现代电力电子技术基础1

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5 软开关与硬开关 提高变换器工作频率可以减小变换器体 积，但增加工作频率会大大增加变换器损 耗，降低变换器效率，为了同时提高变换 器效率和减小变换器体积，软开关技术应 运而生。 所谓软开关技术，是指电力电子器件导通 或关断时损耗为零的技术，与此相应若导 通或关断时损耗不为零则为硬开关。
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Vo
i
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
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可以看出，随着电流增加输出电压线性下 降，当输出电流为 12mA时，所设计的电源 输出电压为零。也就是说，这个电源对负 载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大 而下降，也就是说输出电压对负载变化应 该具有100%的调节性能，从电路角度看， 即电源等效内阻为零。
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从效率方面看 V = 104mW R + R 这个电路当输出电流为零时，电路损 ， 这些能量通过电阻转化为热。当输出电流为 5mA 时，此时输出电压 1.925V 输出功率 P = V I = 9.6mW 。 电压跟随器电路 显然其输出电压较分压器稳定的多，电路中除了 电阻损耗外，另附加了晶体管损耗：
C
12V
R2
(a) Vo
(b)
(c)
RS =
�
R1R2 = 0.275 K Ω R1 + R2
�
等效电路如图（ b ）所示，输出特性显 然这个电源在没有电流输出时，其输 3.3V 出电压为 3.3V ；有电流输出时，其输 出电压为 VO = 3.3 − 275 IO o IO为输出电流或负载电流。
B
§1.1 简单的变换器
D
�
如果您需要从 12V 获得一个直流电源 3.3V ，可能想到采用分压器实现，如 R2 3.3 图1-1a 所示。 =
R1 + R2
12
Rs Io R1 Vs
Io Vo +R2 RL
�
若R=1K ，可以算出 R2=0.379K ，运用电 工学中所学的知识，可得到所设计的 电源等效内阻为：
�
§1.4 变换器组成
1、电阻 � 电阻是唯一的能量损耗器件，电阻作为单独的一个器件，在 变换器功率电路中是不存在的，但存在于负载和寄生参数 中，例如，电源的等效电阻，电感、变压器和电机中的线圈 电阻，导线电阻，电容的等效电阻等。电阻的大小与流过电 阻电流的频率无关，但是，导体中的线电阻与频率有关，随 着流过电阻的电流频率增大，线电阻增大。这是由于电流流 过导线时，导线周围产生磁场，磁场强度H与距离的平方成 反比，因此在导线中心磁场强度最大，因此导线中心的感抗 比靠近导线表面的区域大，电流流动趋向电抗小的区域，因 此电流向导体表面集中，这就相当于增了导线的电阻率，这 种现象称之为趋肤效应（skin effect），趋肤深度与频率的平 方根成反比。解决趋肤效应的办法就是增加导体的表面积， 即用一束细直径导体代替大直径导体，这一束细导体称为多 线头导体。
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电力电子技术与信息电子技术的主要 不同就是效率问题，对于信息处理电 路来说，效率大于15%就可以接受，而 对于电力电子技术而言，大功率装置 效率低于85%还是无法忍受。目前能源 问题已是我国面临的主要问题之一， 提高电源变换效率是电力电子工程师 主要任务。
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随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电 力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密 度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变 换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和 提高装置工作性能的作用。 功率半导体器件是现代电力电子技术（ Modern Power Electronics ）的基础，它的应用范围非常广 阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦 的高压直流输电（High Voltage DC Transmission ） 系统。
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2 AC-DC变换器 ——整流器
将单相或多相交流电源变换成一个直流电源称之 为整流，这种装置成为整流器（ Rectifier）。
D
L
+ vo(t) -
(a)
V s s i n ω ct Vssinwct
C
+ Vo 0
vo(t) Vs Vo
T/2 T
t
on off
(b)
Vssinwct Vs sin ωc t
n:1
�
2
+ -
Vs
DC-AC
AC-DC
+
Vo
-
图1-6 具有隔离变压器的dc-dc变换器
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4 AC-AC变换器
将一个交流电源（单相或多相）变换成另一个交 流电源（单相或多相，同频率或不同频率）称之 为AC-AC变换。 输出频率低于输入电压频率的 AC-AC变换器称之为 周波变换器（Cyclo-convweter），其输出频率一 般是输入电源频率的几分之一。 电源频率和输出频率相同的AC-AC 电源频率和输出频率相同的AC-AC变换器称之为交 变换器称之为交 流控制器。 另一种AC-AC变换器由ac-dc变换器和dc-ac变换器 串联而成，从而得到希望的输出电压幅度、频率 和相数。这样的AC-AC变换器称之为DC-Link acac变换器，这种变换器输出频率与输入电源频率 无关。
L
+ vo(t) -
vo(t)
C
+ Vo -
Vs
0 turn-on
Vo
T
t
turn-off
图1-5 两种整流电路
2
3
4
�
�
�
基本电路如图1-5（a）(b)所示。图1-5（a）中交流电源通 过二极管整流，二极管阳极承受正电压时导通，承受负电压 时截止，因此称二极管为不受控或极性控制开关。二极管后 的波形包含交流成分和直流成分，交流成分称之为纹波，因 此在二极管之后需要滤波电路。 图1-5（b）中用开关取代了二极管，其主要特点是可以在输 入交流波形的任何时刻进行开关，而不是和二极管那样阳极 正电压时导通负电压时截止。因此可以控制输出电压的交流 分量和直流分量，滤波电路仍然需要。 AC-DC变换器应用范围很广，典型如电池充电，直流电机驱 动，高压直流输电，风力发电等。不控整流和受控整流在第 4章介绍。
�
�
�
�
V sin(ω t) Vssinwct
s c
on off
load
vo(t) Vs
0
+ Vo(t) DC-Link
t
T
V sin(ω t) Vssinwct
s c
AC-DC
C
DC-AC
Vosinwot V sin(ω t)
o o
图1-7 基本的 AC-AC变换和DC-Link AC-AC变换
B
on Vs off
(a) vo Vs
Vo
L C
+ Vo -
t
(b)
图1-2 PWM原理
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§1.2理想开关和实际开关
一般认为满足如下条件就是理想开关： � 开关处于关断状态时能够承受高的端电 压，并且漏电流为零； � 开关处于导通状态时能够流过大电流，并 且此时端电压（导通电压）为零； � 导通、关断切换时所需的开关时间为零； � 即使反复地开关也不老化。 � 小信号也能导通、关断，对信号延迟时间 为零。
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需要指出的是，采用理想开关并不是可以 解决一切问题，如果出现了理想开关，也 是只解决了损耗问题，与此同时会面临新 的问题： 如由于理想开关在零时间内完成开通和关 断，即零时间强制切换大电流， di/dt将非常 大，由于分布电感，会产生大的过压，因 此抑制这个过压的安装技术改善是非常重 要。
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§1.3变换器分类
电力电子技术的应用领域主要有： � 大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量 和增加效率为主要目标。 � 电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采用 电力电子技术来完成电机的速度、转矩、跟随性 等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及 的应用领域。 � 高压直流输电。 � 电源变换。它的发展主要以增加效率和提高控制 性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电 动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机 等控制。 � 无功功率补偿。 返回
第一章 电力电子技术综述
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引言 §1.1 简单的变换器 §1.2理想开关和实际开关 §1.3变换器分类 §1.4 变换器组成 §1.5变换器中电感电容连接 §1.6 变换器的希望特性和考核指标 §1.7 变换器保护
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引言
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电力电子技术（Power Electronics Technology）是研究电 能变换原理及功率变换装置的综合 性学科，包括电压、电流、频率和 波形变换，涉及电子学、自动控制 原理和计算机技术等学科。
2
S
1
2
O
O O
Ploss = (VS − VO ) IO
�
在大功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上， 这些热量必须通过散热器散掉，其效率也很低。
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通过上述分析，可以看出变换器设计必须 考虑至少两个方面问题： 输出参数（电压）的稳定问题； 变换效率问题；效率很低的变换电路几乎 没有应用价值。
�
B
Is Vs 变换器 Vc (a)
源 ac dc 输出 dc 整流 Rec tifi cati on 变换 Con vers ion ac 交流控制 ac cont rol 逆变 Inv ersi on
Io Vo
(b)
A
图1-3 变换器分类
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图1-3为一个单输入单输出变换器，电源可以是直 流，也可以是交流，可以是电压源，也可以是电 流源；负载可以是电感、电容或电阻，也可以是 有源负载或者是把电能转化成其它能量形式的装 置；Vc是具有输出变量特征的控制信号，输入和 输出侧的电压或电流波形可以单相，也可以是三 相或多相形式，变换器由开关、电感、电容和变 压器组成，开关包含两端开关（如二极管）和三 端开关（如SCR）。 为了方便分析，假定这些器件都是理想器件，即 具有线性、非时变特征，开关的电压和电流容量 满足要求。