出 功率为基本出发点的。出于输出功率大，电力电子技术对于电路的电源转换效率便格外注重，其各种电路工作形 式和设计方法往往是以提高电源转换效率、降低功率器件的自身损耗为日标的。此外.由 于电力电子电路通常工作于高电压、大电流的条件下.电路的可靠性、安全性和抗干扰能 力也是必须要考虑的问题。此类问题通过电力电子电路中的缓冲电路、保护电路和抗干扰 设计等手段来解决。电力电子技术的应用可以使电气设备的控制方式得到大的改善，使电气设备的控制更为精 确，性能巫为优越。电力电子技术在电气设备的节能方面有重要的作用，可以有效地降低 电气设备的丁作损耗。电力电子技术的应用可以使