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f 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(Elec troMagne tic Int erference)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f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U00.7V。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。眾go 轨O0QPN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。Qg0 00:0 0o o oF型区空间电荷区 N型区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a ）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：九二卩cos a （基波电流因子卩二+，a :触发角）a f cos a I,卩1（谐波增加）九降低。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010ms（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f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usT1uNis Ls玄 D1T2iOD2u0LrCOD3D4-I- Cr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u0三U0。（1）i00,us0（电源电压正半周），D1、D4 导通，uN二+U0； i00,us0,D1、T2 或 T3、D4 导通；is0,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）i00,us0,T1、T4 导通,uN=+U0; i00,T2、T3 导通,uN二一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、同步整流原理濂极25阳极0A5电路哥形符号RrO 772 T:,驱动信号也是高电平 詆电平，则MOS管关断;门极驱动信号和源极电压同步，如源极为高电平时 则MOS管导通；反之，源极为低电平时，驱动信号也是 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(2) SR-Flyback 反激VT1VF1(1) SR-Buck(3) SR-Forward 正激VT1VF1VF24、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。*SR倍流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is*iD1usL1iLliLi0CRiLiD2立VD2L2 iL2图中,L1=L2。当us0: is-Ll-负载一VD2构成回路（电源供能,LI储能）。 同时,L2经负载一VD2构成回路释能，有is= iL1,iL=iL1+iL2o当usvO: is-L2-负载一VD1构成回路（电源供能,L2储能）。同时丄1经负 载一VD1构成回路释能，有is=iL2,iL= iL 1+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）rU. VDzLK匚二1LVDzC二二S r2、升压（Boost）型电路 电感电流连续工作模式（CCM）LLVDSs0u0 D 1升压压不可能低于其输入电压且070u0LtUoUi相同。应避免D接近于1,以免造成电路损坏C 二 R、匕:I1 - Di波动越L小。C t,X V V V LTTVTVD/sz r r+lL零电压转换PWM电路(Boost-ZVT PWM)升压型零电压转换PWM电路的原理图S1升压型零电压转换PWM电路的理想化波1 通、VD 通，uLr二Uo, iLr 线性增 长,，iVD 下降到零，二极管自然关断；QS让r=IL， iVSt0-11降，直到t t1-12时段0 -S1Q 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厂对谐振影响很小，可以忽略。谐振过程中fiLr增加而 uCr下降，t2时刻uCr降至到零,VDS导通，uCr被箝位于零，而iLr保持不变； t2-13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； t3-14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；t4-15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电路特点电压比开关和二a管承 受最高电压应用降乐型只能降压不能升 压，输出与输入 同极性，输入电 流脉动大，输出 电流脉动小，结 构简单uMS=ui UMD=Ui各种降压型 开关稳压电 路升乐型只能升压不能降 压，输出与输入 同极性，输入电 流脉动小，输出 电流脉动大，不_ 1U. 1-DUms=UoUnid=Uo升压型开关 稳压器、升 压舉功率因 数校正电路升降乐舉能降压能升压， 输出与擁入极性 相反，输入输出 电流脉动大，不 能空载工作，结 构简单匕一 DS1-DuMS=ui+u0反相型开关 稳压器Cuk型Buck电路：负载 Boost电路：负亍能降压能升压， 输出与输入极性 相反，输入输出 遏埶小, 载侧电压波动大6 D 电源侧电流断纟 ，电源侧电流连Ums=UciUMD=UC1g。续。对输入输出 纹波要求较 高的反相型 开关稳压器3uck-Boost 电路： 负载侧电压波动大，电源侧电流不连续。U 二 E Cuk电路：负载侧电压波动小，电源侧电流连续。01-D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）+ U -rstN=3 tN on1保证开关开通前励磁电流下降到零，使变t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:UN tN 八UN T Ni112、反激型电路0u0UNND&i020on时，输出电压与输入电压比为:N 1 D1