电力电子技术综述

电力电子技术综述

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电力电子课程综述报告

摘要

电力电子技术包括功率半导体器件与Ic技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，

也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(ge)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了gTR、gTo、功率moseT等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IgpT、mcT、hVIc等就是这种发展的产物。

关键词：电力电子器件；全控；半控；整流；逆变；触发角

一电力电子器件的分类

1.1半控型器件

晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高。

1.2全控型器件

还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中gTo、gTR

为电流驱动型器件，IgbT、电力mosFeT为电压驱动型器件。

1.3不可控型器件

电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠。

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IgbT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力mosFeT,电压，电流容量不及gTogTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题gTo优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力mosFeT优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。

二Dc-Dc变换

开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。s合上时，uouT=uR=uIn，并持t1时间。当开关切断时uouT＝uR＝0，并持续莎2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，

t1，为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从零变到uIn，其等效电阻也随着D而变化。

图一降压斩波电路原理

开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制Ic和mosFeT构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

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2.1降压式（buck）Dc／Dc变换器

如图1所示的直流变换器在使用时的输出纹波较大，为降低输出纹波，可在输出端接入电感L、电容c，如图2所示。图中的VD1为续流二极管。降压（buck）式变换器的输出电压平均值uouT总是小于输入电压uIn。电路中通过电感的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容c的数值。

当电路工作频率较高时，若电感和电容量足够大并为理想元件，则电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管VT1导通时，

电感中的电流呈线性上升，因而有

式中，ton为晶体管导通时间；iouT（max）为输出电流的最大值；iouT（min）为输出电流的最小值；Δion为晶体管导通时间内的输出电流变量。当晶体管截止时，电感中的电流不能突变，电感上的感应电动势使二极管导通，这时

式中，toff为晶体管截止时间；Δioff为晶体管截止时间内的输出电流变量。

在稳态时

因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量，故输出电流平均值为

式中，R为负载电阻。

2.2升压式（boost）Dc／Dc变换器

升压式Dc／Dc变换器由功率晶体管VT1、储能电感L、二极管VD1及滤波电容c组成。当功率晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，

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感应电动势为左正右负，负载Z由电容c供电。当VT1截止时，

电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感释放能量，与输人电压一起顺极性经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样就把低压直流变换成了高压直流。在电感电流连续的条件下，电路工作于两种状态。

三Dc-Ac

逆变电路的工作原理

3.1主要功能:

将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。

3.2工作原理：

图二

ud为输入直流电压，R为逆变器的输出负载。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压uo=ud；当开关T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压uo=－ud;当以频率fs交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则电阻R交变电压波形，其周期Ts=1/fs，这样，就将直流电压e变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可过滤波器滤波获得。图4.2.1(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（gTo）、

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功率晶体管（gTR）、功率场效应晶体管（mosFeT）、绝缘栅晶体管（IgbT）。