电力电子技术

电力电子技术

学习心得在大二学习模电之后，这学期我们开始接触电力电子器件和多种变换器。其中包括直流变直流，无源逆变电路，整流和有源逆变电路，交流变交流电路，软开关变换器。电力电子技术（Power

Electronics

Technology）是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是效率问题，对于信息处理电路来说，效率大于15%就可以接受，而对于电力电子技术而言，大功率装置效率低于85%还是无法忍受。目前能源问题已是我国面临的主要问题之一，提高电源变换效率是电力电子工程师主要任务。通过这学期几周的学习，我对电力电子学有了简单地了解。采用半导体电力开关器件构成各种开关电路，按一定的规律，周期性地，实时、适式的控制开关器件的通、断状态，可以实现电子开关型电力变化和控制。这种电力电子变换和控制，被称为电力电子学或电力电子技术。至于，什么事电力电子，强电与弱电的联系是什么，它有什么用途等等。这些都将是我们这门课程的需要解决的主要问题和传达给我们的知识和要点，通过这门课的学习我们队这些问题都将会有一个比较深刻的理解和学习，为我们以后的学习和工作都会有一定的基础积累。第一章中，我们主要了解电力电子技术的概念以及电力电子技术的应用领域。电子电力技术就是应用于电力领域的电子技术，电子电力技术是使用电力电子技术对电能进行变换和控制的技术。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流，直流变交流直流变直流和交流变交流。电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。

70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。

全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。

把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC）。

第二章中，我们学习了应用于电力电子技术中的一些基本器件。一:电力电子器件是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。它有如下特征，1：电子电力技术所能处理电功率的大小，就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。2：因为处理的电功率较大，为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近与断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；就像普通晶体管的饱和与截止一样。3：在实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。4：金光工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不至于因损耗散发的热量导致的期间温度过高而损坏，故工作时一般还需要安装散热器。二：电力电子技术的应用领域主要有：

1.大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量和增加效率为主要目标。

电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采用电力电子技术来完成电机的速度、转矩、跟随性等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及的应用领域。

2.高压直流输电。电源变换。它的发展主要以增加效率和提高控制性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机等控制。

3.无功功率补偿。

三：电力电子器件的分类

按照能够被控制电路信号所控制的程度

1.半控型器件：主要是指晶闸管及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。2.全控型器件：目前最常用的是

IGBT和Power

MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。

3：.不可控器件：电力二极管（Power

Diode）

不能用控制信号来控制其通断。

（2）按照驱动信号的性质

1：电流驱动型

：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。

2：电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

（3）按照驱动信号的波形（电力二极管除外

）

1.脉冲触发型

通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。

2.电平控制型

必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。

四：几种常用的电力二极管：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管

肖特基二极管优点在于：反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高

。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

四：晶闸管除门极触发外其他几种可能导通的情况

1.阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

2.阳极电压上升率du/dt过高

3.结温较高

4.光触发

5.延迟时间td

(0.5~1.5us)

;

上升时间tr

(0.5~3us)

;

开通时间tgt=td+tr

;

反向阻断恢复时间trr

;正向阻断恢复时间tgr

;

关断时间tq=trr+tgr

6.GTO（门极可关断晶闸管）是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲

电流使其关断，因而属于全控型器件。

7.开通时间ton

:延迟时间与上升时间之和。

8.关断

:一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。

9.电力场效应晶体管（电力MOSFET）特点：

驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

10.绝缘栅双极晶体管开关特性：

开通过程：开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

电压下降时间tfv

开通时间ton=

td(on)+tr+

tfv

tfv分为tfv1和tfv2两段。

关断过程：关断延迟时间td(off)

电压上升时间trv

电流下降时间tfi

关断时间toff

=

td(off)

+trv+tfi

tfi分为tfi1和tfi2两段

11.功率集成电路与集成电力电子模块特点：可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。

12.

功率集成电路与集成电力电子模块发展现状：

1.功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。

2.以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。

3.智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。

4.功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。

第三章，我们学习了整流电路，它是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。从组成器件可分为不可控，半控

，全控；从电路结构可分为桥式电路和零式电路；从交流输入相数可分为单相电路和多相电路；从变压器二次电流方向可分为单向或者双向，又分为单拍电路和双拍电路。一：.单相全波与单相全控桥的区别

1.单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。

2单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

3单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。

从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。二：.变压器漏感对整流电路影响的一些结论:

1出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。

2整流电路的工作状态增多。

3晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

4换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。

5换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

三：无功的危害：1.导致设备容量增加。2.使设备和线路的损耗增加。3线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。

四：谐波的危害

1降低发电、输电及用电设备的效率。

2影响用电设备的正常工作。

3引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。

4导致继电保护和自动装置的误动作。

5对通信系统造成干扰。五：逆变（invertion）：把直流电转变成交流电的过程。

六：变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。

七：产生逆变的条件

1要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。

2.半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用全控电路。

逆变电路一．概念：将直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变，当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。二：.换流方式分类：器件环流（利用全控器件的自关断能力进行换流）电网换流（由电网提供换流电压）负载换流（由负载提供换流电压）强迫换流（设置附加的环流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或者反向电流的换流方式，也称为电容换流。）三：.电压型逆变电路特点：1。直流侧为电压源，或并联有电容，相当于电压源。直流例电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2.由于直流电压源的钳位作用，交流例输出电压波形为矩形波，并且与负兹阻抗角无关。而交流例输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的武功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。四：电流型逆变电路特点1.直流例串联有大电感，相当于电流源。直流里电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗2.电路中开关器件的作用仅是改变直流的流通路径，因此交流书册输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流例为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。直流交流电路一：直流-直流变流电路的作用：将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接电流电路也称为斩波电流。斩波电流又分为降压斩波电流和升压斩波电路。将上述电路结合起来，即可构成复合斩波电路。二:带隔离的直流-直流变流电路其结构图如下：→逆变电路→变压器→整流电路→滤波器→直流交流交流脉动直流直流三：现将下面各电路的优缺点及功率范围和应用领域整理如下：电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低

几百W~几kW

各种中、小功率电源

反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单

难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低

几W~几十W

小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率

结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路

几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等

半桥

变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路

几百W~几kW

各种工业用电源，计算机电源等

推挽

变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源

注：其中正激电路和反激电路属于单端电路，半桥和全桥和推挽电路属于双端电路。第六章：交流-交流变流电流一：交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。1：交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。直接方式1：交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。2：变频电路：改变频率的电路。二：单相交流调压电路把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。1：交流电力控制电路1：交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。2：交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。3：交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。2：应用1：灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2：异步电动机软起动。3：异步电动机调速。4：供用电系统对无功功率的连续调节。5：在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压三：斩控式交流调压电路1工作原理1