现代电力电子技术学习笔记..

一、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-Magnetic Interference)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

二、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） 一、(传统)相控整流电路（调节α）

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：αμλcos = (基波电流因子I I

1=μ，α：触发角)

α↑——αcos ↓，μ↓（谐波增加）——λ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。

二、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。

Cr Lr R

C0

D4 T4 T3 D3 D2 T2 T1 D1 a b Ls us uN u0 is i0

U0 －U0 uN

t

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

E

VT1

VF1

＋

－

VT1

VF1

VT1

VF1

E

VF1

VT1

＋

－

*

*

(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- driven or control- 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

E

VF1

VT1

＋

－ * *

VF2 VT1 VF1 VF2

* *

*

VF1 VF2 SR 全波

VF 1 * * VF 2 SR 正激 * * VF1

VF2 SR 倍流 * *

VD1 VD2 us iD1 iD2 iL1 iL2 iL iL iC i0 u0 L1 L2 C R is