现代电力电子技术学习笔记.docx

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现代电力电子技术学习笔记

1、绪论

1、高频化（MHz水平）:

提高性能、效率、功率密度，减小储能元件体积，便于装置小型轻便化，如变压器、电感、电容体积→Hz平方根成反比。

高频化带来主要问题:

开关元件功耗、开关应力问题；寄生分布参数影响及EMI（Electro-MagneticInterference）等问题。

2、《宽禁带半导体电力电子器件及应用》，陈治明、李守智编著，机械工业出版社，2009年1月

2、电力电子器件

1、概念：

工作在开关状态、用于功率转换的、电力半导体器件。

2、半导体：

本征半导体中存在空穴和自由电子两种载流子,并且两种载流子数量是相等的→这是半导体区别于金属导体的一个基本特点。

空穴导电占优势的半导体称作P（Positive）型半导体，自由电子导电占优势的N（Negative）型半导体。

3、PN结：

扩散与漂移运动在一定温度下达到动态平衡时，形成一个总量不变、稳定的由空间电荷构成的“空间电荷区”。

在整个空间电荷区范围，正负电荷数量相等，整体保持电中性，称PN结。

常温下硅PN结的U0≈0.7V。

在PN结上外加正向电压VF，使扩散运动得到增强，在外电路作用下会形成稳定的、源源不断的扩散电流，若外加正向电压VF升高，则会进一步削弱内电场、增大扩散电流。

故正向偏置的PN结呈现为一个很小的电阻，流过较大的正向电流。

PN结电容主要由势垒电容和扩散电容组成。

在PN结正偏状态下，当正向电压较低时，扩散运动较弱，扩散电容相对较小，势垒电容相对占主要成份。

正向电压较高时，扩散运动加剧，扩散电容近似按指数规律上升，扩散电容则成为主要成份。

PN结反偏时，扩散运动被强烈抑制，扩散电容很小，PN结电容则以势垒电容为主，如图所示。

4、各种电力电子器件相关内容：

（1）类型及特点；

（2）通、断过程机理；

（3）特性、主要性能参数及其意义；

（4）电路运行条件对器件性能或特性的影响；

（5）驱动及要求；

（6）使用保护（电压保护、电流保护等）。

第2章AC/DC变换（整流变换）

主要类型：

相控、斩控（PWM整流）

1、（传统）相控整流电路（调节

）

改变触发脉冲位置（触发角），改变输出整流电压大小。

单相半波可控整流电路、单相全波可控、单相桥式全控、单相桥式半控、三相桥式全控、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。

相控（传统）整流的主要缺陷：

1、网侧功率因素低、谐波大

相控整流电路功率因素：

（基波电流因子

，

：

触发角）

↑——

↓，

↓（谐波增加）——

降低。

2、闭环系统难以实现快速调节

SCR导通后失控,相邻两个转换点之间相隔：

单相桥式电路10ms,三相桥式3.3ms,时滞在0～10ms（3.3ms）之间随机分布;

为了抑制输出端纹波,一般带有较大输出滤波电容电感→电路难以对扰动做出快速反应。

2、PWM整流（调节占空比）

1、电路拓扑及工作原理

注：

Ls:

电路工作在Boost状态所需。

Lr、Cr:

滤除i0中二次谐波。

工作原理：

假设C0足够大，使得u0≡U0。

（1）i0>0,us>0（电源电压正半周），D1、D4导通，uN=＋U0；

i0>0,us<0（电源电压负半周），D2、D3导通，uN=－U0。

此时Ls释放能量,与电源us一起向负载供电。

（2）is>0,D1、T2或T3、D4导通;

is<0,D2、T1或T4、D3导通,电源us沿Ls短路。

此时uN=0,Ls储能,负载R则依靠C0放电维持。

（3）i0<0,us<0,T1、T4导通,uN=＋U0;

i0<0,us>0,T2、T3导通,uN=－U0。

负载馈能,与电源us一起向Ls储能。

桥路的输入电压uN波形将如图所示。

若

uN波形是采用SPWM调制而成，uN中将含有

很少的谐波成分。

同步整流

1、将功率MOS反接作为整流电路中的整流管，称为同步整流。

主要用于低压大电流集成电路中。

2、同步整流原理

门极驱动信号和源极电压同步，如源极为高电平时，驱动信号也是高电平则MOS管导通；反之，源极为低电平时，驱动信号也是低电平，则MOS管关断；这样就自然实现了整流，而且电流也只能由源极s流向漏极D。

由于是通过门极信号和源极电压同步来实现整流的，因此把这种整流方式称为同步整流。

功率MOS管反接，其固有的体二极管极性却是正向的。

有时要利用它先导通，以便过渡到功率MOS管进入整流状态。

但由于体二极管的正向压降较大，常常不希望它导通或导通时问过长。

同步整流的技术关键是掌握好反接MOS的控制时序。

若MOS开通过晚、关断过早，电流将流过体二极管，使导通损耗加大。

若MOS开通过早、关断过晚，在桥臂回路中就可能形成桥臂断路。

3、

典型同步整流电路及其控制时序

（1）SR-Buck

（2）SR-Flyback

反激

（3）

SR-Forward正激

4、同步整流驱动方式

主要有:

自驱动（Self-driven:

驱动信号来自电路自身中某一元件的电压或电流）、外（控制）驱动（External-drivenorcontrol-driven外驱动有专门的驱动芯片）；电压型、电流型驱动等。

几种典型SR电路的电压型自驱动方式，驱动都直接取自变压器二次绕阻。

电压型自驱动尚有通过变压器耦合（驱动取自变压器副边另加的附加绕组）以及驱动取自滤波电感的电路等。

自驱动尤其是电压型自驱动简单易行，但自驱动方式的驱动信号存在：

易受变压器原边输入电压以及负载影响、开关管通断状态转换时有较大信号尖峰、变换器死区时段无法提供驱动信号等问题，故建议尽量选用外驱动方式。

5、倍流整流

图中,L1=L2。

当us>0:

is→L1→负载→VD2构成回路（电源供能,L1储能）。

同时,L2经负载→VD2构成回路释能,有is=iL1,iL=iL1+iL2。

当us<0:

is→L2→负载→VD1构成回路（电源供能,L2储能）。

同时,L1经负载→VD1构成回路释能,有is=iL2,iL=iL1+iL2。

因L1=L2,iL1、iL2在一个电源周期中的平均值相同

第3章DC/DC变换（直流变换）

目的：

将DC→可调DC。

主要类型：

直接、间接;硬开关、软开关。

3.1基本电路拓扑

非隔离型电路（直流斩波电路）/直接变换电路

1、降压（Buck）型电路

电感电流连续工作模式（CCM）

，

，由于

降压型电路的输出电压不可能高于其输入电压且与输入电压极性相同。

2、升压（Boost）型电路

电感电流连续工作模式（CCM）

，由于

升压型电路的输出电压不可能低于其输入电压且与输入电压极性相同。

应避免D接近于1，以免造成电路损坏。

L↑，

波动越小。

C↑，

波动越小。

零电压转换PWM电路（Boost-ZVTPWM）

升压型零电压转换PWM电路的原理图

升压型零电压转换PWM电路的理想化波形

t0-t1时段：

S断、S1通、VD通，uLr=Uo，iLr线性增长，iVD以同样的速率下降，直到t1时刻，iLr=IL，iVD下降到零，二极管自然关断；

t1-t2时段：

S断、S1通、VD断，此时Lr与Cr构成谐振回路，由于L很大，谐振过程中其电流基本不变，对谐振影响很小，可以忽略。

谐振过程中iLr增加而uCr下降，t2时刻uCr降到零，VDS导通，uCr被箝位于零，而iLr保持不变；

t2-t3时段：

uCr被箝位于零，而iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断；

t3-t4时段：

t3时刻S开通时，uS为零，零压开通因此没有开关损耗。

S开通的同时S1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，uLr下降，而iS线性上升，到t4时刻iLr=0，VD1关断，iS=IL，电路进入正常导通状态；

t4-t5时段：

t5时刻S关断，由于Cr的存在，S关断时的电压上升率受到限制，降低了S的关断损耗。

3、各种不同的非隔离型电路比较

Buck电路：

负载侧电压波动小，电源侧电流断续。

Boost电路：

负载侧电压波动大，电源侧电流连续。

Buck-Boost电路：

负载侧电压波动大，电源侧电流不连续。

Cuk电路：

负载侧电压波动小，电源侧电流连续。

与Cuk相比，Sepic、Zeta电路：

电路元件数量相同，反而Sepic输出电压、Zeta输入电流为脉冲状，只是输出极性改变。

隔离型电路/间接变换电路（正激型、反激型、半桥型、全桥型、推挽型）

1、正激型电路

开关处于断态的时间必须大于trst，保证开关开通前励磁电流下降到零，使变压器磁心可靠复位！

在输出滤波电感电流电流连续时，输出电压与输入电压比为：

2、反激型电路

在电流连续时，输出电压与输入电压比为：