功率变换课程综述

Hefei University 课程综述

课程题目：功率变换技术

专业: 自动化卓越班授课老师：李秀娟

摘要

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。

关键字：电能变换控制

一、功率变换课程主要内容及心得小结

第一章绪论

绪论部分主要介绍了什么是电力电子技术以及电力电子技术的发展史和电力电子技术的应用。

第二章电力电子器件

本章对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述。分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。包括电力电子器件的概念和特征、应用电力电子器件的系统组成、电力电子器件的分类；PN结与电力二极管的工作原理、电力二极管的基本特性、电力二极管的主要参数、电力二极管的主要类型；晶闸管的结构与工作原理、基本特性、主要参数、派生器件；门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

小结：重点是掌握晶闸管（SCR）的工作原理、导通与关断条件、额定参数的选择等，电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子器件的工作原理、特性、电气参数以及它们的驱动与保护电路。

第三章整流电路

本章主要介绍了单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路；三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路；谐波和无功功率分析基础、带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析、电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析、整流输出电压和电流的谐波分析。还有有源逆变电路部分逆变的概念、三相桥整流电路的有源逆变工作状态、逆变失败与最小逆变角的限制。

小结：了解大功率可控整流电路的接线形式及特点，熟悉双反星形可控整流电路的工作情况，建立整流电路多重化的概念。可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件、三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制等。用于晶闸管的触发电路。重点熟悉锯齿波移相的触发电路的原理，了解集成触发芯片及其组成的三相桥式全控整流电路的触发电路，建立同步的概念，掌握同步电压信号的选取方法。

第四章逆变电路

本章主要介绍了逆变电路的基本作原理以及换流方式分类；单相电压型逆变电路、三相电压型逆变电路；单相电流型逆变电路、三相电流型逆变电路；多重逆变电路、多电平逆变电路。

小结：重点掌握逆变电路分类方法，可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。

第五章 DC-DC变换器

本章主要介绍了降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路和Cuk斩波电路的工作原理、波形分析、参数计算方法；电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路、多相多重斩波电路工作原理、波形分析、参数计算方法。

小结：直流-直流变流电路包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的需要我们熟练是降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理、波形分析、参数计算方法。

第六章 AC-AC变换器

本章主要介绍了单相交流调压电路、三相交流调压电路；交流调功电路、交流电力电子开关；单相交交变频电路、三相交交变频电路等的工作原理、波形分析、参数计算方法和电路的优缺点以及改进的方法。

小结：本章的要点如下交流—交流变流电路的分类及其基本概念。单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性。三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理。交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念。晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性。各种交流—交流变流电路的主要应用。矩阵式交交变频电路的基本概念。

第七章功率变换的应用

本章主要介绍了PWM控制技术的应用，内容包括：PWM控制的基本原理、PWM 逆变电路及其控制方法、PWM跟踪控制技术、PWM整流电路及其控制方法。详细介绍了计算法和调制法、异步调制和同步调制、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、空间矢量SVPWM控制、PWM逆变电路的多重化。

小结：PWM控制技术与相位控制技术：以第3章相控整流电路和第6章交流调压电路为代表的相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要地位。以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位。相位控制和斩波控制分别简称相控和斩控。把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。

二、电力电子技术应用与发展

1、电力电子技术的主要应用

电力电子技术应用在国民经济的各个领域，如一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业；交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海；电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿；电子装置电源：为信息电子装置提供动力；家用电器：“节能灯”、变频空调；其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置。

在使用中主要有如下作用：

(1) 优化电能使用：通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。

(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业：据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。2、电力电子技术的发展

第一代电力电子器件

进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，它们是普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。

第二代电力电子器件

随着电力电子技术理论研究和制造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，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出大功率双极型晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。

第三代电力电子器件

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表，开始向大容量高频率、响应快、低损耗方向发展。

现代电力电子时代

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。电力电子器件正朝着标准模块化、智能化、功率集成的方向发展。在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。

参考文献

《电力电子技术》张兴、杜少武等编科学技术出版社

《电力电子技术》（第四版）王兆安黄俊主编机械工业出版社