电力电子学串讲

电力电子学考前串讲——主讲人：肖建杰2第1章电力电子变换和控制技术导论电力电子学：电力技术，电子技术和控制技术三者结合的交叉学科理想开关的特性：导通电阻为0；关断电阻为无穷大；状态变换的过渡时间为0；脉冲宽度调制PWM：固定开关周期Ts，改变占空比D；脉冲频率控制PFM：固定通态时间Ton，改变开关周期Ts；3第1章电力电子变换和控制技术导论开关型电力电子变换器的基本特性：开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路，输出电压和输入电流都不是理想的；开关型电力电子变换电路的输入、输出端需附加滤波电路（通常为LC滤波器），改善输出电压和输入电流的波形；

高频PWM是改善开关电路输入电流波形、输出电压最有效的技术措施（提高频率使滤波电路尺寸大幅降低）；常用分析方法——傅立叶变换，状态空间平均法；使电力电子开关电路的输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应对称地安排一个周期中不同的开关状态及持续时间；开关型电力电子变换器的两类应用：开关型电力电子变换电源开关型电力电子补偿控制器4第2章半导体电力开关器件可控性驱动信号符号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无

最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低小GTO门极可关断晶闸管全控正、负脉冲电流大较低中

BJT双极结型晶体管全控正电流中中小IGBT绝缘门极双极型晶体管全控正电压较大较高较小P-MOSFET电力场效应晶体管全控正电压小最高大5第2章半导体电力开关器件电力二极管的重要参数：额定电压：最大允许反向重复峰值电压；额定电流：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值；最大允许的均方根正向电流：半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流Ifrms；反向恢复时间：正向电流为0至反向电流衰减到10%的时间；电力二极管的应用：整流续流6第2章半导体电力开关器件晶闸管的重要参数：额定电流IR：其额定发热所允许的工频正弦半波电流的平均值；维持电流IH

：晶闸管被触发导通后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持导通所必需的最小电流；擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小阳极电流，通常IL约为IH的2～4倍；断态电压临界上升率du/dt：在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率；通态电流临界上升率di/dt：在规定条件下，晶闸管用门极触发导通时，晶闸管能够承受而不损坏的通态电流最大上升率。7第2章半导体电力开关器件温度系数：MOSFET与IGBT的导通等效电阻具有正温度系数，故结温上升时，电阻增大，电流减小，从而不易局部过热；（适合并联工作）BJT的导通等效电阻具有负温度系数，故结温上升时，电阻减小，电流增大；GCEVgVRRdsRbrT2T1ICABRg擎住效应：Rbr上的电压过高，使T2导通，IGBT失去关断能力产生擎住效应的原因：集电极电流IC过大；集电极电压过高；关断速度过快；8第2章半导体电力开关器件电力电子开关与机械开关：开关速度；导通压降，漏电流；9第3章DC/DC变换器10第3章DC/DC变换器Buck电路电路结构：工作原理：11第3章DC/DC变换器主要波形：工作状态1：T导通，D关断工作状态2：D导通，T关断12第3章DC/DC变换器变压比M变为：工作状态3：T关断，D关断13第3章DC/DC变换器电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：临界负载电流输出电压波动量：14第3章DC/DC变换器Boost电路主要波形：15第3章DC/DC变换器单端正激电路（隔离型buck电路）：单端——变压器磁通仅在单方向变化（磁通始终大于0）正激——开关管导通时电源将能量直接传送给负载16第3章DC/DC变换器***sViLi2i3i1ovLD3N1N2N3D1D2CiSTCBHFDOA开关状态1：T导通，N2、D2导电，N3、D1、D3截止iL***VSi2i3ovLD3AN1N2N3D1D2CiSTCHB

F

D开关状态2：T关断，N3、D3、D1导电，N2、D2截止17第3章DC/DC变换器单端反激电路（隔离型buck-boost电路）：单端——变压器磁通仅在单方向变化反激——开关管导通时，电源将电能转为磁能储存在电感中；当开关管关断时，再将磁能变为电能传送到负载18第3章DC/DC变换器开关状态1：T导通，D截止电源给通过L1给变压器充电，变压器磁通增加开关状态2：T关断，D导通变压器通过L2放电，变压器磁通减少19第4章DC/AC变换器逆变器的类型：按直流电源类型分：电压源型、电流源型按输出电压性质分：恒频恒压CVCF型、变频变压VVVF型、脉冲电压（电流）型按电路结构分：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式按开关器件及其关断方式分：自关断型（全控器件）、强迫关断型（晶闸管）、电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）、负载谐振换流型20第4章DC/AC变换器逆变器的输出性能指标：谐波系数HF：第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比总谐波系数THD：所有非基波分量的总有效值与基波分量有效值之比THD表征了实际波形与理想基波正弦分量的差异程度21第4章DC/AC变换器畸变系数DF：各次谐波分量经过加权以后的总有效值与基波有效值之比用以评估非正弦周期波形经过滤波以后的畸变程度最低次谐波LOH：距离基波频率最近的谐波22第4章DC/AC变换器单相半桥逆变电路（方波）：电路结构：波形：基波分量有效值：死区时间：上、下两管关断信号与开通信号间的时间间隔23第4章DC/AC变换器单相全桥逆变电路（方波）：电路结构：波形：基波分量有效值：24第4章DC/AC变换器正弦脉冲宽度调制（SPWM）：冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。调制比M：25第4章DC/AC变换器双极性SPWM：单个开关周期内逆变器输出电压有正有负（适用半桥，全桥）调制比M：驱动信号电路：26第4章DC/AC变换器谐波特性：SPWM调制本身不会降低输出电压的THD，但其可以使谐波高频化以便于滤除。对于双极性SPWM调制，主要低次谐波为载波频率附件的N次谐波和（N-2）次谐波。载波比N：载波频率与调制波频率之比为载波比缺点：直流电压利用率降低。27第4章DC/AC变换器单极性SPWM：调制波的正半周仅出现正向脉冲电压，负半周仅出现负向脉冲电压（仅适用于全桥）调制比M：驱动信号电路：正弦波vr28第4章DC/AC变换器谐波特性：对于单极性SPWM调制，主要低次谐波为两倍载波频率附件的（2N-1）次谐波。29第4章DC/AC变换器三相电压逆变器：电路结构：导电顺序123→234→345→456→561→612→123线电压基波幅值30第4章DC/AC变换器三相电流逆变器：电路结构：导电顺序12→23→34→45→56→61→12缺点电感很大，因而体积，重量较大31第4章DC/AC变换器三相SPWM控制：电路结构：线电压基波幅值相电压基波幅值32第5章AC/DC变换器不控整流：电路结构：双半波单相桥式三相桥式三相半桥33第5章AC/DC变换器输出波形：双半波、单相桥式三相桥式三相半桥34第5章AC/DC变换器单相相控整流：电路结构：名词术语：

触发控制角α

导通角θ

移相

移相范围

同步

换相电压平均值35第5章AC/DC变换器电阻负载的电压有效值负载的电流有效值晶闸管的电流有效值功率因数36第5章AC/DC变换器三相相控整流：电路结构：电压平均值37第5章AC/DC变换器负载性质影响：负载电感影响（单相）：（1）L较小、α>φ，负载断流：38第5章AC/DC变换器(2)α＝φ，电流临界连续：(3)L、φ较大，α<φ，电流连续：vD波形、平均值、导电角θ，与电流临界连续时相同。负载电流不再是“正弦双正半波”，任何时刻iD>0；(4)L很大,α<φ，电流连续，可忽略脉动:电源基波功率因数角φ1＝α，α越大，cosφ1越小；39第5章AC/DC变换器负载电感影响（三相）：电流始终连续，α为0到180°取值导通角始终为60°40第5章AC/DC变换器负载反电势影响：由于反电势存在，有停止导电角δ停止导电角（纯阻性条件）单相桥相控整流时电流连续条件：三相全桥相控整流时电流临界连续条件：41第5章AC/DC变换器电容的影响：电容影响，导通角减小，电流增大42第5章AC/DC变换器交流电路电感的影响（换相压降）：由于交流电路电感的存在，交流电路电流不能跳变，需要经历一个过程因换相重叠而损失的电压为换相压降，对应图中QGDH：43第5章AC/DC变换器换相电阻：换相压降与电流ID的比值44第5章AC/DC变换器有源逆变：“负载”应含有一个直流电源，且其电压EI的极性必须与图(f)中的方向一致；桥式变换电路中开关器件的触发控制角：α>π/2，同时也不宜过大，以免换相失败整流电路必须是全控型电路；逆变角β=π－α45第5章AC/DC变换器安全工作条件：

对普通高压大功率晶闸管，一般toff≤200～300μs。这段时间相当于（频率f=50Hz时）角度θo≈4º～5º，称为关断角。晶闸管换相存在一个换相角γ再预留一个安全角φr46第5章AC/DC变换器三相高频PWM整流：47第5章AC/DC变换器工作原理：48第6章AC/AC变换器单相交流电压控制器：电阻负载的电压有效值负载的电流有效值晶闸管的电流有效值功率因数49第6章AC/AC变换器阻感性负载：α≤φ时：α>φ时：50第6章AC/AC变换器三相Y联交流电压控制器：51第6章AC/AC变换器三相Y联交流电压控制器：：第一类工作状态（三相同时导电）。：交替出现第一类和第二类工作状态。0°<

α≤60°α=0°60°<

α≤

90°：第二类工作状态（两相同时导电）90°<

α<

150°：交替处于第二类工作状态和断流状态。α

>150°：电路断流，不能工作。第一类工作状态：三相同时工作，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电。第二类工作状态：二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。52第7章辅助元器件和系统触发、驱动器：接收控制信号，经处理后送出驱动信号给开关器件，控制其通、断；过流过压保护系统：检测负载或开关的电流、电压，并提供保护，防止开关器件因为过流、过压损坏。缓冲器：减少开、关过程中开关器件承受的电压电流，减小电压、电流变化率。电感和变压器滤波器散热系统辅助电源控制系统53第7章辅助元器件和系统SCR的触发驱动器：SCR为脉冲电流触发导通，其脉冲电流ig要求上升沿要陡，且触发数值要足够大（脉冲足以使SCR立即开通）触发、驱动器：提供驱动电流、电压；电气隔离；54第7章辅助元器件和系统GTO的触发驱动器：开通需要正脉冲电流，关断需要负脉冲电流55第7章辅助元器件和系统BJT的触发驱动器：开通时的驱动电流应有足够陡的前沿和足够大的前沿峰值电流，以缩短开通时间；稳态值时减小驱动电流，使晶体管处于饱和或临界饱和状态，以降低通态损耗；关断时应加一个较大的负电流，加快关断过程；断态时be间加入反向的电压，加强阻断能力；56第7章辅助元器件和系统P-MOSFET、IGBT的触发驱动器：开通时要求有持续的电平VG=12~15V使其开通并保持其通态；关断时，最好加持续的负电平VG=-2~-10V维持其可靠的断态57第7章辅助元器件和系统过电流保护原因：短路、过载保护措施：电子保护，断路器，快速熔断器，死区时间58第7章辅助元器件和系统过电压保护原因：雷击过电压，操作过电压二极管反向恢复过电压、开关管关断过电压保护措施：避雷针，静电感应过电压抑制电容，压敏电阻，RC缓冲电路，缓冲器59第7章辅助元器件和系统均压、均流保护原因：器件等效电阻不同，串、并联使用时需要均压、均流60第7章辅助元器件和系统开通、关断过程线路电感为0：61第7章辅助元器件和系统开通、关断过程线路电感不为0：TTiABCvCEOVDVOI0（c)iT、vT

轨迹EQVCEPVPYQ62第7章辅助元器件和系统安全工作区：63第7章辅助元器件和系统LCRD型缓冲器：64第7章辅助元器件和系统开通过程同线路电感不为0的情况关断过程并联电容CS用于关断缓冲关断过程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD时，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不变iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期间，iT→0，iC→IO，使65第7章辅助元器件和系统关断过程并联电容CS用于关断缓冲关断过程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD时，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不变iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期间，iT→0，iC→IO，使此后，T关断，iL继续对CS充电，直到iL=0，vC=vT=VCEP，解VD、LS、RS、CS电路微分方程，得到：最后，vC=VCEP经RS对电源放电，使iC=iR→0。vC=vT=VD，关断轨迹为CAPA。66第8章谐振开关型变换器硬开关：开关管开通和关断时，电流和电压上升很快，这类称作硬开关。开关损耗开关管开通和关断过程中，电流和电压交叠部分产生的损耗，称为开关损耗。67第8章谐振开关型变换器零电压开关：零电压开通：在开关管电流上升前，使其电压下降到零零电压关断：在开关管电流下降时，限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区软开关：为减小开关损耗而使开关过程软化的开关电路称为软开关零电压开关(Zero-Voltage-Switching)68第8章谐振开关型变换器零电流开关：零电流开通：在开关管电压下降时，限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区零电流关断：在开关管电压上升前，使其电流减小到零零电流开关(Zero-Current-Switching)谐振变换器软开关准谐振变换器(QRC)多谐振变换器(MRC)零开关PWM变换器零转换PWM变换器69第9章多级组合基本概念电路结构