電源變換和控制技術

電源變換和控制技術1機械工業(yè)出版社第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一2機械工業(yè)出版社2.1電力電子器件及應用

2.2AC-DC變換電路

2.3DC-DC變換電路

2.4DC-AC變換電路

2.5AC-AC變換電路

2.6多級復合形式的變換電路

2.7半導體功率器件的驅動與保護電路

本章主要內容第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一3機械工業(yè)出版社

◆電力電子器件的概念和特征◆電力電子器件的分類

◆不可控器件——電力二極管

◆半控型器件——晶閘管

◆電力場效應晶體管——電力MOSFET

◆絕緣柵雙極型晶體管——IGBT2.1電力電子器件及應用第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一4機械工業(yè)出版社2.1.1電力電子器件的概念和特征◆電力技術（電力設備、電力網絡）◆電子技術（電子器件、電子電路）◆控制技術（連續(xù)、離散）第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一5機械工業(yè)出版社1974年美國學者W.Newell用于表征電力電子技術的倒三角第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一6機械工業(yè)出版社2.1.2電力電子器件的分類

◆電力電子及其特性◆電力電子器件的分類

◆幾種典型的電力電子器件

第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一7機械工業(yè)出版社電力電子及其特性電力電子器件被廣泛用于處理電能的主電路中，是實現(xiàn)電能的傳輸、變換或控制的電子器件。電力電子器件所具有的主要特征為：①電力電子器件處理的電功率的大小是其主要的特征參數。②電力電子器件往往工作在開關狀態(tài)；③在實際應用中因此需要驅動電路對控制信號進行放大。第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一8機械工業(yè)出版社電力電子器件的分類1、按可控性分類（1）不控型器件：不能用控制信號控制其導通和關斷的電力電子器件。如：功率二極管（PowerDiode）。第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一9機械工業(yè)出版社（2）半控型器件：可以通過控制極（門極）控制器件導通，但不能控制其關斷的電力電子器件。晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶閘管等復合器件外)，器件的關斷一般依靠其在電路中承受反向電壓或減小通態(tài)電流使其恢復阻斷。第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一10機械工業(yè)出版社（3）全控型器件：既可以通過器件的控制極（門極）控制其導通，又可控制其關斷的器件。主要有：功率晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管（GTO）和電力場效應晶體管(P-MOS)等。第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一11機械工業(yè)出版社2、按驅動信號類型分類(1)電流驅動型：通過對控制極注入或抽出電流，實現(xiàn)其開通或關斷的電力電子器件稱為電流驅動型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。(2)電壓驅動型：通過對控制極和另一主電極之間施加控制電壓信號，實現(xiàn)其開通或關斷的電力電子器件稱為電壓驅動型器件，如P－MOSFET，IGBT等。

第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一12機械工業(yè)出版社幾種典型的電力電子器件

不可控器件――電力二極管半控型器件――晶閘管電力場效應晶體管――電力MOSFET絕緣柵雙極型晶體管――IGBT第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一13機械工業(yè)出版社1、不可控器件――電力二極管（1）電力二極管的基本特性：電力二極管（PowerDiode）承受的反向電壓耐力與陽極通流能力均比普通二極管大得多，但它的工作原理和伏安（V－A）特性與普通二極管基本相同，都具有正向導電性和反向阻斷性。電力二極管的電路符號和靜態(tài)特性（即伏安特性）如下圖所示。圖2-1電力二極管電路符號及伏安（V－A）特性第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一14機械工業(yè)出版社（2）電力二極管的主要參數正向平均電流IF(AV)：電力二極管在連續(xù)運行條件時，器件在額定結溫和規(guī)定的散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。反向重復峰值電壓URRM：指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓URBO的2/3。第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一15機械工業(yè)出版社正向通態(tài)壓降UF：在額定結溫下，電力二極管在導通狀態(tài)流過某一穩(wěn)態(tài)正向電流（IF）所對應的正向壓降。正向壓降越低，表明其導通損耗越小。反向恢復電流IRP及反向恢復時間trr：反向恢復時間trr通常定義為從電流下降為零至反向電流衰減至反向恢復電流峰值25％的時間。反向恢復電流IRP及恢復時間trr與正向導通時的正向電流IF及電流下降率diF/dt密切相關。

反向恢復過程：受二極管PN結中空間電荷區(qū)存儲電荷的影響，向正向導通的二極管施加反向電壓時，二極管不能立即轉為截止狀態(tài)，只有存儲電荷完全復合后，二極管才呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一16機械工業(yè)出版社2、半控型器件――晶閘管圖2-2晶閘管電路符號及伏安（V－A）特性

優(yōu)點：晶閘管可以承受的電壓、電流在功率半導體中均為最高，具有價格便宜、工作可靠的優(yōu)點，盡管其開關頻率較低，但在大功率、低頻電力電子裝置中仍占主導地位。

第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一17機械工業(yè)出版社（1）基本特性：電流觸發(fā)特性：當晶閘管A－K極間承受正向電壓時，如果G－K極間流過正向觸發(fā)電流，就會使晶閘管導通。單向導電特性：當承受反向電壓時，此時無論門極有無觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。半控型特性：晶閘管一旦導通，門極就失去作用；此時，不論門極電流是否存在、觸發(fā)電流極性如何，晶閘管都維持導通。要使導通的晶閘管恢復關斷，可對其A－K極間施加反向電壓或使其流過的電流小于維持電流（IH）。第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一18機械工業(yè)出版社（2）主要參數額定電壓UT：晶閘管在額定結溫、門極開路時，允許重復施加的正、反向斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個電壓值稱為晶閘管的額定電壓UT。正、反向斷態(tài)重復峰值電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開路(Ig=0)、器件在額定結溫時，允許重復加在器件上的正、反向峰值電壓。一般分別取正、反向斷態(tài)不重復峰值電壓（UDSM、URSM）的90%。正向斷態(tài)不重復峰值電壓應小于轉折電壓（Ubo）。通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱條件下、穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時，晶閘管允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數。維持電流IH：維持晶閘管導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百mA。第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一19機械工業(yè)出版社3、電力場效應晶體管――電力MOSFET（1）基本特性圖2-3電力MOSFET結構圖和電路圖形符號第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一20機械工業(yè)出版社a)轉移特性b)輸出特性圖2-4電力MOSFET的轉移特性和輸出特性第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一21機械工業(yè)出版社（2）主要參數漏極電壓UDS漏極直流電流額定值ID和漏極脈沖電流峰值IDM漏源通態(tài)電阻RDS(on)：在柵源間施加一定電壓（10～15V），漏源間的導通電阻。柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，當|UGS|>20V時將導致絕緣層擊穿。極間電容：MOSFET的3個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD、CDS。一般生產廠商提供的是漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss。

Ciss=CGS+CGD（2-1）

Crss=CGD（2-2）

Coss=CDS+CGD（2-3）第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一22機械工業(yè)出版社4、絕緣柵雙極型晶體管――IGBT（1）基本特性：圖2-5IGBT電路符號圖形靜態(tài)特性與P-MOSFET類似；UGE=0時IC=0，IGBT處于阻斷狀態(tài)（斷態(tài)）；UGE足夠大（一般為5~15V），IGBT進入導通狀態(tài)（通態(tài)），當UCE大于一定值（一般2V左右）時IC>0。優(yōu)點：驅動功率小、開關速度高通流能力強、耐壓等級高第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一23機械工業(yè)出版社（2）主要參數最大集射極間電壓BUCES：該參數決定了器件的最高工作電壓，這是由內部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。最大集電極電流ICM：包括在一定殼溫下的額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。集射極間飽和壓降UCE(sat)：對柵極與發(fā)射極（G－E）間施加一定正向電壓，在一定的結溫及集電極電流條件下，集射極（C－E）間的飽和通態(tài)壓降。此壓降在集電極電流較小時，呈負溫度系數，在電流較大時，為正溫度系數，這一特性使IGBT并聯(lián)運行較為容易。第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一24機械工業(yè)出版社現(xiàn)代電力電子的應用◆電力電子變換與控制技術（以四大變換展開）◆諧波抑制與功率因素校正技術◆電力電子技術的典型應用案列第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一25機械工業(yè)出版社電力電子變換與控制系統(tǒng)1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本變換及其組合構成的主電路拓撲。2.現(xiàn)代電力電子裝置的控制系統(tǒng)由微電子器件（硬件）、控制策略（軟件）和檢測、保護、驅動等組成。第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一26機械工業(yè)出版社四大基本變化電路AC-DC變換電路DC-DC變換電路DC-AC變換電路AC-AC變換電路第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一27機械工業(yè)出版社2.2AC—DC變換電路交流――直流變換器（AC―DCConverter）的功能是將交流電變換成直流電，又稱為整流器。第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一28機械工業(yè)出版社a、二極管整流電路――不控整流名稱輸出電壓型輸出電流型單相半波單相全波表2-1常用二極管整流器的主要形式第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一29機械工業(yè)出版社單相橋式三相半波三相橋式續(xù)表2-1第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一30機械工業(yè)出版社b、晶閘管整流電路――相控整流名稱輸出電壓型輸出電流型單相半波單相全波單相橋式半控表2-2常用晶閘管整流器的主要形式第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一31機械工業(yè)出版社單相橋式全控三相半波三相橋式半控三相橋式全控續(xù)表2-2第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一32機械工業(yè)出版社c、PWM整流電路――斬波整流圖2-6單相半橋整流器圖2-7單相全橋整流器第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一33機械工業(yè)出版社圖2-8三相電壓型PWM整流器圖2-9三相電流型PWM整流器第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一34機械工業(yè)出版社2.3DC/DC變換電路直流――直流變換器（DC－DCConverter）的功能是將一種直流電變換為另一種固定或可調電壓的直流電，又稱為直流斬波器（DCChopper）。第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一35機械工業(yè)出版社a、不隔離式單管DC－DC變換器Buck變換器

是一種降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓小于或等于輸入電壓，輸入電流斷續(xù)。輸出電壓Uo=DyUin，占空比Dy=ton/Ts＝0～1(下同)。

Boost變換器是一種升壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于輸入電壓，VT的占空比Dy必須小于1，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=Uin/(1－Dy)。

第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一36機械工業(yè)出版社Buck－Boost變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相反，輸入電流斷續(xù)。輸出電壓Uo=－DyUin/(1－Dy)。

Cúk變換器

一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相反，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。

第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一37機械工業(yè)出版社Sepic變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相同，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=(Dy/1－Dy)Uin。Zeta變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相同。輸入電流斷續(xù)。輸出電壓Uo=(Dy/1－Dy)Uin。第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一38機械工業(yè)出版社b、隔離型DC－DC變換器

單端正激式DC－DC變換電路圖2-10單端正激變換器主電路圖2-11正激變換器工作波形

第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一39機械工業(yè)出版社單端反激式DC－DC變換電路圖2-12單端反激式DC-DC變換電路第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一40機械工業(yè)出版社

a)電流連續(xù)模式(CCM)b)電流斷續(xù)模式(DCM)圖2-13反激式變換器工作波形第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一41機械工業(yè)出版社2.4DC－AC變換電路將直流電變換為交流電的過程稱為逆變換或DC－AC變換，實現(xiàn)逆變的主電路稱為DC－AC變換電路。通常將DC－AC變換電路、控制電路、驅動及保護電路組成的DC－AC逆變電源稱為逆變器（Inverter）。

第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一42機械工業(yè)出版社a、常用的DC－AC逆變電路電壓型單相半橋逆變電路

直流母線電容濾波，直流電壓Ud經C1、C2分壓，VT1、VT2交替導通/關斷；負載上的電壓幅值為Ud的一半，功率為全橋逆變器的四分之一；開關管VT1、VT2上承受的最大電壓為Ud；控制方式主要是PWM脈寬調制控制，移相控制等。第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一43機械工業(yè)出版社電壓型單相全橋逆變電路直流母線電容Cd濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導通/關斷；加在負載上的電壓幅值為Ud，輸出功率為半橋逆變器的四倍；開關管VT1～VT4上承受的最大電壓為Ud；控制方式有單極、雙極式PWM脈寬調制控制，移相控制，調頻控制等方式。第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一44機械工業(yè)出版社電流型單相全橋逆變電路直流母線電感Ld濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導通/關斷；負載上的電流波形為方波，幅值為Id；開關管VT1～VT4上承受的電壓為負載上的電壓。負載上的電壓幅值和相位取決于負載阻抗大小和性質。第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一45機械工業(yè)出版社電壓型三相橋式逆變電路直流母線電容Cd濾波，負載線電壓幅值為Ud，開關管VT1～VT6上承受的最大電壓為Ud，控制方式有PWM脈寬調制、移相控制、調頻控制等方式，換流方式有1800和1200兩種。適合4kW以上的三相負載。第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一46機械工業(yè)出版社b、歸納DC－AC逆變電路的主要拓撲形式

電壓型逆變器電流型逆變器單相半橋逆變器單相全橋逆變器三相橋式逆變器第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一47機械工業(yè)出版社c、逆變電路的參數計算電壓型單相半橋逆變電路的參數計算逆變器的輸入電壓為Ud，輸出功率為P，可得通過負載的電流有效值為：

對于阻感性負載：

選開關管VT1、VT2上的電壓定額為：

選開關管VT1、VT2上的電流定額為：

對于電阻性負載和諧振負載：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一48機械工業(yè)出版社電壓型單相全橋逆變電路的參數對于阻感性負載：選開關管VT1、VT2上的電壓定額為：選開關管VT1、VT2上的電流定額為：對于電阻性負載和諧振負載：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一49機械工業(yè)出版社電流型單相全橋逆變電路的參數計算等效導納為：在諧振點工作時，負載為等效電阻Ro、諧振頻率為

（2-12）（2-13）第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一50機械工業(yè)出版社將代入R0，得開關管VT1、VT2上的電壓定額為開關管VT1、VT2上的電流定額為其中為逆變器輸入電流，由負載輸出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一51機械工業(yè)出版社電壓型三相全橋逆變電路的參數計算對于電阻性負載對于電阻電感性負載開關管VT1~VT6上的電流定額為開關管VT1~VT6上的電壓定額為（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一52機械工業(yè)出版社2.5AC－AC變換電路

交流――交流變換器（AC－ACConverter）分為三大類：第一類頻率不變僅改變電壓大小的AC－AC電壓變換器；第二類直接將一定頻率的交流電變換為較低頻率交流電的相控式AC－AC直接變換器；在直接變頻的同時也可實現(xiàn)電壓變換，實現(xiàn)降頻降壓變換；第三類PWM斬波式AC--AC變換器，即可實現(xiàn)降壓又可升壓，還可以實現(xiàn)變頻控制，是一種高性能的變換器，目前處于研究階段。第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一53機械工業(yè)出版社a、單相全控AC-AC變換電路電路特點：單相全控型電壓控制器，是最基本的交流調壓電路。圖中2只普通晶閘管（T1、T2）可由一只雙向晶閘管取代，但有效電流定額需擴大約70%。第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一54機械工業(yè)出版社b、單相半控AC-AC變換電路電路特點：節(jié)省了一個晶閘管，但移相控制運行時輸出電壓正負半波不對稱，會給交流電網帶來諧波污染，不宜用于較大功率的調壓控制場合。第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一55機械工業(yè)出版社c、帶中性線N，星形聯(lián)結電路特點：帶一根電源中性線，相當于三只單相晶閘管交流調壓器的組合，適合帶中線的星形平衡負載調壓或調功。缺點是三相不平衡運行時，中線含有較大電流及諧波。

第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一56機械工業(yè)出版社d、無中性線的三相連接電路特點：三相負載可為星形、三角形聯(lián)結，每相電路通過另一相形成回路。不對稱運行時，Δ形負載內部有較大環(huán)流。第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一57機械工業(yè)出版社e、內△聯(lián)接的控制器電路特點：反并聯(lián)晶閘管與各相負載串聯(lián)后再接成三角形，相當于三個單相電壓控制器組成三相晶閘管交流電壓控制器。優(yōu)點是對電網沖擊小，缺點是要求負載有6個抽頭。

第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一58機械工業(yè)出版社2.6多極復合形式的變換電路

在眾多電源變換器中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC變換是四種最基本的電壓或頻率變換電路。在新能源發(fā)電技術的實際應用中，常將兩個以上的基本變換電路組合在一起，構成多級復合形式的變換電路。第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一59機械工業(yè)出版社

1．AC－DC－DC－AC變換電路（DC－DC降壓型）圖2－15降壓型AC－DC－DC－AC變換電路第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一60機械工業(yè)出版社2．AC－DC－DC－AC變換電路（DC－DC升壓型）圖2－16升壓型AC－DC－DC－AC變換電路第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一61機械工業(yè)出版社3．隔離式DC－AC－DC變換電路圖2－17隔離式DC－AC－DC變換電路第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一62機械工業(yè)出版社4．隔離式AC－DC－AC－DC變換電路圖2－18隔離式AC－DC－AC－DC變換電路第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一63機械工業(yè)出版社2.7半導體功率器件的驅動與保護電路

實際的電力電子變換器是由主電路、驅動器及保護電路、控制電路、檢測與顯示電路等多個子系統(tǒng)構成。驅動器接受控制系統(tǒng)輸出的控制信號，經功率放大和隔離后，驅動功率開關器件的導通、關斷，是連接功率器件與控制系統(tǒng)的橋梁。由于半導體功率開關器件種類繁多，不同的開關器件對驅動器的性能要求不盡相同，典型的驅動器分為電流驅動型器件和電壓驅動型器件的兩大類驅動器。電流驅動型器件主要有SCR、GTO和GTR，電壓驅動型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一64機械工業(yè)出版社2.7.1晶閘管SCR觸發(fā)驅動器圖2－19采用變壓器隔離的SCR驅動器

圖2－20采用光耦隔離的SCR驅動器第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一65機械工業(yè)出版社2.7.2IGBT和MOSFET驅動器和雙極型晶體管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是屬于電壓驅動型，輸入阻抗很大，為提高器件的開關速度，電壓驅動型器件的柵極驅動器除應具有更快的響應速度（ns級）外，同樣需要足夠大的柵極驅動能力（一般為＋15V）和反向電壓（一般為－5v），以保證瞬時完成對等效柵極電容的充電或放電過程。第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一66機械工業(yè)出版社功率MOSFET和IGBT器件驅動器應用實例

1．TLP250功率驅動電路及應用圖2－22TLP250組成的驅動電路第66頁，共75頁，2023年，2月20日，星期一67機械工業(yè)出版社2．UC3724/UC3725驅動電路圖2－23UC3724/3725功率MO