《电力电子技术基础》读书笔记

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！系统中的应用研究与实际工程也取得了可喜成绩。器件制造技术（理论基础是半导体物理）和变流技术（理论基础是电路理论）两电子技术的核心。电力电子技术的发展史自20世纪50件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。在随后的40余年里，电际上，电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为电力电子技术的诞生奠定了基础。晶闸管自诞生以来，电力电子器件已经走过了五十多年的概念更新、性能换代的发展历程。第一代电力电子器件以电力二极管和晶闸管(SCR)为代表的第一代电力电子器件，以其体积小、子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作利用率，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。第二代电力电子器件自20世纪70年代中期起，电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场控晶体管(功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等通断两态双可控器件相继问世，电力电子器件日趋成开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。第三代电力电子器件进入20世纪90年代以后，为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减少，很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功的主导方向，而硬件结构的标准模块化是电力电子器件发展的必然趋势。电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，变MOSFET和IGBT更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。技术电力电子技术作为节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。第二章电力电子器件晶闸管类器件19571958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管TG和阴极K闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：⒈晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。⒉晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。⒊⒋晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。绝缘栅双极型晶体管—IGBT的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD成对地（2或6组）封装起来装方式，都已形成系列化。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFETMOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。IGBTIGBT标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。2010年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化IGBT芯片，由中国科学院微电子研究所设计研发的15-43A/1200VIGBT系列产品（采用PlanarNPT器件结构）在华润微电子工艺平台上流片成功，各项参数均达到设计要求，部分性能优于国外同类产品。这是我国国内首款自主研制可产业化的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品，标志着我国全国产化IGBT芯片产业化进程取IGBT工艺线。合进一步推动国产自主IGBT产品的大批量生产。第三章交流-直流变换——整流器交流-直流变换的功能是将交流电转换为直流电，谓之整流。实现整流的方由交流电源、整流器和负载三部分组成。交流电源：在电网电压合适的时候可以直接取自电网，但是更多的是通过变流电源的相数区分，整流器有单项整流器、三相整流器，及更多相数的整流器。整流器：由电力电子器件组成的实现交流-直流变换的基本电路。按使用的电力电子器件性质区分，有不控整流器和可控整流器等。负载：整流电路的负载是各种各样的，常见的工业负载如果按性质区分，主要有电阻性R负载、电阻电感性RL负载、反电动势E负载等。其中属于电阻性负载的典型应用有白炽灯、电焊、电解电镀、电阻炉等。阻感性负载有电磁铁、电枢等。整流电路1、电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路中，对音频信号进行整流。2、前三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同，半波整流电路输出的电压只有半周，所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是50Hz的，因为输入交流市电的频率是50Hz，半波整流电路去掉了交流电的半周，没有改变流电压的正、负半周，使频率扩大一倍为100Hz，所以这种单向脉动性直流电的交流成分主要成分是100Hz率的提高有利于滤波电路的滤波。3、在电源电路的三种整流电路中，只有全波整流电路要求电源变压器的次但要注意以电源变压器有无抽头来分辨三种整流电路比较准确。4、在半波整流电路中，当整流二极管截止时，交流电压峰值全部加到二极低。5、在要求直流电压相同的情况下，对全波整流电路而言，电源变压器次级的输出电压，这样在全波整流电路中的电源变压器相当于绕了两组次级线圈。6、在全波和桥式整流电路中，都将输入交流电压的负半周转到正半周或将流电压一个半周切除。7、在整流电路中，输入交流电压的幅值远大于二极管导通的管压降，所以可将整流二极管的管压降忽略不计。8、对于倍压整流电路，它能够输出比输入交流电压更高的直流电压，但这种电路输出电流的能力较差，所以具有高电压，小电流的输出特性。9、分析上述整流电路时，主要用二极管的单向导电特性，整流二极管的导通电压由输入交流电压提供。按组成器件分类可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO有源逆变。按电路结构分类可分为零式电路和桥式电路1）零式电路指带零点或中性点的电路，又称半波电路。它的特点所有整流元件的阴极(或阳极)都接到一个公共接点﹐向直流负载供电﹐负载的另一根线接到交流电源的零点。2）桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成，故又称全波电路。3、按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路1）对于小功率整流器常采用单相供电。单相整流电路分为半波整流，全波整流，桥式整流及倍压整流电路等。6分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。3）多相整流电路随著整流电路的功率进一步增大(如轧钢电动机，功率达三相桥式接法。晶闸管整流电路的触发控制了正向电压条件，而对触发脉冲的认为招之即来挥之即去的，需要时就能有的，是：1）能产生晶闸管触发信号，信号有一定强度，满足晶闸管门极的驱动条件2）触发信号要能移相控制，即改变脉冲的控制角。3）触发信号在需要晶闸管导通时产生，即触发电路产生脉冲与整流主电路晶闸管触发，因此晶闸管的触发电路从简单的RC移相到复杂的电路都有。从历史上，晶闸管触发电路经历了分立电路，集成模块到数字化触发的发展过程，目前主要是数字化触发。为了便于说明触发电路的基本原理，以锯齿波移相电路为典型触发器。整流是各种仪器和电气设备的常需功能，也是电力电子器件的最早应用之一。1、单相和三相整流电路的结构和组成，电路在电阻、电感负载和反电动势负载时的工作原理，控制角移相控制范围，整流器输出和输入电压、电流的波形及其计算，并能选择晶闸管的电压、电流参数。要重视在不同性质负载下电路工作状态的对比分析。2、有源逆变是可控整流电路的重要工作状态，要掌握有源逆变的条件，逆变角最小限制和防止逆变失败的措施，了解有源逆变的应用。换流是开关变流电路的重要问题，晶闸管换流需要满足一定条件，并要了解换流重叠角的产生原因。3、整流器-直流电动机电路是直流拖动控制系统的基础，要掌握电流连续和断续时机械特性的特点。电动机正反转运行对整流电路的要求，建立环流和控制的概念，以及电动机在四象限运行时能量传递的关系。4、整流电路的分析主要采用了波形分析和分段化处理的方法。5、率因数的概念。6、触发电路是整流器的重要组成部分，要掌握同步、移相和脉冲产生、脉冲放大和输出，以及脉冲电路隔离等原理。第四章直流-直流变换——直流斩波器直流-直流变换（DC/DC）的功能是改变和调节直流电的电压和电流，也称直电子技术出现后，采用斩波和脉宽调制原理的直流-直流变换得到了迅速的发展PWM换的电路很多，性能不尽相同。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，电路。直流降压斩波电路chopping）电路由一个开关管V、二极管D和电感L等组成。开关管V是斩波控制的主要元件，电感起储能和滤波作用，二极管起续流作用。负载可以是电阻、电感、电容或直流电动机电枢等。降压斩波电路（buckchopping）tEtUEEttT0UEI0MR0式中t为V处于通态的时间；为toff导通占空比，简称占空比或导通比。降压斩波电路的占空比小于1。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式：1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间t不变，称为PWM。2）保持开关导通时间t频型。3）t和T都可调，使占空比改变，称为混合型但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。LiRVo+iEGMEoM-a)itGtontTioi12II1020ttt1oEOb)iGttonOitttGixoii12Outt21E20EoOtEMc)升压斩波电路（BoostChopper）假设L和C值很大。处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定，电容C向负载R供电，输i1出电压u恒定。0断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。L设V通态的时间为t，此阶段上积蓄的能量为Eit1L设V断态的时间为，则此期间电感释放能量为t(uE)itoff01offTL稳态时，一个周期中积蓄能量与释放能量相等：Eit=(u1E)it01offttonT化简得EuEofftt0offoffTTβ——升压比；升压比的倒数记作，即ttoffoffβαa和的关系：+β=1所以输出电压为11uEE10升降压斩波电路(buck-boostChopper)V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为，同时，C维持输出i1电压恒定并向负载R供电，这时。uELV断时，L的能量向负载释放，电流为。负载电压极性为上负下正，与电i2源电压极性相反，这时uu。L0稳态时，一个周期内电感L两端电压对时间的积分为零，即TuLTTtdtEt0udtudtL(on)uut0offonLL(off)on00ton所以输出电压为：ttu0EEEononTtt1offoN（t为V处于通态的时间，为V处于断态的时间）toffCuk斩波电路V通时，开关S合向B点，—V回路和C——V回路有电流，LL12这时ii。C2C——VD回路和LV断时，开关S合向A点，—VD回路有电L12流，这时ii。C1输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即TTtdtit0idtidtiitonCC(on)C(off)2on1off00ton（t为V处于通态的时间，V处于断态的时间）为toff由此可得：1tiTtonoff2itt1onon假设电容C很大使电容电压u的脉动足够小。C当开关S合到B点时，B点电压=0，A点电压uu；uBAC当S合到A点时，uu，=0。因此，B点电压的平均值为uuBCABtUU（U为电容电压u的平均值又因电感的电压平均L1offtBCCCont值为零，所以EU。另一方面，A点的电压平均值为UofftBContUU，且的电压平均值为零，按上图（b）中输出电压ULonT20ACtoNT的极性，有关系为：。于是可得出输出电压U与电源电压E的UU0C0ttUEEEoffonTtt10ononSepic斩波电路EV处于通态时，——V回路和—V—回路同时导电，和贮能。LLLCL11112EV处于断态时，———VD—负载回路及—VD—负载回路同时导电，LCL112E此阶段和既向负载供电，同时也向充电（贮存的能量在V处于通态时LCC111向L2V导通时，uuuL2E1C1V关断时，uEuuuuL210C10稳态时电感和的电压在一周期内的平均值应为零，也就LL11是其对时间的积分为零，即TtTudt1udtudtEt(Euut0on1(on)1(on)on0C1off00tonTtTudtL2udtudtutut0off0onL2(on)L2(on)C1on00ton由以上两式解得输入输出关系为：ttUEEEononTtt10offonZeta斩波电路V处于通态期间，电源E经开关V向电感1贮能。LV关断后，－VD－构成振荡回路，的能量转移至，能量全部转移LLCC1111至上之后，VD关断，经向负载供电。CLC112V导通时，uuEuuE1L2C10V关断时，uu1uuL2C10稳态时电感和的电压在一周期内的平均值应为零，也就LL11是其对时间的积分为零，即TtTudt1udtudtEtutC1off0on1(on)1(on)on00tonTtTudtL2udtudt(Euut0ut0off0onL2(on)L2(on)C1on00ton由以上两式解得输入输出关系为：ttUEEEononTtt10offon斩波电路的驱动控制（SG3525）随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。为N沟道功率PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。其性能特点如下：（1）工作电压范围宽：8～35V。（2）内置5．1V±1．0％的基准电压源。（3）芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz。（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA。（6）内设欠压锁定电路。当输入电压小于8V时芯片内部锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)，使消耗电流降至小于2mA。（7）有软启动电路。比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容。该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2．5V的时间为t=(2．5V／50μA)C，占空比由小到大(50％)变化。（8）内置PWM(脉宽调制)。锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。SG3525的引脚及结构方框图(1)反相输入端(引脚1):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载而定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器的共模输入电压范围为将电源输出电压分压后与基准电压相比较。(2)同相输入端(引脚2):此端通常接到基准电压引脚162.5V的基准比较电压与引脚1的取样电压相比较。(3)同步端(引脚3):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各4相副脚3率以最快的芯片工作频率同步;也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。(4)同步输出端(引脚4):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但3相副脚44的输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波的电压范围为0.6~3.5V。(5)振荡电容端(引脚5):振荡电容一端接至引脚5，另一端直接接至地端。其取值范围为0.001~0.1pF。正常工作时，在研两端可以得到一个从0.6~3.5V变化的锯齿波。(6)振荡电阻端(引脚6):振荡电阻一端接至引脚6，另一端直接接至地端。RT的阻值决定了内部恒流值对研充电。其取值范围为2~15Okn。RT和研越大，充电时间越长;反之，则充电时间短。(7)放电端(引脚7):Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电取值范围为0~500no放电电阻RD(8)软起动(引脚8):比较器的反相端，即软起动器控制端(引脚8)，引脚8可外接软起动电容。该电容由内部UREF的50pA恒流源充电。(9)补偿端(引脚9):在误差放大器输出端引脚9与误差放大器反相输入端引脚1间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1.5~5.2V。(10)封锁端(引脚10):引脚10为PWM8接的电容C将被放电。路异常时，只要引脚10的电压大于0.7V，三极管导通，反相端的电压将低于锯齿波的谷底电压(0.9V)，使得输出PWM信号关闭，起到保护作用(输人高电平关闭信号)。(11)脉冲输出端(引脚11、引脚14):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。引脚11相副脚14相位相差峰值达200nA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收之间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，持续时间约为100ns。可以在Uc处接一个约0.l件F的电容滤去电压尖峰。(12)接地端(引脚12):该芯片上的所有电压都是相对于引脚12是相对于引脚12而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。(13)推挽输出电路电压输入端屿1脚出级输出功率。可以和副脚15共用一个电源，也可用更高电压的电源，电压范围是18~34V。(14)芯片电源端(引脚15):直流电源从引脚15引人分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1V土1停止工作(基准源及必要电路除外)使消耗的电流降至很小(约2mA)。另外，该引脚电压最大不能超过35V，使用中应该用电容直接旁路到地端引脚12。(15)基准电压端(引脚16):基准电压端引脚16的电压由内部控制在5.1V土1。可以分压后作为误差放大器的参考电压。基于SG3525的高频稳压电源电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,没有它的存在，现代的各种直流电。各种AC-DC电源中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点．而得到了广泛应用。高频稳压电源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因MOSFET和IGBT己完全取代功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源的高频化有了可能:器件的工作频率可达400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHz(DC-DC开关变换