有关电力电子技术

真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。有关电力电子技术我们平时所说的电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。其中电力电子器件是指用半导体材料制成的功率电子器件，从1957年美国通用电气公司研制的第一个晶闸管以来，到现在以发展了不同类型的器件。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。由于GTR和MOSFET的优缺点是互补的（GTR具有开关容量大和导通压降低等优点，而MOSFET驱动电路的平均功率很小，工作频带宽、SOA大等优点），而绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）综合了以上两种器件的优点，所以在80年代后期， IGBT为代表的复合型器件快速发展起来。此后，20世纪90年代出现的集成门极换流晶闸管(IGCT)，结合了IGBT的高速开关特性和GTO的高阻断电压和低导通损耗特性与一体，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。随着集成技术的进步，功率模块逐渐向智能化方向发展，也即模块内部除主电路功率器件之外，还包含相应的各种接口电路、保护电路（包含电流、过电压、欠电压和过热等保护）和驱动电路，故称智能模块（IPM）。若进一步将控制电路也包含在内便称为功率集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。PWM是诸多斩波控制方式中的一种，它维持开关周期恒定并通过功率器件的占空比控制输出量的大少，最初应用于直流变换电路，而后将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路；通过改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节；用改变调制信号复制实现输出电压基波幅值的调节。由于PWM控制方式在DC/DC和DC/AC变换领域中所显示出来的优点，人们开始尝试将它推广应用到了整流电路和交流变换电路。在整流电路中采用PWM控制方式、功率器件改为IGBT等全控型器件，就可以解决用SCR构成并采用相位控制方式所产生的网策功率因数低、谐波含量高等有害于网间负载及电网质量的缺点。在交流变换电路中采用PWM控制方式，可以在不同程度上克服电网频率低、输出电压谐波含量高、控制时滞长和装置程度大等弱点。由此可见，PWM技术已成为所有电能变换电路均可应用的一种普遍技术。对器件所在电路进行改造以实现软开关技术称为软开关技术，它是当今电力电子技术的发展前沿之一。实现软开关的主要技术措施有：1）主要借助器件控制信号时序的合理安排以实现软开关，此类电路泛称控制型软开关电路；2）在电路中增设无源或有源缓冲电路以实现软开关，此类电路泛称缓冲型软开关电路；3）在直流测设置谐振电路，将直流电压改变成高占空比的高频脉冲列，后续电路器件的状态更迭若保持在直流输入电压的零压期中进行，电路便能实现软开关，此类电路泛称直流谐振型软开关电路。其中缓冲软开关电路的作用是改善器件的开关轨迹，以抑制EMI，减低开关中必须承受的电流和电压应力，从而降低开关损耗；控制型软PWM电路是指依藉控制方法以实现软PWM开关的电路，由于具有简单可靠的特点，得到各方面重视；直流谐振软PWM电路是指采用了直流谐振环的电路，它也是基于集中换流的思想，与SCR电路有一定的关联，但还未广泛应用。由此看出，高频化是软开关技术一种必然的发展方向，但应根据不同的应用领域，合理选择开关频率会减轻软开关技术所必须面对的压力。电力电子电路指由半导体电力电子器件组成的电路，按电路的作用可分为主电路和控制电路两部分，其中主电路又称功率电路，它依靠功率器件的开关性能和电路结构实现电能变换；控制电路是根据采用的控制策略和工具对控制信号进行必要的加工处理以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换和控制。我们常说的电能变化电路为：直流变换电路、交流变换电路、逆变电路和整流电路。凡将直流电能参数加以变换的电路泛称为直流变换电路。直流变换电路按输入输出电压可分为降压型电路（凡输出电压平均值低于其输入电压平均值的电路）、升压型电路和升/降压型电路。按是否带有隔离变压器可以分为隔离型电路和非隔离型电路。隔离型电路是指输入与输出间具有电隔离的直流交换电路，实现隔离最常用的方法是采用磁耦合，即带有输出变压器。隔离型电路种类很多，按输出变压器绕组极性课分为反激式和正激式电路；非隔离型电路常用的拓扑有：buck,boost,buck/boost,cuk,sepic,zeta。按工作范围可分为单象限、双象限和四象限电路。其中单象限电路中的单象限降压型电路在有关资料中也成Buck电路，如图1-1所示，单象限升压型电路在有关资料中也称Boost电路，与Buck电路 图1-1 单象限降压型主电路 图1-2 单象限升压型主电路在拓扑上是对偶的，如图1-2所示。以上单象限直流变换电路的特点是输出电压平均值U0随占空比D值而变，但不管D为何值，U0的极性始终为正，即电路运行于外特性的第一象限。这对于直流开关电源一类设备是能够满足要求的，但对直流调速系统和不间断电源系统等设备不能完全满足要求，因而发展了多象限直流变换电路。所谓电流双象限电路是指输出电流平均值I0的幅值和极性均随控制电压us而变，但输出电压平均值U0的极性却始终为正，即电路仅运行于第一和第二象限。当负载为直流电动机时，可构成具有再生制动能力的不可逆调速系统，如车牵引系统，当电路工作于第一象限时，电动机运行于正转电动状态；当减速或停车时，电路则转到第二象限，电动机运转处于正转制动状态，将电动机储能反馈回电源以节省电能。所谓电压双象限电路是电路输出电压平均值U0的幅值和极性均随控制信号us而变，但输出电压平均值I0的极性却始终为正，即电路可工作在第一象限和第四象限。但负载为直流电动机可构成适用于位负载的调速系统，如卷扬机提升机构的电力拖动系统便属于这一类。对于带反抗型负载的可逆直流调速系统，前述各种变换电路都无法满足，从而发展了能在四象限内运行的直流变换电路。直流变换电路可用于构成直流调速电源和开关电源等。PWM直流变换电路的应用能够客服传统相频电路的缺点，更适合于车辆电力传动和各种伺服系统；而对于开关电源，由于采用开关频率较高的斩控开关方式，直流变换电路克服了电源存在的效率低、体积大和可靠性差等缺点，成为广泛应用的新型开关式直流稳压电源（简称开关电源）。凡能将直流电能转换成交流电能的变换电路泛称逆变电路，在应用中构成静止式交流电源系统。逆变电路中以公共电网为负载的称为有缘逆变电路，反之，直接向用电负载供电的则称为无源逆变电路。逆变电路根据直流电源输出滤波器的形式不同可分为电压源和电流源两类，前者在直流端并联电容，抑制电压纹波，使直流电源近似为电压源，另一方面为来自交流侧的无功电流提供通路，后者在直流侧串联大电感以抑制电流纹波，使直流侧近似为电流源，同时为来自逆变侧无功电压分量提供支撑，维持电路电压平衡，保证无功功率传输。电压源单相全桥式电路如1-3所示，单相半桥式电路如1-4所示。由图可见，全桥电路是有两个半桥电路组成，后者虽然电路简单，但输出电压低，适用于小容量场合；前者 图1-3 单相全桥式电路 图1-4 单相半桥式电路输出电压提高一倍，适用于容量相对较高的场合。逆变电路根据控制方式不同，可分为方波电路和PWM电路（包含单极性电路和双极性电路）；根据输出相数不同，可分为单相电路和三相电路。由此，产生的比较典型的组合有单相方波逆变电路、单相SPWM逆变电路、三相方波逆变电路和三相SPWM逆变电路。其中双极PWM技术输出的电压波形取值仅为vi和-vi，而单极PWM技术输出的波形能瞬间取值为vi、-vi和0三个值之一。方波逆变电路具有输出电压不可调、输出电压谐波含量高和直流电压利用率低等特点；而SPWM逆变电路虽然具有输出电压可调和谐波含量低等优点，但也存在以下弱点：1）直流电压利用率低，2）功率器件开关损耗大，3）电路工作优化技术。将斩控技术与频控方式相结合产生的PWM逆变电路，因兼具调压变频功能，输出谐波含量又得以减小， PWM控制技术在逆变电路中得以广泛应用，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。利用全控型器件组成的逆变电路简称全控型逆变电路或直称IGBT逆变电路、IGCT逆变电路等。由于这类电路和半控型电路比较有功密高、性能好和噪音低等优点，因而在各个领域上取代了SCR和GTO电路，也是逆变电路的发展方向之一。逆变器的一些应用，如：交流调速传动（ADS）、不间断电源系统（UPS）、静态无功补偿、柔性交流数电系统（FACTS）。将一种交流电能转换成具有另种参数交流电能的过程称为交流变换，凡能实现这种变换的电路泛称交流变换电路（AC/AC变换电路）。根据变换参数不同，交流变换可分为电压变换和频率变换两大类，只改变电压幅值而不改变频率的变换电路为交流调压电路，既改变频率又调压的变换电路称为变频电路。变频电路又分为直接变频电路和间接变频电路：间接变频电路又称为含中间直流环节的变频电路，它先将工频电网交流电能经整流器变换为直流电能，再由逆变器转换为另一种频率的交流电能。这种电路由于结构简单，技术比较成熟，生产上已得到普遍应用，但由于功率变换级数多，造成了整机效率不高。直接变频指无直流中间环节的单极电路结构，其优缺点正与间接式电路互补，是现在变流技术的一个发展方向。根据能量能否在交流电源和负载之间双向流动，交流变换电路可分为双向交流变换电路和单相交流变换电路。由半空型器件构成的直接变频电路容量大，可用于同步电动机和异步电动机的电力传动系统（作为VVVF电源）；对于容量较小的恒压恒频电源（CVCF电源），传统的PWM逆变电路已难以满足要求，为此发展了无工频输出变压器的高频链电源结构，但此结构还存在功率变换级数太多和功率单相传输等弱点。为了解决上述问题，就可以采用具有双向功率传递能力的直接变频电路，且是由有IGBT等全控型器件组成的电路。AC-AC变换器主要包括交流电压控制器和周波变流器，其中交流电压控制器主要应用于灯光调节中有效电压或有效电流的控制、家庭或工业加热控制、风机速度控制、异步电动机的软启动和静态无功补偿的电容器开关等；周波变流器应用于对于恒频输入的大功率低速可逆电动机的传动和像变速恒频系统，对于输入频率可变的恒频电源等。凡能直接将交流电能变换成直流电能的电路泛称为整流电路。在所有电能基本转换中，整流是最早出现的一种。按照电路器件开关频率的高低，整流电路可分为高频电路和低频电路两大类。对于整流电路，相控式电路属于低频电路，它是所有半导体变流电路中历史最长、技术最成熟且应用最广泛的一种电路；PWM整流电路属于高频电路，它是采用PWM控制方式和全控型器件组成的电路，在不同程度上解决传统低频整流电路存在的问题，得到国内外的重视，是一种新型电路。随着微机及数字信号处理器（DSP）性能的提高、SVPWM技术的日渐成熟，也由于其主电路拓扑结构与逆变电路十分相似（因此逆变电路获得成功的经验和技术都可以顺利地移植到PWM整流电路），PWM整流电路终将成为整流电路的主流。对于中、大功率整流电路均采用单相或三相桥式电路结构，对于小功率整流电路多采用单相不控整流加一级直流变换电路以实现网侧功率因数校正。比较典型的整流电路有：低压大电流高频整流电路、电压型单相单管PWM整流电路、电压型单相桥式PWM整流电路和电压型三相桥式PWM整流电路。整流电路在应用中构成直流电源装置，由于交流电能大多数来自公共电网，因而是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响电网的运行和电能质量。整流器主要有二极管整流器、单相可控整流器和三相可控整流器三大类。6 / 6