《电力电子技术 》第5版 王兆安
笔记
第1章 绪 论 1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。 2 电力变换的种类 （1）交流变直流AC-DC：整流 （2）直流变交流DC-AC：逆变 （3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现 （4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制 3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章 电力电子器件 1 电力电子器件与主电路的关系 （1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。 （2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。 2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。 3 电力电子系统基本组成与工作原理 （1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。 （2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。 （3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。 （4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。 4 电力电子器件的分类 根据控制信号所控制的程度分类 （1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如SCR晶闸管。 （2） 全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。 （3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。 根据驱动信号的性质分类 （1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTR。 （2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如MOSFET、IGBT。 根据器件内部载流子参与导电的情况分类 （1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如MOSFET。 （2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。 （3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如IGBT。 5 半控型器件—晶闸管SCR 将器件N1、P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成V1-PNP和V2-NPN两个晶体管。 晶闸管的导通工作原理 （1）当AK间加正向电压AE，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。 （2）当GK间加正向电压GE，NPN晶体管基极存在驱动电流GI，NPN晶体管导通，产生集电极电流2cI。 （3）集电极电流2cI构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流1cI。 （4）1cI与GI构成NPN的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样NPN和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。 2.3.1.4.3 晶闸管是半控型器件的原因 （1）晶闸管导通后撤掉外部门极电流GI，但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集电极电流1cI供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。 （2）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其关断。 2.3.1.4.4 晶闸管的关断工作原理 满足下面条件，晶闸管才能关断： （1）去掉AK间正向电压； （2）AK间加反向电压； （3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。 2.3.2.1.1 晶闸管正常工作时的静态特性 （1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。 （4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 2.4.1.1 GTO的结构 （1）GTO与普通晶闸管的相同点：是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 （2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。 2.4.1.2 GTO的静态特性1）当GTO承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （2）当GTO承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。 （3）GTO导通后，若门极施加反向驱动电流，则GTO关断，也即可以通过门极电流控制GTO导通和关断。 （4）通过AK间施加反向电压同样可以保证GTO关断。 2.4.3 电力场效应晶体管MOSFET （1）电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。 （3）当GSU大于某一电压值TU时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。 2.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT （1）GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 （2）电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。 （3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。 （4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者的优点，具有良好的特性。 （1）IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。 （2）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。
第3章 整流电路 （整流是将交流电能转化成直流电能供给直流用电设备） 整流电路的分类：1按组成的器件分为不可控、半控和全控三种。2按电路结构分为桥式电路和零式电路。3按交流输入相数分为单相电路和多相电路。4按变压器二次电流的方向是单向还是双向分为单拍电路和双拍电路。整流电路可以分为相位控制整流电路和斩波控制整流电路单相可控整流电路——单相半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路以及单相桥式半控整流电路三相可控整流电路——三相半波可控整流电路、三相桥式可控整流电路变压器漏感对整流电路的影响电容滤波的不可控整流电路（单相，三相）整流电路的谐波和功率因素大功率可控整流电路 双反星型和多重化整流——多重化技术的作用1提高输电电压和电流的幅值2减少输出电压和电流的谐波3提高电路的等效开关频率4提高系统的可靠性整流电路的有源逆变工作状态逆变：把直流电转化为交流电 有源逆变和无源逆变有源逆变产生的条件2条：1要有直流电动势，其极性应与晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。2要求晶闸管的控制角a>pai/2，使Ud为负值。两者必须同时具备才能实现有源逆变。逆变失败的原因4点：1触发电路工作不可靠，不能适时准确的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，使交流电源电压和直流电动势顺向串联形成短路。 2晶闸管发生故障，在应该阻断期间器件失去阻断能力，在应该导通时器件不能导通造成逆变失败。 3在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失，由于直流电动势的存在，晶闸管仍可导通，此时变流器的交流侧由于失去了同直流电动势极性相反的交流电压，因此直流电动势将通过晶闸管使电路短路。 4换相的裕量角不足，引起换相失败，应考虑变压器漏抗引起的重叠角对逆变电路换相的影响。
第四章逆变电路 （直流电变为交流电称为逆变） 逆变电路工作原理 有源逆变（交流侧接有电源时）与无源逆变（交流侧直接和负载连接时） 逆变电路换流方式——器件换流 、电网换流、负载换流和强迫换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流为器件换流（IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR）；由电网提供换流电压称为电网换流；由容性负载提供换流电压为负载换流；设置附加的换流电路，给与关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式为强迫换流。电压型逆变电路——直流侧是电压源Voltage Source Inverter 电压源型逆变电路电压型逆变电路的特点：1.直流侧是电压源或并联有大电容相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 2.由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆变器桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路——直流侧是电流源 Current Source Inverter电流源型逆变电路电流型逆变电路的特点：1、直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2、电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形与相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3、当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必享电压型逆变电路一样给开关器件反并联二极管。
第五章直流-直流变流电路（DC-DC converter）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接和间接直流变流电路直接直流变流电路（斩波电路DC chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电间接直流变流电路在直流变流电路中加入交流环节，在交流环节中采用变压器实现输入与输出的隔离称为带隔离的直流直流变流电路或称直交直电路直流斩波电路的种类6种——降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路。降压斩波电路Buck Converter斩波电路的三种控制方式——1保持开关周期不变，调节开关导通时间称为脉冲宽度调制。2保持开关导通时间不变，改变开关周期称为频率调制或调频型。3开关周期与开关导通时间都可调，使占空比改变称为混合型升压斩波电路 Boost Converter升降压斩波电路 Buck-Boost ConverterCuk斩波电路 Cuk Converter优点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Sepic斩波电路 Sepic Converter 电源电流连续负载电流断续，有利于输入滤波Zeta斩波电路 Zeta Converter 电源电流断续而负载电流连续带隔离的直流直流变流电路——直流-（逆变电路）-交流-（变压器）-交流-（整流电路）-脉动直流-（滤波器）-直流采用带隔离的直流直流变流电路的原因：4点 1.输入端与输出端需要隔离 2.某些应用中需要相互隔离的多路输出3输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1 4交流环节采用较高的工作频率，可以减少变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。正激正激电路和反激电路 半桥与全桥电路 全波整流与全桥整流
第六章交流-交流变流电路（一种形式的交流变为另一种形式的交流）交流调压电路交流调功电路交流电力电子开关交交变频电路第七章PWM控制技术PWM控制的基本原理——在采样控制理论中，冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果（环节的输出响应波形）基本相同，这就是面积等效原理（重要理论基础）什么是SPWM？Sinusoidal PWM正弦脉宽调制，脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波形。SPWM法就是以面积等效原理为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。计算法与调制法——按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形，称之为计算法； 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到pwm波形称之为调制法。调制信号波为正弦波时得到的是SPWM波形。单极性PWM控制方式和双极性控制方式——单项桥式PWM逆变电路特定谐波消去法——在PWM控制电路中，载波频率f与调制信号频率f之比为载波比N。PWM的调制有哪些？PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式。通常保持载波频率固定不变，当信号波频率变化时，载波比是变化的。 同步调制：载波比等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式。分段同步调制，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率高频段使用较低载波比，使载波频率不致太高限制在功率开关器件允许的范围内。在输出频率低频段用较高的载波比使载波频率不致过低对负载产生不利影响。自然采样法和规则采样法两相控制方式优点：1、在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可使功率器件的开关损耗减少1/3 2、最大输出电压基波幅值Ud，和相电压控制相比直流电压利用率提高15%3、输出线电压中不含低次谐波 4、控制方式相对复杂。PWM跟踪控制技术——跟踪控制法常用的有滞环比较方式和三角波比较方式PWM整流电路的控制方法：间接电流控制、直接电流控制（引入交流电流反馈）
第八章软开关技术硬开关与硬开关电路（开关过程为硬开关的电路）软开关电路——在硬开关电路中加入小电感小电容，通过在开关过程前引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，就可以消除开关过程中电压电流的重叠，降低电压电流的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗。同时谐波过程限制了开关过程中电压电流的变化率，使得开关噪声也显著减小，这样的电路就是软开关电路，这样的开关过程就是软开关。 软开关电路的开通过程和关断过程——软开关包括软开通和软关断，软开通过程中在开关开通前电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开关开通时不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通。软关断过程在开关关断前电流先下降到零后，电压再缓慢上升到通态值，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。 软开关电路的分类——根据软开关技术发展历程分为准谐振电路、零开关pwm电路、零转换PWM电路。根据电路中主要的开关器件是零电压开通还是零电流关断分为零电压电路和零电流电路。典型的软开关电路——零电压开关准谐振电路、谐振直流环（适用于变频器的一种软开关）、移相全桥型零电压开关PWM电路、零电压转换PWM电路
第九章电力电子器件应用的共性问题电力电子器件的驱动电路——驱动电路的基本作用（隔离/转换）1转换:将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以可以使其开通和关断的信号；2隔离：驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离。电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型晶闸管触发电路的四个要求1触发脉冲宽度应保证晶闸管可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器采用宽脉冲和脉冲列触发，双星型带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30度，三相全控桥电路宽于60度或采用相隔60度的双窄脉冲触发。2触发脉冲有足够的幅度。3触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。4有良好的抗干扰性。温度稳定性及与主电路的电气隔离。电力电子器件的保护——过电压保护、过电流保护过电压的产生——外因过电压（雷击过电压、操作过电压）与内因过电压（电力电子装置内部器件的开关过程分为换向过电压和关断过电压）过电流分为过载和短路过电压保护——过电压保护措施 （1）阻容保护（2）整流式阻容保护（3）非线性元件保护过电流保护——措施：快速熔断器、直流快速断路器、过电流继电器MOSFET的栅极保护、du/dt保护、di/dt保护缓冲电路（吸收电路）抑制电力电子器件内因过电压或过电流，减少器件开关损耗。关断缓冲电路用于吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制du/dt减少关断损耗。开通缓冲电路用来抑制器件开通时的电流过冲与di/dt，减少器件的开通损耗。电力电子器件的串联并联第十章电力电子技术的应用 晶闸管直流电动机系统：工作在整流状态时，工作于有源逆变状态时变频器和交流调速系统——交直交变频器 、 交流电动机变频调速的控制方式、不间断电源（UPS）、开关电源交流电动机变频调速的控制方式——恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。电力电子技术在电力系统中的应用——高压直流输电、无功功率控制、电力系统的谐波抑制、电能质量控制、柔性交流输电与定制电力技术。