现代电力电子技术基础李宏现代电力电子技术基础1章节

1、现代电力电子技术 Power Electronics Technology,西北工业大学 李宏 王崇武 2008年6月,目录,第1章 概述 第2章 器件 第3章 电力电子器件 第4章 AC-DC变换 第5章 DC-DC变换 第6章 DC-AC变换 第7章 AC-AC变换 第8章 软开关初步 第9章变换器的交流小信号模型 第10章几种应用设计,第一章 电力电子技术综述,引言 1.1 简单的变换器 1.2理想开关和实际开关 1.3变换器分类 1.4 变换器组成 1.5变换器中电感电容连接 1.6 变换器的希望特性和考核指标 1.7 变换器保护,返回,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。,引言,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。,随

2、着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。,电力电子技术的应用领域主要有： 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。 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。 无功功率补偿。,返回,1.1 简单的变换器,如果您需要从12V获得一个直流电源3.3V，可能想到采用分压器实现，如图1-1a所示。 若R=1K，可以算出R2=0.379K，运用电工学中

3、所学的知识，可得到所设计的电源等效内阻为： 等效电路如图（b）所示，输出特性显然这个电源在没有电流输出时，其输出电压为3.3V；有电流输出时，其输出电压为 IO为输出电流或负载电流。,i,Vo,3.3V,1-1分压器、电压跟随器及输出特性,o,可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。,从效率方面看 这个电路当输出电流为零时，电路损 ，这些能量通过电阻转化为热。当输出电流为5mA时，此时输出电压 输出功率 。 电压跟随器电路 显然其输出电压较分压器稳定的多，电路中除了电阻损耗外，另附加了晶体管损耗： 在大功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上，这些热量必须通过散热器散掉，其效率也很低。,通过上述分析，可以看出变换器设计必须考虑至少两个方面问题： 输出参数（电压）的稳定问题； 变换效率问题；效率很低的变换电路几乎没有应用价值。,周期性的导通和截止直流电源，形成了方波电压

4、，方波电压通过滤波后得到直流电压，在周期恒定时，控制导通时间就可控制输出电压，如图1-2所示。 假定开关是理想开关，则损耗为零，效率大大增加，这就是现代电力电子技术中采用的开关工作模式。 现代电力电子技术中的所有半导体器件都工作于饱和导通和截止两种工作状态，极力避免工作于放大状态，这也是和信号电路的又一本质区别。,返回,图1-2 PWM原理,1.2理想开关和实际开关,一般认为满足如下条件就是理想开关： 开关处于关断状态时能够承受高的端电压，并且漏电流为零； 开关处于导通状态时能够流过大电流，并且此时端电压（导通电压）为零； 导通、关断切换时所需的开关时间为零； 即使反复地开关也不老化。 小信号也能导通、关断，对信号延迟时间为零。,电力半导体器件不是理想器件，实际开关特性关断时能承受的端电压是有限的，关断时的阻抗也不是无穷大，总有漏电流流过，产生关断损耗。导通时能够流过的电流是有限的，导通时阻抗也不为零，正向导通电压和电流的乘积产生导通损耗。 从关断到导通以及从导通到关断的时间也不是零，这时的电压和电流乘积产生开关损耗。 由于端电压有限，所以在需要耐高压时，需要将电力半导体器件串联；同时

5、由于流过的最大电流有限，在需要流过大电流时，需要将电力半导体器件并联。,需要指出的是，采用理想开关并不是可以解决一切问题，如果出现了理想开关，也是只解决了损耗问题，与此同时会面临新的问题： 如由于理想开关在零时间内完成开通和关断，即零时间强制切换大电流，di/dt将非常大，由于分布电感，会产生大的过压，因此抑制这个过压的安装技术改善是非常重要。,返回,1.3变换器分类,图1-3 变换器分类,图1-3为一个单输入单输出变换器，电源可以是直流，也可以是交流，可以是电压源，也可以是电流源；负载可以是电感、电容或电阻，也可以是有源负载或者是把电能转化成其它能量形式的装置；Vc是具有输出变量特征的控制信号，输入和输出侧的电压或电流波形可以单相，也可以是三相或多相形式，变换器由开关、电感、电容和变压器组成，开关包含两端开关（如二极管）和三端开关（如SCR）。 为了方便分析，假定这些器件都是理想器件，即具有线性、非时变特征，开关的电压和电流容量满足要求。,1 DC-AC变换器逆变器 将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。,基本电路如图1-4（a

6、）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。 三相输出通过采用三个开关完成，如图1-4（b）所示。三个开关轮流导通120度，输出三相120度直流脉动波形。 交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。 DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz到1MHz不等。 DC-AC变换技术将在第6章介绍。,2 AC-DC变换器整流器 将单相或多相交流电源变换成一个直流电源称之为整流，这种装置成为整流器（Rectifier）。,基本电路如图1-5（a）(b)所示。图1-5（a）中交流电源通过二极管整流，二极管阳极承受正电压时导通，承受负电压时截止，因此称二极管为不受控或极性控制开关。二极管后的波形包含交流成分和直流成分，交流成分称之为纹波，因此在二极管之后需要滤波电路。 图1-5（b）中用开关取代了二极管，其主要特点

7、是可以在输入交流波形的任何时刻进行开关，而不是和二极管那样阳极正电压时导通负电压时截止。因此可以控制输出电压的交流分量和直流分量，滤波电路仍然需要。 AC-DC变换器应用范围很广，典型如电池充电，直流电机驱动，高压直流输电，风力发电等。不控整流和受控整流在第4章介绍。,3 DC-DC变换器 将直流电源变换成一路或多路直流电源称之为DC-DC变换。 DC-DC变换器也可以由DC-AC变换器和AC-DC变换器串联取得，输入直流电压首先逆变为高频率的AC，接着把AC通过整流变换成DC。 在DC-DC变换器中，频率提高可以减轻体积重量，如果需要输入和输出隔离，频率提高也可以减小变压器的重量，同时提高输入和输出电压的变化范围。,4 AC-AC变换器 将一个交流电源（单相或多相）变换成另一个交流电源（单相或多相，同频率或不同频率）称之为AC-AC变换。 输出频率低于输入电压频率的AC-AC变换器称之为周波变换器（Cyclo-convweter），其输出频率一般是输入电源频率的几分之一。 电源频率和输出频率相同的AC-AC变换器称之为交流控制器。 另一种AC-AC变换器由ac-dc变换器和dc-ac

8、变换器串联而成，从而得到希望的输出电压幅度、频率和相数。这样的AC-AC变换器称之为DC-Link ac-ac变换器，这种变换器输出频率与输入电源频率无关。,5 软开关与硬开关 提高变换器工作频率可以减小变换器体积，但增加工作频率会大大增加变换器损耗，降低变换器效率，为了同时提高变换器效率和减小变换器体积，软开关技术应运而生。 所谓软开关技术，是指电力电子器件导通或关断时损耗为零的技术，与此相应若导通或关断时损耗不为零则为硬开关。,返回,1.4 变换器组成,1、电阻 电阻是唯一的能量损耗器件，电阻作为单独的一个器件，在变换器功率电路中是不存在的，但存在于负载和寄生参数中，例如，电源的等效电阻，电感、变压器和电机中的线圈电阻，导线电阻，电容的等效电阻等。电阻的大小与流过电阻电流的频率无关，但是，导体中的线电阻与频率有关，随着流过电阻的电流频率增大，线电阻增大。这是由于电流流过导线时，导线周围产生磁场，磁场强度H与距离的平方成反比，因此在导线中心磁场强度最大，因此导线中心的感抗比靠近导线表面的区域大，电流流动趋向电抗小的区域，因此电流向导体表面集中，这就相当于增了导线的电阻率，这种现象称之

9、为趋肤效应（skin effect），趋肤深度与频率的平方根成反比。解决趋肤效应的办法就是增加导体的表面积，即用一束细直径导体代替大直径导体，这一束细导体称为多线头导体。,2、电感 电感是储能器件，除了作为一个器件存在于变换器中，同时还有寄生电感，如负载的寄生电感，配电系统中导线的自感，变压器和电机的漏感。 电感的电压电流关系为： 在 时间内，流过一个大电感的电流可以认为是常数，这是因为： 因此，可以认为在 时间内，大电感的模型可用电流源代替。,3、电容 电容也是一个储能器件，在变换器中作为一个器件存在，同时还存在寄生电容，如变压器中的匝间电容和层间电容，二极管、晶体管、晶闸管等内部的固有电容。电容的电压电流关系为： 当以恒定电流充电时，可写为 即恒流源向电容充电时，电容两端电压线性增加。在 时间内，大电容的电压可以认为是常数： 因此，可以认为在dt 时间内，大电容的模型可以用电压源代替。,4、电源 变换器的能量由输入电源提供，电源可以有多种划分方法，如：电压源，电流源；直流电源，交流电源；总是提供恒定幅度电压的电源称为直流电压源（dc voltage source）。基于交流电源的相数多少，交流电源可进一步划分为：单相交流源，三相交流源，多相交流源。,1)电压源和电流源，如图1-8所示。 电压源端电压是流过其电流的函数： 一般情况下电流流出正端子，但有时电流反向流动，因此，端电压在幅度和波形上与电源内部电压不同。理想电压源的源阻抗为零，因此其端电压和电流无关。 电流源流出的电流与其端电压有关： 端电压或正或负，端电流在幅度和波形上与电源内部电流不同。理想电流源的源阻抗无穷大，因此流出其端子的电流与端电压无关。,图1-8 电压源和电流源,2）直流电源和交流电源 总是提供恒定幅度电压的电源称为直流电压源（dc voltage source）。电池是最接近的理想直流电压源，预先冲好电的大容量电容也是直流电压源，电容值越大储存的电荷越多，供电时间越长。电池可以认为是一个容量非常大的电容。在自然界中不存在电流源，然而，一个预先加上电压的大电感可以认为是一个电流源，必须注意电流源必须用闭合电路储藏电能，而电池和电容可以开路。一个实际的电流源可以通过采用一个

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