电力电子技术复习笔记

◆美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

电流有效值 电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、

电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业

工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。 一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。 交通运输 ☞电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。 ☞电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。

电力系统 ☞直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。 ☞晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。 ☞在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。 电子装置用电源 ☞各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。 ☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源Uninterruptible Power Supply__ UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。 家用电器 ◆其它 ☞航天飞行器、载人航天器、抽水储能发电站☞超导储能 晶闸管的主要参数

二者关系 I=IT*1.57

维持电流IH

平均电流

☞维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。

☞结温越高，则IH越小。 擎住电流 IL ☞擎住电流是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电流。 ☞约为IH的2~4倍 浪涌电流ITSM

☞指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

2.6 功率集成电路与集成电力电子模块实际应用电路 高压集成电路（High Voltage IC——HVIC） ☞一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC） ☞一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM） 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 ☞专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称2U2智能IGBT（Intelligent IGBT）。

按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 ☞单极型：肖特基二极管、电力MOSFET和SIT等。 ☞双极型：基于PN结的电力二极管、晶闸管、GTO和GTR等。 ☞复合型 ：IGBT、SITH和MCT等。

31.1 单相半波可控整流电路

VT的a 移相范围（使输出从开始导通到输出为0的a 角度）为。 31.2 单相桥式全控整流电路 1) 带电阻负载的工作

a 角的移相范围为 2）带阻感负载的工作情况

晶闸管移相范围为

3.2.2 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路的一些特点 ☞每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。 ☞对触发脉冲的要求

√6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差。 √共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差。

√同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差。 2.7.1 逆变的概念

从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有二：有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致（与原向相反），其值大于变流器直流侧平均电压。 晶闸管的控制角，使Ud为负值。

1) 逆变失败的原因：触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。如在负段触发的管子，在正段触发。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。如负半周管子失去阻断能力，导通到正半周。 交流电源缺相或突然消失。如失去阻断作用能继续导通。 换相的裕量角不足，引起换相失败。 2) 确定最小逆变角bmin的依据

逆变时允许采用的最小逆变角b 应等于bmin=d +g+q′ d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度g —— 换相重叠角q′——安全裕量角

3.8.1 同步信号为锯齿波的触发电路 1) 脉冲形成环节与放大

V4、V5 —脉冲形成；V7、V8 — 脉冲放大。当V4关断，V5和V6导通，C3的充电电压为左正右负，约30v。当V4导通，A点降为0V，V5截止

脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。 2) 同步信号和锯齿波的形成

锯齿波电压形成的方案较多，本电路采用恒流源电路。 同步信号为同步变压器。

锯齿波是由开关V2管来控制的。 V2开关的频率就是锯齿波的频率—— 由同步变压器所接的交流电压决定。 V2由导通变截止期间产生锯齿波——

锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度 ——取决于充电时间常数R1C1。

锯齿波总是对应于同步信号的负半周产生。 3) 移相环节

4) 双窄脉冲形成环节 双脉冲电路

V5、V6构成“或”门

当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。 只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通， 有脉冲输出。

三相桥式全控整流电路的情况，X输出，Y输入。 如VT1器件的X端（V4导通，X表现出为0） 接VT6器件的Y端（V6为0，V7、V8导通）。 5) 强触发

电源通过R15充电至50V；

放电过程中由VD15箝位在15V。

第4逆变的概念

◆与整流相对应，直流电变成交流电。◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。

◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。

器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类1电压型逆变电路：直流侧是电压源。2电流型逆变电路：直流侧是电流源。

■电压型逆变电路的特点

1直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。2由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。3阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

电流型逆变电路主要特点

1直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。2交流输出电流为矩形波与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。3直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

4.3.1 单相电流型逆变电路

每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来晶闸管开通时的di/dt。Ld

tonton是一个大电感，串联在直流侧相当于电流源，起缓冲无功能量的作用。而在晶闸（5-1UoEEE管导通或关断时，直流侧电流不反向，所以Ldt不能缓冲di/dt。在晶闸管导通或T） ontoff关断的时侯，流过Lt的电流有一个突变，Lt能缓冲di/dt。

Uo1E4.3.2 三相电流型逆变电路 Io(5-25) R中的R等效换流电容概念：图4-16中的换流电容C13就是图4-14C3与C5串联

后再与C1并联的等效电容。 ☞分析从VT1向VT3换流的过程

Uo左正右负。1E √假设换流前VT1和VT2通，C13电压UC0 I1Io(5-26) E2R √换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。

√ t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断，Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段，如图4－16b。√uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证可靠关断。

√t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时导通，进入二极管换流阶段。

√随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。√t3以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段。

5.1.1 降压斩波电路，电流断续 5.1.2 升压斩波电路

电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用

电容C可将输出电压保持住 输出电流的平均值Io为： 电源电流的平均值I1为： 5.1.3升降压斩波电路

当0也有称之为buck-boost 变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器

2) Cuk斩波电路

优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。

相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。

5.3 带隔离的直流直流变流电路

间接直流变流电路分为单端和双端电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流。 ■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

■直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、2种复合斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种

■常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。

第6

交流调压电路 相位控制，交流调功电路 通断控制 交流调压电路应用

灯光控制，如调光台灯和舞台灯光控制。异步电动机软起动。异步电动机调速。 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。

6.1.1 单相交流调压电路移相范围为1) 电阻负载，0≤ a ≤π。 a =0时，输出电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =π时， Uo =0。2) 阻感负载，为了方便 ，a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为j ≤ a ≤π。 交流调功电路与交流调压电路的异同比较

相同点 电路形式完全相同，不同点 控制方式不同

交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制，例如灯光控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，例如电炉温度控制。 6.3.1 单相交交变频器

改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo 。

改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。 2) 整流与逆变工作状态

t1～t3期间：io正半周，正组工作，反组。 t1～t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。

t2～t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负。 t3 ～t5期间： io负半周，反组工作，正组。 t3～t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。

t4～t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负。 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。

工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。

7.1 面积等效原理

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 7.2.1 计算法和调制法 2）调制法

结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明 作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流， uo =0

uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断：

负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。

uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两

种电平。

3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。当ur3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值有±Ud两种电平。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通；如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 。当ur0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。 单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。

双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。 7.2.2 异步调制和同步调制

1） 异步调制，载波信号和调制信号不同步的调制方式

2） 同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。

3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用，把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。