電力電子學(xué)串講

電力電子學(xué)考前串講——主講人：肖建杰2第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力電子學(xué)：電力技術(shù)，電子技術(shù)和控制技術(shù)三者結(jié)合的交叉學(xué)科理想開(kāi)關(guān)的特性：導(dǎo)通電阻為0；關(guān)斷電阻為無(wú)窮大；狀態(tài)變換的過(guò)渡時(shí)間為0；脈沖寬度調(diào)制PWM：固定開(kāi)關(guān)周期Ts，改變占空比D；脈沖頻率控制PFM：固定通態(tài)時(shí)間Ton，改變開(kāi)關(guān)周期Ts；3第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性：開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開(kāi)關(guān)電路，輸出電壓和輸入電流都不是理想的；開(kāi)關(guān)型電力電子變換電路的輸入、輸出端需附加濾波電路（通常為L(zhǎng)C濾波器），改善輸出電壓和輸入電流的波形；

高頻PWM是改善開(kāi)關(guān)電路輸入電流波形、輸出電壓最有效的技術(shù)措施（提高頻率使濾波電路尺寸大幅降低）；常用分析方法——傅立葉變換，狀態(tài)空間平均法；使電力電子開(kāi)關(guān)電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應(yīng)對(duì)稱(chēng)地安排一個(gè)周期中不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間；開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的兩類(lèi)應(yīng)用：開(kāi)關(guān)型電力電子變換電源開(kāi)關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器4第2章半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件可控性驅(qū)動(dòng)信號(hào)符號(hào)額定電壓、電流工作頻率飽和壓降二極管不可控?zé)o

最大有高有低小晶閘管半控脈沖電流（開(kāi)通）最大最低小GTO門(mén)極可關(guān)斷晶閘管全控正、負(fù)脈沖電流大較低中

BJT雙極結(jié)型晶體管全控正電流中中小IGBT絕緣門(mén)極雙極型晶體管全控正電壓較大較高較小P-MOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管全控正電壓小最高大5第2章半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件電力二極管的重要參數(shù)：額定電壓：最大允許反向重復(fù)峰值電壓；額定電流：其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流的平均值；最大允許的均方根正向電流：半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流Ifrms；反向恢復(fù)時(shí)間：正向電流為0至反向電流衰減到10%的時(shí)間；電力二極管的應(yīng)用：整流續(xù)流6第2章半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件晶閘管的重要參數(shù)：額定電流IR：其額定發(fā)熱所允許的工頻正弦半波電流的平均值；維持電流IH

：晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，在室溫和門(mén)極開(kāi)路條件下，減小陽(yáng)極電流，使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流；擎住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流，通常IL約為IH的2～4倍；斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路條件下，使晶閘管保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率；通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在規(guī)定條件下，晶閘管用門(mén)極觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不損壞的通態(tài)電流最大上升率。7第2章半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件溫度系數(shù)：MOSFET與IGBT的導(dǎo)通等效電阻具有正溫度系數(shù)，故結(jié)溫上升時(shí)，電阻增大，電流減小，從而不易局部過(guò)熱；（適合并聯(lián)工作）BJT的導(dǎo)通等效電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，故結(jié)溫上升時(shí)，電阻減小，電流增大；GCEVgVRRdsRbrT2T1ICABRg擎住效應(yīng)：Rbr上的電壓過(guò)高，使T2導(dǎo)通，IGBT失去關(guān)斷能力產(chǎn)生擎住效應(yīng)的原因：集電極電流IC過(guò)大；集電極電壓過(guò)高；關(guān)斷速度過(guò)快；8第2章半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件電力電子開(kāi)關(guān)與機(jī)械開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)速度；導(dǎo)通壓降，漏電流；9第3章DC/DC變換器10第3章DC/DC變換器Buck電路電路結(jié)構(gòu)：工作原理：11第3章DC/DC變換器主要波形：工作狀態(tài)1：T導(dǎo)通，D關(guān)斷工作狀態(tài)2：D導(dǎo)通，T關(guān)斷12第3章DC/DC變換器變壓比M變?yōu)椋汗ぷ鳡顟B(tài)3：T關(guān)斷，D關(guān)斷13第3章DC/DC變換器電容C在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的充、放電電荷為：臨界負(fù)載電流輸出電壓波動(dòng)量：14第3章DC/DC變換器Boost電路主要波形：15第3章DC/DC變換器單端正激電路（隔離型buck電路）：?jiǎn)味恕儔浩鞔磐▋H在單方向變化（磁通始終大于0）正激——開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將能量直接傳送給負(fù)載16第3章DC/DC變換器***sViLi2i3i1ovLD3N1N2N3D1D2CiSTCBHFDOA開(kāi)關(guān)狀態(tài)1：T導(dǎo)通，N2、D2導(dǎo)電，N3、D1、D3截止iL***VSi2i3ovLD3AN1N2N3D1D2CiSTCHB

F

D開(kāi)關(guān)狀態(tài)2：T關(guān)斷，N3、D3、D1導(dǎo)電，N2、D2截止17第3章DC/DC變換器單端反激電路（隔離型buck-boost電路）：?jiǎn)味恕儔浩鞔磐▋H在單方向變化反激——開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在電感中；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載18第3章DC/DC變換器開(kāi)關(guān)狀態(tài)1：T導(dǎo)通，D截止電源給通過(guò)L1給變壓器充電，變壓器磁通增加開(kāi)關(guān)狀態(tài)2：T關(guān)斷，D導(dǎo)通變壓器通過(guò)L2放電，變壓器磁通減少19第4章DC/AC變換器逆變器的類(lèi)型：按直流電源類(lèi)型分：電壓源型、電流源型按輸出電壓性質(zhì)分：恒頻恒壓CVCF型、變頻變壓VVVF型、脈沖電壓（電流）型按電路結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)蜗喟霕?、單相全橋、推挽式、三相橋式按開(kāi)關(guān)器件及其關(guān)斷方式分：自關(guān)斷型（全控器件）、強(qiáng)迫關(guān)斷型（晶閘管）、電網(wǎng)換流型（有源逆變或負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)換流）、負(fù)載諧振換流型20第4章DC/AC變換器逆變器的輸出性能指標(biāo)：諧波系數(shù)HF：第n次諧波分量的有效值和基波分量的有效值之比總諧波系數(shù)THD：所有非基波分量的總有效值與基波分量有效值之比THD表征了實(shí)際波形與理想基波正弦分量的差異程度21第4章DC/AC變換器畸變系數(shù)DF：各次諧波分量經(jīng)過(guò)加權(quán)以后的總有效值與基波有效值之比用以評(píng)估非正弦周期波形經(jīng)過(guò)濾波以后的畸變程度最低次諧波LOH：距離基波頻率最近的諧波22第4章DC/AC變換器單相半橋逆變電路（方波）：電路結(jié)構(gòu)：波形：基波分量有效值：死區(qū)時(shí)間：上、下兩管關(guān)斷信號(hào)與開(kāi)通信號(hào)間的時(shí)間間隔23第4章DC/AC變換器單相全橋逆變電路（方波）：電路結(jié)構(gòu)：波形：基波分量有效值：24第4章DC/AC變換器正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）：沖量等效原理：大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時(shí)，只要它們的沖量（面積），即變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果相同。調(diào)制比M：25第4章DC/AC變換器雙極性SPWM：?jiǎn)蝹€(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出電壓有正有負(fù)（適用半橋，全橋）調(diào)制比M：驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路：26第4章DC/AC變換器諧波特性：SPWM調(diào)制本身不會(huì)降低輸出電壓的THD，但其可以使諧波高頻化以便于濾除。對(duì)于雙極性SPWM調(diào)制，主要低次諧波為載波頻率附件的N次諧波和（N-2）次諧波。載波比N：載波頻率與調(diào)制波頻率之比為載波比缺點(diǎn)：直流電壓利用率降低。27第4章DC/AC變換器單極性SPWM：調(diào)制波的正半周僅出現(xiàn)正向脈沖電壓，負(fù)半周僅出現(xiàn)負(fù)向脈沖電壓（僅適用于全橋）調(diào)制比M：驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路：正弦波vr28第4章DC/AC變換器諧波特性：對(duì)于單極性SPWM調(diào)制，主要低次諧波為兩倍載波頻率附件的（2N-1）次諧波。29第4章DC/AC變換器三相電壓逆變器：電路結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電順序123→234→345→456→561→612→123線(xiàn)電壓基波幅值30第4章DC/AC變換器三相電流逆變器：電路結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電順序12→23→34→45→56→61→12缺點(diǎn)電感很大，因而體積，重量較大31第4章DC/AC變換器三相SPWM控制：電路結(jié)構(gòu)：線(xiàn)電壓基波幅值相電壓基波幅值32第5章AC/DC變換器不控整流：電路結(jié)構(gòu)：雙半波單相橋式三相橋式三相半橋33第5章AC/DC變換器輸出波形：雙半波、單相橋式三相橋式三相半橋34第5章AC/DC變換器單相相控整流：電路結(jié)構(gòu)：名詞術(shù)語(yǔ)：

觸發(fā)控制角α

導(dǎo)通角θ

移相

移相范圍

同步

換相電壓平均值35第5章AC/DC變換器電阻負(fù)載的電壓有效值負(fù)載的電流有效值晶閘管的電流有效值功率因數(shù)36第5章AC/DC變換器三相相控整流：電路結(jié)構(gòu)：電壓平均值37第5章AC/DC變換器負(fù)載性質(zhì)影響：負(fù)載電感影響（單相）：（1）L較小、α>φ，負(fù)載斷流：38第5章AC/DC變換器(2)α＝φ，電流臨界連續(xù)：(3)L、φ較大，α<φ，電流連續(xù)：vD波形、平均值、導(dǎo)電角θ，與電流臨界連續(xù)時(shí)相同。負(fù)載電流不再是“正弦雙正半波”，任何時(shí)刻iD>0；(4)L很大,α<φ，電流連續(xù)，可忽略脈動(dòng):電源基波功率因數(shù)角φ1＝α，α越大，cosφ1越?。?9第5章AC/DC變換器負(fù)載電感影響（三相）：電流始終連續(xù)，α為0到180°取值導(dǎo)通角始終為60°40第5章AC/DC變換器負(fù)載反電勢(shì)影響：由于反電勢(shì)存在，有停止導(dǎo)電角δ停止導(dǎo)電角（純阻性條件）單相橋相控整流時(shí)電流連續(xù)條件：三相全橋相控整流時(shí)電流臨界連續(xù)條件：41第5章AC/DC變換器電容的影響：電容影響，導(dǎo)通角減小，電流增大42第5章AC/DC變換器交流電路電感的影響（換相壓降）：由于交流電路電感的存在，交流電路電流不能跳變，需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程因換相重疊而損失的電壓為換相壓降，對(duì)應(yīng)圖中QGDH：43第5章AC/DC變換器換相電阻：換相壓降與電流ID的比值44第5章AC/DC變換器有源逆變：“負(fù)載”應(yīng)含有一個(gè)直流電源，且其電壓EI的極性必須與圖(f)中的方向一致；橋式變換電路中開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)控制角：α>π/2，同時(shí)也不宜過(guò)大，以免換相失敗整流電路必須是全控型電路；逆變角β=π－α45第5章AC/DC變換器安全工作條件：

對(duì)普通高壓大功率晶閘管，一般toff≤200～300μs。這段時(shí)間相當(dāng)于（頻率f=50Hz時(shí)）角度θo≈4o～5o，稱(chēng)為關(guān)斷角。晶閘管換相存在一個(gè)換相角γ再預(yù)留一個(gè)安全角φr46第5章AC/DC變換器三相高頻PWM整流：47第5章AC/DC變換器工作原理：48第6章AC/AC變換器單相交流電壓控制器：電阻負(fù)載的電壓有效值負(fù)載的電流有效值晶閘管的電流有效值功率因數(shù)49第6章AC/AC變換器阻感性負(fù)載：α≤φ時(shí)：α>φ時(shí)：50第6章AC/AC變換器三相Y聯(lián)交流電壓控制器：51第6章AC/AC變換器三相Y聯(lián)交流電壓控制器：：第一類(lèi)工作狀態(tài)（三相同時(shí)導(dǎo)電）。：交替出現(xiàn)第一類(lèi)和第二類(lèi)工作狀態(tài)。0°<

α≤60°α=0°60°<

α≤

90°：第二類(lèi)工作狀態(tài)（兩相同時(shí)導(dǎo)電）90°<

α<

150°：交替處于第二類(lèi)工作狀態(tài)和斷流狀態(tài)。α

>150°：電路斷流，不能工作。第一類(lèi)工作狀態(tài)：三相同時(shí)工作，在同一時(shí)刻，每一相有一個(gè)晶閘管導(dǎo)電。第二類(lèi)工作狀態(tài)：二相同時(shí)工作，同一時(shí)刻僅二相各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)電，第三相中的兩個(gè)晶閘管都不導(dǎo)電。52第7章輔助元器件和系統(tǒng)觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)器：接收控制信號(hào)，經(jīng)處理后送出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開(kāi)關(guān)器件，控制其通、斷；過(guò)流過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)：檢測(cè)負(fù)載或開(kāi)關(guān)的電流、電壓，并提供保護(hù)，防止開(kāi)關(guān)器件因?yàn)檫^(guò)流、過(guò)壓損壞。緩沖器：減少開(kāi)、關(guān)過(guò)程中開(kāi)關(guān)器件承受的電壓電流，減小電壓、電流變化率。電感和變壓器濾波器散熱系統(tǒng)輔助電源控制系統(tǒng)53第7章輔助元器件和系統(tǒng)SCR的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器：SCR為脈沖電流觸發(fā)導(dǎo)通，其脈沖電流ig要求上升沿要陡，且觸發(fā)數(shù)值要足夠大（脈沖足以使SCR立即開(kāi)通）觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)器：提供驅(qū)動(dòng)電流、電壓；電氣隔離；54第7章輔助元器件和系統(tǒng)GTO的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器：開(kāi)通需要正脈沖電流，關(guān)斷需要負(fù)脈沖電流55第7章輔助元器件和系統(tǒng)BJT的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器：開(kāi)通時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)有足夠陡的前沿和足夠大的前沿峰值電流，以縮短開(kāi)通時(shí)間；穩(wěn)態(tài)值時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電流，使晶體管處于飽和或臨界飽和狀態(tài)，以降低通態(tài)損耗；關(guān)斷時(shí)應(yīng)加一個(gè)較大的負(fù)電流，加快關(guān)斷過(guò)程；斷態(tài)時(shí)be間加入反向的電壓，加強(qiáng)阻斷能力；56第7章輔助元器件和系統(tǒng)P-MOSFET、IGBT的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器：開(kāi)通時(shí)要求有持續(xù)的電平VG=12~15V使其開(kāi)通并保持其通態(tài)；關(guān)斷時(shí)，最好加持續(xù)的負(fù)電平VG=-2~-10V維持其可靠的斷態(tài)57第7章輔助元器件和系統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)原因：短路、過(guò)載保護(hù)措施：電子保護(hù)，斷路器，快速熔斷器，死區(qū)時(shí)間58第7章輔助元器件和系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)原因：雷擊過(guò)電壓，操作過(guò)電壓二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓、開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)電壓保護(hù)措施：避雷針，靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容，壓敏電阻，RC緩沖電路，緩沖器59第7章輔助元器件和系統(tǒng)均壓、均流保護(hù)原因：器件等效電阻不同，串、并聯(lián)使用時(shí)需要均壓、均流60第7章輔助元器件和系統(tǒng)開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程線(xiàn)路電感為0：61第7章輔助元器件和系統(tǒng)開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程線(xiàn)路電感不為0：TTiABCvCEOVDVOI0（c)iT、vT

軌跡EQVCEPVPYQ62第7章輔助元器件和系統(tǒng)安全工作區(qū)：63第7章輔助元器件和系統(tǒng)LCRD型緩沖器：64第7章輔助元器件和系統(tǒng)開(kāi)通過(guò)程同線(xiàn)路電感不為0的情況關(guān)斷過(guò)程并聯(lián)電容CS用于關(guān)斷緩沖關(guān)斷過(guò)程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD時(shí)，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不變iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期間，iT→0，iC→IO，使65第7章輔助元器件和系統(tǒng)關(guān)斷過(guò)程并聯(lián)電容CS用于關(guān)斷緩沖關(guān)斷過(guò)程：rT↑，vT=rT×iT↑，在vT<VD時(shí)，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIO不變iT=IO(1-t/tfi)下降iC=IO/tfi上升，vC=vT上升。若在tfi期間，iT→0，iC→IO，使此后，T關(guān)斷，iL繼續(xù)對(duì)CS充電，直到iL=0，vC=vT=VCEP，解VD、LS、RS、CS電路微分方程，得到：最后，vC=VCEP經(jīng)RS對(duì)電源放電，使iC=iR→0。vC=vT=VD，關(guān)斷軌跡為CAPA。66第8章諧振開(kāi)關(guān)型變換器硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，電流和電壓上升很快，這類(lèi)稱(chēng)作硬開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，電流和電壓交疊部分產(chǎn)生的損耗，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。67第8章諧振開(kāi)關(guān)型變換器零電壓開(kāi)關(guān)：零電壓開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管電流上升前，使其電壓下降到零零電壓關(guān)斷：在開(kāi)關(guān)管電流下降時(shí)，限制電壓的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)軟開(kāi)關(guān)：為減小開(kāi)關(guān)損耗而使開(kāi)關(guān)過(guò)程軟化的開(kāi)關(guān)電路稱(chēng)為軟開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)(Zero-Voltage-Switching)68第8章諧振開(kāi)關(guān)型變換器零電流開(kāi)關(guān)：零電流開(kāi)通：在開(kāi)關(guān)管電壓下降時(shí)，限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區(qū)零電流關(guān)斷：在開(kāi)關(guān)管電壓上升前，使其電流減小到零零電流開(kāi)關(guān)(Zero-Current-Switching)諧振變換器軟開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(QRC)多諧振變換器(MRC)零開(kāi)關(guān)PWM變換器零轉(zhuǎn)換PWM變換器69第9章多級(jí)組合基本概念電路結(jié)構(gòu)