电力电子技术
2022-10-22 09:05:08 13 举报AI智能生成
电力电子技术
作者其他创作
大纲/内容
第一章
电子技术
电力电子技术；使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术
信息电子技术
模拟电子技术
数字电子技术
电力变换
AC-DC
DC-AC
AC-AC
DC-DC
第二章
电力电子器件
定义：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件
特征：
处理电功率的大小远大于处理信息的电子器件
一般工作在开关状态（模拟电路中处于线性放大状态）
实际中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，需要驱动电路
自身功率损耗通常远大于信息电子器件
通态损耗（主要成因）
断态损耗
开关损耗（开关频繁时主要成因）
系统组成
主电路
控制电路
电力电子器件为核心
驱动电路
粗略说
主电路
控制电路
分类
控制的程度
半控型（只能控制导通不能控制关断）
晶闸管及其派生器件
全控型（控制导通和关断）
电力场效应晶体管 电力MOSFET
信号性质
电流驱动型
电压驱动型
绝缘栅双极晶体管 IGBT
器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况
单极型器件
电力MOSFET
双极型器件
复合型器件
电力二极管
二极管的基本原理
PN结的单向导电性
额定电流
允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值
分类
普通二极管
快恢复二极管
肖特基二极管
晶闸管
外形上
阳极A阴极K门极G
基本特性
静态特性
当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，都不会导通
当晶闸管承受正向电压时，门极有触发电流的情况下才导通
使其关断，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
一旦导通，门极失去控制作用，无论门极触发电流是否存在，都保持导通
第一象限反应正向特性，第三象限反应反向特性。 门极电流幅值增大，正向转折电压降低
动态特性
开通和关断过程都需要时间
主要参数
电压定额
断态重复峰值电压UDRM
门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压
电流定额
通态平均电流IT(AV)
晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值
全控型器件
门极可关断晶闸管GTO
和普通晶闸管一样，是PNPN四层半3导体结构，外部也引出阳极阴极和门极
双极型电流驱动器件
电力晶体管GTR
双极结型晶体管BJT（耐高电压，大电流）
耐压高，电流大，开关性能好
二次击穿现象与安全工作区
双极性电流驱动器件
电力场效应晶体管 电力MOSFET
用栅极电压控制漏极电流
驱动电路简单，驱动功率小
开关速度快，工作频率高
热稳定性优于GTR，但耐压低
单极性晶体管
电压控制型器件
电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，这一点对器件并联时的均有利
绝缘栅双极晶体管IGBT
复合器件综合了GTR，MOSFET的优点
基本特性
有源区
饱和区
正向阻断区
特性
开关速度高，开关损耗小
与电力MOSFET和GTR 相比，耐压和通流能力进一步提高
其他新型电力电子器件
集成门极换流晶闸管IGCT
基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
半导体禁带宽度比金属的宽
耐高压的能力高
通态电阻低
导热性能好
热稳定性
耐高温辐射能力强
功率集成电路
将电力电子器件与逻辑，控制，保护，传感，检测，自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上
可以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性（频率较高的电路中，简化对保护和缓冲电路的要求）
第三章
整流电路
交流变直流
第四章
逆变电路
直流电变成交流电
有源逆变（交流测接有电源）
无源逆变（交流测直接与负载相连）
换流方式（电流从一个支路向另一个支路转移）
器件换流
全控型器件自关断能力
电网换流
电网提供换流电压
负载换流
负载提供换流电压
电容换流
强迫换流通过附加电容所储存的能量实现
直流侧电源
电压源--电压型逆变电路
特点
直流侧是电压源/并联有大电容（电压源）。直流侧电压基本无脉动，直流回路低阻抗
直流电压源的钳位作用，交流测输出电压波形矩形波，与负载阻抗角无关；输出电流波形和相位受阻抗的影响。
交流测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
单向电压型逆变电路
半桥逆变电路
全桥逆变电路
带中心抽头变压器的逆变电路
三相电压型逆变电路
三相电压型桥式逆变电路
基本工作方式是180°导电方式，同一相上下两个臂交替导电，各相开始的导电角度相差120°一瞬间有三个桥臂同时导通，纵向换流（同一相上下两个桥臂间运行）
电流源--电流型逆变电路
特点
直流侧串联大电感（相当于电流源）。直流侧电流基本无脉动，直流回路高阻抗。
电路中的开关器件仅改变直流电流的流通路径，交流测输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关；输出电压波形和相位受负载阻抗影响
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，不需要像电压型一样给开关器件反并联二极管
第五章
直流——直流变流电路
将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电
直接直流变流电路--斩波电路
间接直流变流电路
基本斩波电路
降压斩波电路（buck变换器）
调导通时间--脉冲宽度调制
调周期--频率调制
两者都有，占空比改变--混合型
输出电压Uo
Ton/T*E
输出电流
Uo-Em/R
升压斩波电路（boost变换器）
输出电压Uo
T/TOFF*E
输出电流Io
Uo/R
桥式可逆斩波电路
V2保持通态时
V3,VD3降压斩波电路
V4,VD4升压斩波电路
第六章
交流——交流变流电路
交流电力控制电路（不改变频率）
变频电路（改变频率）
交流调压电路
交流电力控制电路（通过晶闸管控制交流输出）
交流调压电路（晶闸管开通相位的控制--调节输出电压的有效值）
交流调功电路（以交流电周期为单位控制晶闸管的关断，改变通态断态周期数的比）
交流电力电子开关（根据需要接通或开断电路）
单相交流调压电路
电阻负载
电压电流有效值
0--π
阻感负载
ψ--π
交--交变频电路
怎么工作的
输出上限频率20hz
矩阵式变频电路
优点是输出电压可控制为正弦波
频率不受电网频率的限制
输入电流可控制为正弦波且和电压同相
功率因数为1，也可控制为需要的功率因数
能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行
不通过中间直流环节直接实现变频，效率高
第七章
PWM控制
面积等效原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量及窄脉冲的面积
SPWM波形
脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形
调制法
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所期望的pwm波形
规则采样法
pwm逆变电路的谐波分析
提高直流电压利用率和减少开关次数
梯形波作为调制信号
空间矢量pwm控制技术（SVPWM)
8种工作状态
上臂导通1
下比导通0
零工作状态111，000
6拍逆变器
pwm跟踪控制方式
滞环比较方式
pwm整流电路
通过对pwm整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1
第八章
软开关技术
开关损耗和开关噪声减小，开关频率增加
硬开关与软开关
第九章
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节
光隔离
磁隔离
典型的直接耦合式GTO驱动电路
过电压
外因
操作过电压
雷击过电压
内因
换向过电压
关断过电压
过电流保护
快速熔断器（快熔）
全保护
短路保护
缓冲电路（吸收电路）
关断缓冲电路du/dt抑制电路
开通缓冲电路di/dt抑制电路
晶闸管的串联均压
晶闸管的并联均流
电力MOSFET,IGBT的并联
电力MOSFET的通态电阻Ron具有正的温度系数
原因是IGBT的通态压降一般再1/2~1/3额定电流以下的区段具有负的温度系数
第十章
直流可逆电力拖动系统
交-直-交变频器
图10-10
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
直接转矩控制
开关电源
功率因数校正技术
子主题
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